用于电阻钎焊的方法

用于电阻钎焊的方法
【专利摘要】金属部件，其包括诸如涡轮叶轮和叶片的高温合金部件，用高电阻率钎焊合金组合物通过电阻接合或修复。在一些实施例中，所述钎焊合金包括从由镍、铁或钴基合金组成的组中选择的填充金属，还包括从由磷(P)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)组成的组中选择的元素。在执行本发明的方法中，高电阻率钎焊合金组合物被引入到基底缺陷中或插入在两个要接合的基底之间。电流传导通过所述钎焊合金直到合金熔化并粘结到接合的基底。钎焊合金的高电阻率集中由电流流动产生的热量在所述钎焊合金中，而不是在基底中。
【专利说明】用于电阻钎焊的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下美国临时申请的优先权并通过引用合并它们的全部内容，所述美国临时申请包括2012年3月30日提交并分配序列号61/618，252的共同待批的题为“超级合金的电阻钎焊修复”的美国临时申请，以及都在2012年I月18日提交的共同待批的美国实用新型专利申请，题为“高温合金(superalloy)的凸起电阻钎焊”的13/352，475，和题为“高温合金的凸起电阻焊接”的13/352，468。

【技术领域】
[0003]本发明涉及通过电阻钎焊用于金属部件接合或修复的方法，所述金属部件包括先进高温合金成分。更具体地，本发明方法利用了高电阻率铜焊填料，所述铜焊填料通过施加电流以相对低的热输入融化，而不影响下面的基底金属的结构特性。在一些实施例中，本发明涉及通过以高电阻率的铜焊合金填充缺陷用于蒸汽或气体涡轮机中的高温合金涡轮叶片和叶轮中缺陷的表面修复的方法。其他实施例总体涉及在金属部件的制造或修复中以高电阻率的铜焊合金填充金属基底中的表面缺陷或接合两个基底，所述金属部件特别是高温合金金属部件。

【背景技术】
[0004]由于成品叶片材料的冶金性能，用于制造诸如铸造涡轮叶片的涡轮机部件的镍基和钴基高温合金材料的修复或新制造是挑战性的。例如具有6%以上聚合铝或钛含量的高温合金，如CM247合金，在经受高温焊接时，比低铝-钛含量的X-750高温合金更容易受到应变时效开裂。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理期间被强化，这使得它们难以进行后续的结构焊接。用于高温合金制造或修复的目前使用的焊接工艺通常涉及邻近预备焊缝的基底的基本熔化，以及加上的焊接填充材料的完全熔化。当这样的材料制成的叶片用相同或类似合金的填料焊接时，所述刀片易受在焊缝中的或邻近焊缝的凝固(又名液化)开裂，和/或在随后旨在恢复高温合金与新部件可比的原来强度和其他材料性能的热处理过程中，易受应变时效(又名再加热)开裂。
[0005]在过去，电阻钎焊已被普遍用于不是高温合金的普通黑色和有色金属(如铜)合金基底部件的接合。参见例如美国专利号4，924，054。固体片材、粉末或糊状钎焊合金被夹在部件之间。电阻钎焊是通过在压缩的电极之间传导电流到邻接基底部件对内并熔化钎焊合金而进行。电极通常由诸如碳、钨或钥的高电阻材料构造。大部分热量由源自所述电极的电流产生，并且热依次传导通过接合的金属基底部件。随着电流在电极之间传导并且传导热量通过基底部件，所述钎焊合金熔化，并通过毛细作用浸润和粘贴所述部件到彼此。
[0006]虽然已知的电阻钎焊的方法已被用于接合普通有色和黑色合金，它们对应用于高温合金部件的接合或修复有不足。电阻钎焊需要高传导的热量输入到基底以熔化钎焊合金。如上面提到的施加到高温合金材料的高热量负面地影响它们的结构特性。液态钎焊合金必须不接触电阻电极，否则电极材料受到污染。如果液态钎焊合金被插入电极和基底材料之间，它们可能会永久地连接，破坏电极并可能损坏基底部件。当修复遍布在相对宽的表面区域的表面开裂时，诸如修复高温合金涡轮叶片和叶轮的过程中，液化钎料溢出接触电极的可能性更大。
[0007]分别地通过电阻钎焊和电阻焊接用于接合高温合金部件的方法被公开和主张在都于2012年I月18日提交的共同拥有共同待批的题为“高温合金的凸起电阻钎焊”美国实用新型专利申请号13/352，475和题为“高温合金的凸起电阻焊接”的13/352,468。更具体地，该共同待批的申请公开了用于沿着形成在各相应部件中的配合凸部和凹部之间的接触面接合高温合金部件的方法。所述部件被压缩并沿着它们的共同接触表面被电阻加热，直到所述钎焊材料熔化(钎焊时)或者接触表面液化或塑化(焊接时)，其接合相对的接触表面。在这些申请中，公开了电阻热沿着配合的接触表面集中，并且不影响下面的高温合金部件的结构特性。所述申请还公开和主张在高温合金部件中的表面缺陷可以通过切除表面缺陷和制备具有符合所述切除的材料表面轮廓的表面凸起轮廓的高温合金接合件而被修复。高温合金接合件填充以前由切出的材料占据的空间，并且由所公开的电阻钎焊或焊接方法接合于修复的高温合金基底上。由此，修复的高温合金部件被有效地用与所修复的部件具有相同或类似的结构特性的新高温合金接合件重建。然而，对于高结构强度没有必要的一些高温合金修复，优选的是避免切除缺陷材料和制造补充填料接合件的需要。
[0008]包括高温合金的金属的非结构修复或制造被认为是用次级结构特性规格的不匹配的合金材料更换损坏的材料(或接合新制作的材料的两个部件)，其中原来的基底材料的局部原始结构性能是不需要的。例如，为了恢复被修复组件的原来的轮廓几何形状可以使用非结构或外观修复。在燃气涡轮机的修复领域中，外观修复的例子是填充涡轮叶片翼型件上的表面凹坑、裂纹或其他空隙以恢复其原来的空气动力学轮廓，其中叶片的局部外表面对整个叶片的结构的完整性是不重要的。外观修复或制造经常通过使用抗氧化焊接或钎焊合金实现，所述合金的强度比叶片体高温合金基底低，但具有较高的延展性和不负面影响高温合金基底的材料性质的较低应用温度。
[0009]通过在其要被接合的邻接表面之间插入钎焊合金并且在炉中(通常从周围空气隔绝在真空下或在惰性气氛中)加热的那些部件直到钎焊合金液化并在现在联结的部件的基底内扩散，扩散钎焊已被利用来接合高温合金部件用于修复或制造。通过将钎焊合金插入缺陷并且在炉中加热元件以液化钎焊合金并由此填补裂纹，扩散钎焊也可用于填补在高温合金部件中的表面缺陷，诸如裂纹。在某些类型的修复中，焊炬而不是炉可以用作局部热源来熔化钎焊合金。在进行表面缺陷的扩散或焊炬钎焊修复时，不同于已知的电阻钎焊的方法，任何溢出裂纹的液化钎焊合金不会引起对电极潜在损害或电极到被修复基底的无意附着。
[0010]如上面所讨论的，当在高温合金部件上进行扩散或焊炬钎焊时，必须要注意避免过度加热基底并造成其结构退化。为此，具有相对低的熔点的钎焊合金已被用来最小化整体高温合金基底的加热。美国专利号7，156，280说明用来在高温合金部件扩散钎焊修复中填充宽间隙的镍基或铬基高温钎焊合金组合物可以包括铬(Cr)、铪(Hf)和/或硼(B)以压制钎焊合金的熔点，以便减小高温合金退化的可能性。也已知的是硅(Si)、磷⑵也压制镍合金钎焊料的熔点。由此，B、Si和P是在被推荐用于低熔化温度扩散和焊炬钎焊应用的市售粉末状和固体钎焊合金中的组分。
[0011]以前开发的高温合金修复方法都有各种有利和不太有利的属性。在共有的共同未决的专利申请中描述并要求的电阻钎焊和焊接方法，通过除去受损材料和用新材料接合件更换，提供了有相对简单的修复装置和方法的高质量结构性修复，但对高温合金部件上的相对简单的外观表面修复可能不被认为是商业上成本效益的，所述高温合金部件诸如涡轮叶片和叶轮。通常地，相比已知的焊炬或电阻钎焊技术，扩散钎焊工艺需要相对长的热循环次数、用相对昂贵的处理设备的复杂金属处理工艺和对修复服务的相对缓慢的产出次数。焊炬钎焊需要显著的手工劳动，所述手工劳动增加成本、减慢修复时间、引入了取决于正在执行修复的单个金属工人的技能水平的质量控制变化的可能。由于可能的电极损坏和/或由液化钎焊合金溢出裂纹引起的无意基底附接，其他公知的外观修复电阻钎焊方法不适合用于修复相对宽的或广泛的裂纹。
[0012]由此，在本领域，存在对用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法的需要，所述方法使得子部件可以被接合或裂纹和其他表面缺陷可以被修复，而不会有部件基底结构特性的退化，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。
[0013]在本领域，存在对使用经过验证的、可重复的修复技术和修复仪器用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法的另一需要，所述修复技术和修复仪器无需也可能使部件基底结构特性退化的复杂焊接或修复后热处理程序，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。
[0014]在本领域，存在对用最小化的手工劳动和相对短的修复周期时间用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法的又一需要，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。


【发明内容】

[0015]因此，本发明的一个目的是建立一种用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法，所述方法使得子部件可以被接合或裂纹和其他表面缺陷可以被修复，而不会使部件基底结构特性退化，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。
[0016]本发明的另一个目的是建立使用经过验证的、可重复的修复技术和修复仪器用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法，所述修复技术和修复仪器无需也可能使部件基底结构特性退化的复杂焊接或修复后热处理程序，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。
[0017]本发明的又一目的是建立以最小化的手工劳动和相对短的修复周期时间用于进行金属部件的接合或在其表面上的修复的方法，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。
[0018]这些和其他目的是通过本发明方法以高电阻率的钎焊合金组合物用于金属部件的电阻钎焊而实现的，所述金属部件包括如涡轮叶片和叶轮的高温合金部件。在一些实施例中，镍、铁或钴基合金的钎焊填充金属还包含从由磷(P)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)(已知全部用于压制熔点)，以及硫(S)、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)(不知道被用来压制熔点)组成的组中选择的超高电阻率元素。在执行本发明的方法中，高电阻率的钎焊合金组合物被弓I入基底缺陷内或插入两个基底之间。电流传导通过该钎焊合金，直至合金熔化并粘结到相邻的基底。钎焊合金的高电阻率集中由电流流动产生的热量在钎焊合金中，而不是在基底中。
[0019]本发明以通过邻近部件的金属基底引入钎焊合金用于金属部件的电阻钎焊的方法为特征，其中所述钎焊合金具有比基底更高的电阻率。电流然后传导通过钎焊合金，直至所述合金熔化并粘结到基底上。
[0020]本发明还以通过引入钎焊合金到缺陷中用于修复有缺陷在其中的高温合金部件基底的方法为特征，其中所述钎焊合金具有比所述基底更高的电阻率。电流传导通过钎焊合金，直到合金熔化并填充缺陷。
[0021]本发明又以高温合金制品的制造为特征，所述高温合金制品诸如涡轮叶片或涡轮叶轮。高温合金基底限定了接触表面。具有比基底更高的电阻率的钎焊金属合金通过电阻钎焊的过程粘结到基底接触表面。基底和钎焊合金粘结是通过邻近接触表面引入钎焊合金并传导电流通过钎焊合金直至合金熔化并粘结到基底而进行。
[0022]具有比高温合金基底更高的电阻率的示例性钎焊合金具有镍、铁或钴基合金的填充金属，还包括从由磷⑵、硼⑶、硅(Si)、锗(Ge)(已知全部用于压制熔点)，以及硫⑶、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)(不知道被用来压制熔点)组成的组中选择的超高电阻率元素。在本发明的实施例中，电流以附着到基底并导电地耦合到所述基底和所述钎焊合金的已知电阻钎焊装置和电极传导通过钎焊合金。
[0023]本发明的目的和特征可被本领域技术人员共同地或各自地以任何组合或子组合而应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]本发明的教导可以通过考虑结合附图的以下详细描述容易地理解，其中:
[0025]图1是以本发明的电阻钎焊方法用来修复金属基底中裂纹的装置的示意性视图；
[0026]图2是图1的装置的替代实施例的示意性视图；
[0027]图3是用来接合两个分离的金属基底的图2的装置的示意性视图；和
[0028]图4是示出商用钎焊合金的电阻率和以列举构成材料的重量的其成分百分比的图表。
[0029]为了便于理解，在可能的情况下，相同的附图标记已被用于指定附图共有的相同元件。

【具体实施方式】
[0030]在考虑以下描述之后，本领域的技术人员将清楚地认识到，本发明的教导可以容易地利用在金属基底的接合和/或修复，并且更具体地利用在高温合金涡轮叶片和涡轮叶轮的修复。具有高电阻率的钎焊合金通过传导由公知的电阻钎焊装置产生的电流通过钎焊合金而被粘结到基底上。由流动的电流产生的热量被集中在高电阻率的钎焊合金中，而不是在基底中。所述集中的热量足以熔化钎焊合金，使其粘结到相邻的高温合金基底材料而不使高温合金的结构特性退化。
[0031]图1示出了用于电阻钎焊修复具有一个或更多的表面裂纹缺陷14的示例性基底12的装置10，所述基底12诸如高温合金涡轮叶片。电流发生装置20，例如公知的电阻钎焊装置，传导电流通过公知的电极22、24，并且电流流动路径通过所述叶片基底10完成。在图I中，电极被定向为在所述叶片基底10的裂开表面的面上，并且横向地位于裂纹14的两侧，使得横向电流流动定向穿过所有的裂纹并进入钎焊合金30。电极方向选择性地改变，以提供良好的电流流向裂纹14。在图2中，电极22、24被定向在基底12的相对面上，使得电流流动被定向通过基底厚度，以便邻近相对较深的裂纹14提供良好的电流流动。可选地，整个钎焊组件可以被包含在腔室40中以在钎焊过程中控制气氛。
[0032]在图1和2中，高电阻率粉末钎焊合金30被引入到裂纹14。粉末钎焊合金适合于填充在基底12中的空隙、裂纹和其他表面缺陷14。然而，其他类型的钎焊合金，例如固体预成形/预制环、片状或带状钎焊合金、粒状钎焊合金，预烧结钎焊材料、或者糊状的钎焊合金对其他类型的钎焊应用可以是更适合的。参照图3，基底12A和12B由在压缩力F下插入它们之间的片状钎焊合金30接合。图3的钎焊设备10在从环境空气分离的处于真空下或处于惰性气氛中的炉中或其他腔室中执行钎焊操作。
[0033]在图1-3的任何实施例中，当电阻钎焊装置20使得电流流过导电基底12和钎焊合金30时，相对高电阻率的钎焊合金30比在相对低电阻率的(高导电性)基底中产生并集中更多的热量。换句话说，该钎焊合金30比周围的基底12更快地加热到更高的温度，使得基底不受与标准公知焊接或焊炬钎焊方法相关的热退化的风险。在填充缺陷或裂纹不连续处的高电阻钎焊30的局部加热导致钎焊合金的熔化、浸润进入并沿着裂纹，并且在冷却时，最终修复不连续处。同样通过在钎焊合金被布置的裂纹内集中加热，有较少的液化钎料溢流出裂纹的可能性，否则可能碰到电极并导致电极污染损坏。
[0034]在实施本发明的钎焊方法时，钎焊合金30的成分选择具有相对低的抑制熔点以最小化基底12的热退化的风险。逻辑上，如果熔化钎焊合金30所需的电阻加热引起的电流流动较小，基底热退化的风险降低。钎焊组合物30也为电阻率特性选择，用于在钎焊合金内的高效热集中和随后的熔化，而不需要加热基底12到可能会导致热退化的更高的温度。镍、铁、或钴基合金钎焊填充金属还包含从由磷(P)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)(已知全部用于压制熔点)，以及硫⑶、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)(不知道被用来压制熔点)组成的组中选择的超高电阻率元素。有超高电阻率元素锰(Mn)、锡(Sn)、硼(B)、硅(Si)或磷(P)的钎焊组合物比其他钎焊合金有利地具有更低的熔点和更高的电阻率两者-换句话说比相对更低电阻率的钎焊合金更高效的热集中以用于在较低温度下粘结。
[0035]商业生产的钎焊合金和焊剂包括具有高电阻率的熔点抑制剂，诸如含有硅、硼、铪和铬的。电阻率增强剂包括添加锰到银(Ag)基钎焊合金和添加锰和镍(Ni)到银/铜(Ag/Cu)合金。图4示出有和没有电阻率增强剂的示例性市售钎焊合金。例如钎焊料999 (几乎纯Ag)具有不适合于实施本发明的电阻钎焊方法的非常低的1.59微欧-厘米(μ Ω-cm)电阻率。然而，钎焊料852，包括15%重量的锰的银钎焊料，具有超过20倍的更高的37.5微欧-厘米(μ Ω-cm)电阻率。也如图4所示，分别地含有锰/镍和锡(Sn)的银/铜钎焊合金钎焊料495和钎焊料603具有比对应的合金450和600超过约3倍的更高电阻率。
[0036]虽然各种实施例，其结合本发明的教导，已经被示出并详细描述与此，本领域的技术人员可以容易地设计出仍结合这些教导的许多其他变化的实施例。
【权利要求】
1.一种用于金属部件的电阻钎焊的方法，所述方法包括: 邻近金属基底引入钎焊合金，所述钎焊合金具有比基底更高的电阻率；和 传导电流通过钎焊合金，直到所述合金熔化并粘结到基底。
2.根据权利要求1所述方法，其中，所述金属基底包括高温合金。
3.根据权利要求2所述方法，其中，所述金属基底从由涡轮叶片和涡轮叶轮组成的组中选择。
4.根据权利要求1所述方法，其中，所述钎焊合金包括从由镍、铁或钴基合金组成的组中选择的填充金属，还包括从由磷(P)、硼(B)、娃(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、碳(C)、締(Te)和锰(Mn)组成的组中选择的元素。
5.根据权利要求4所述方法，其中，所述金属基底从由涡轮叶片和高温合金涡轮叶轮组成的组中选择。
6.根据权利要求4所述方法，其中，所述钎焊合金从由粉末钎焊合金、固体预成形/预制环、片状或带状钎焊合金、粒状钎焊合金，预烧结钎焊材料、或者糊状钎焊合金组成的组中选择。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传导电流的步骤用具有导电地耦合到所述基底和所述钎焊合金的电极的电阻钎焊装置执行。
8.根据权利要求1所述方法，其中，所述钎焊合金包括从由镍、铁或钴基合金组成的组中选择的填充金属，以及从由磷⑵、硼⑶、娃(Si)、 锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)组成的组中选择的元素。
9.一种制造的闻温合金制品，其包括: 限定接触表面的高温合金基底；和 具有比基底更高的电阻率的钎焊合金，所述钎焊合金通过电阻钎焊的过程粘结到基底接触表面，所述电阻钎焊过程通过: 邻近所述接触表面引入钎焊合金；和 传导电流通过钎焊合金直至合金熔化并粘结到基底。
10.根据权利要求9所述的制造的制品，其中，所述金属基底从由涡轮叶片和涡轮叶轮组成的组中选择。
11.根据权利要求9所述的制造的制品，其中，所述钎焊合金包括从由镍、铁或钴基合金组成的组中选择的填充金属，以及从由磷(P)JM (B)、娃(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、碳(C)、締(Te)和锰(Mn)组成的组中选择的元素。
12.根据权利要求9所述的制造的制品，其中，所述传导电流的步骤用具有导电地耦合到所述基底和所述钎焊合金的电极的电阻钎焊装置执行。
13.根据权利要求9所述的制造的制品，其中，所述金属基底接触表面限定在其中的一表面缺陷，并且所述钎焊合金填充该缺陷。
14.根据权利要求9所述的制造的制品，还包括具有第二接触表面的第二金属基底，并且钎焊合金粘结到接触表面和第二接触表面两者，使得基底和第二基底固定到彼此。
15.一种用于修复在其中具有缺陷的高温合金部件的方法，所述方法包括: 将钎焊合金引入到在高温合金内的缺陷，所述钎焊合金具有比基底更高的电阻率；和 传导电流通过钎焊合金，直到所述合金熔化并填充缺陷。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述部件从由涡轮叶片或涡轮叶轮组成的组中选择。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钎焊合金包括从由镍、铁或钴基合金组成的组中选择的填充金属，以及从由磷(P)JM (B)、娃(Si)、锗(Ge)、硫(S)、硒(Se)、碳(C)、碲(Te)和锰(Mn)组成的组中选择的元素。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述传导电流的步骤用在所述缺陷的相对侧、具有导电地耦合到所述基底和所述钎焊合金的电极的电阻钎焊装置执行。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述传导电流的步骤用在所述基底的相对侧、具有导电地耦合到所述基底和所述钎焊合金的电极的电阻焊接装置执行。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述传导电流的步骤在从环境空气隔绝的腔室中执行。
【文档编号】B23K1/008GK104185528SQ201380014824
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】D.G.桑瑟姆, G.J.布鲁克 申请人:西门子能量股份有限公司