耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊用焊丝的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种适合于耐高温抗氧化低膨胀合金焊接用焊丝。该焊丝的化学组成成分的重量百分比为C0.01-0.10，Cr4.5-9.0，Co1.0-2.0，Mo24.5-27.0，Fe1.0-6.0，Si≤0.60，Mn≤0.60，P≤0.025，S≤0.020，Cu0.10-0.50，V≤0.60，Al≤0.50，B0.002-0.006，余为Ni。本发明焊丝用于焊接Ni-Mo-Cr系抗氧化耐高温低膨胀合金提高焊缝热裂纹抗力，改善接头塑性，经焊后热处理获得与母材相当的室、高温拉伸和持久性能。适合于航空工业及其他工业领域抗氧化耐高温低膨胀合金的气体保护焊。
【专利说明】耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊用焊丝
【技术领域】
[0001]本发明属于涉及一种用于N1-Mo-Cr系耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的焊丝。
【背景技术】
[0002]航空发动机和地面燃气轮机采用低膨胀高温合金构件可实现主动间隙控制，减少燃气损失，降低油耗，提高推重比等性能。高性能发动机对低膨胀高温合金提出了更高要求，不仅要在结构上能实现间隙控制，降低燃气损耗和提高热效率，同时要具有更好的耐温和抗氧化能力，海洋和潮湿环境中工作的装备还要求发动机材料具有良好的耐腐蚀能力。目前已有550~600°C用低膨胀高温合金GH907、GH909和700°C以上用GH783。由于GH907、GH909不含铬，GH783仅含3 %铬，它们的抗氧化性和耐腐蚀性不能达到特殊环境服役装备对发动机的要求。主成分为N1-25Mo-8Cr(wt.% )的Haynes242 (国内牌号GH242)合金在无涂层防护的情况下，其抗氧化能力足以使其在高达815°C的温度下工作，其耐热温度和耐蚀性明显优于其他低膨胀高温合金，是极具竞争力的发动机间隙控制材料。N1-Mo-Cr系低膨胀合金在发动机压气机、燃烧室和涡轮部分的应用往往涉及自身及与其他高温合金的焊接，这通常需要 采用与母材合金热膨胀系数、抗氧化能力和耐蚀性相匹配、同时具备良好工艺焊接性的焊接材料，以确保该类低膨胀合金构件的高可靠性焊接。
[0003]N1-Mo-Cr系抗氧化低膨胀合金为沉淀强化型高温合金，Haynes242合金焊接凝固终了形成两种共晶组分(M6C/Y和未知相/Y)，其焊接热裂纹抗力优于718合金，但低于同属N1-Mo-Cr系的其他合金，加之S1、S、P等元素偏析，会增加晶界低熔点化合物或低熔点共晶的形成，改变液膜的润湿性并扩大液相凝固区间，因而导致合金的裂纹敏感性提高。另外，由于该类合金的熔池粘滞，焊接时容易出现未熔合和未焊透缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于N1-Mo-Cr系耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的既可保持焊缝室温、高温力学性能又能改善工艺焊接性的的焊丝。本发明的技术解决方案是，焊丝成分的重量百分比为:C0.01-0.10，Cr4.5-9.0, Col.0-2.0, Μο24.5-27.0，Fel.0-6.0, Si ( 0.60, Mn ( 0.60, P≤ 0.025, S ≤ 0.020, Cu0.10-0.50, V≤ 0.60，Al ( 0.50，B0.002-0.006，余为Ni ;焊丝的制备方法是:
[0005](I)采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~1.0Pa,精炼温度1560~1580°C，精炼时间20~25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入A1、V，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1420~1430°C ；
[0006](2)采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~1.0Pa，电压20~35V,电流密度150~200A/cm2，熔炼速度5.0~10.0cm/min ；
[0007](3)将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为:1060 0C Xlhr— 1120°C X 1.5hr — 1180°C X2hr，空冷；[0008](4)将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为:加热温度1170°C ±10°C，保温20~60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量;
[0009](5)将自由锻后的棒材冷轧成细棒材，冷轧前固溶热处理，固溶规范为:加热温度10650C ± 10°C，保温 20 ~30min，水冷；
[0010](6)将冷轧后的细棒材在拉丝设备上进行冷拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为:加热温度1065°C ±10°C，保温15~20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝；
[0011](7)焊丝酸洗，首先采用HC1+HN03+H2S04水溶液定径，再用25%~30% HNO3水溶液光亮处理。
[0012]所述焊丝成分的重量百分比为:C0.01-0.03，Cr6.5-8.5，Col.0-2.0，Mo25.0-27.0, Fel.0-2.0, Si ( 0.60, Mn ( 0.60, P ^ 0.025, S ^ 0.020, Cu0.20-0.50，
V^ 0.10，Al ( 0.50，B0.004-0.006，余为 Ni。
[0013]所述焊丝成分的重量百分比为:C0.03-0.06，Cr7.5-9.0, Col.0-2.0，Mo24.5-26.5，Fel.0-3.0，Si ( 0.60，Mn ( 0.60，P ≤ 0.025，S ≤ 0.020，Cu0.20-0.50，
V≤ 0.10，Al ( 0.50，B0.004-0.006，余为 Ni。
[0014]所述焊丝成分的重量百分比为:C0.06-0.10，Cr4.5-6.5，Col.0-2.0，Mo24.5-26.5，Fe4.0-6.0，Si ( 0.30，Mn ( 0.30，P ≤ 0.025，S ≤ 0.020，Cu0.10-0.30，
V^ 0.60，Al ( 0.20，B0.002-0.006，余为 Ni。
[0015]本发明具有的优点和有益效果:采用本发明的焊丝焊接N1-Mo-Cr系低膨胀高温合金焊接性良好，裂纹敏感性指数控制在5 %以下，能有效防止焊接热裂纹的发生；接头室温和高温强度及持久性能得到保持，接头强度系数达到90%以上，韧塑性得到改善；焊丝的线膨胀系数与GH242合金的线膨胀系数比较接近，可减轻因焊缝与母材线膨胀系数差异而造成的热应力，提高构件使用的可靠性。
【具体实施方式】:
[0016]选取焊丝合金成分(wt%):C0.01-0.10，Cr4.5-9.0, Col.0-2.0，Μο24.5-27.0，Fel.0-6.0, Si ( 0.60, Mn ( 0.60, P ≤ 0.025, S ≤ 0.020, Cu0.10-0.50, V ≤ 0.60，Al ( 0.50，B0.002-0.006，余为 Ni。
[0017]焊丝的制备方法是:
[0018](I)采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~1.0Pa,精炼温度1560~1580°C，精炼时间20~25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入A1、V，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1420~1430°C ；
[0019](2)采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~l.0Pa，电压20~35V，电流密度150~200A/cm2，熔炼速度5.0~10.0cm/min ；
[0020](3)将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为:1060 0C Xlhr— 1120°C X 1.5hr — 1180°C X2hr，空冷；
[0021](4)将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为:加热温度1170°C ±10°C，保温20?60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量;
[0022](5)将自由锻后的棒材冷轧成细棒材，冷轧前固溶热处理，固溶规范为:加热温度10650C ± 10°C，保温 20 ?30min，水冷；
[0023](6)将冷轧后的细棒材在拉丝设备上进行冷拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为:加热温度1065°C ±10°C，保温15?20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝；
[0024](7)焊丝酸洗，首先采用HC1+HN03+H2S04水溶液定径，再用25 %?30 % HNO3水溶液光亮处理。
[0025]上述本发明的技术原理为:
[0026]N1-Mo-Cr系低膨胀高温合金的强度与热膨胀特性取决于Ni2 (Mo, Cr)长程有序显微磁畴的数量和形态。Ni2 (Mo，Cr)长程有序显微磁畴的形成具有强化合金基体和降低热膨胀系数的作用。合金的高温屈服强度随Ni2 (Mo，Cr)有序磁畴尺寸的增大而提高，而Mo含量对Ni2 (Mo，Cr)有序磁畴的形成和合金强度影响显著。焊接时Mo、B、P、C向晶界和树枝晶界偏析，使晶粒内部和树枝晶干的Mo含量降低，导致在之后的时效强化过程中该局部Ni2(Mo1Cr)长程有序显微磁畴形成不足，从而对焊缝的强度性能造成不利的影响。该类合金焊接凝固终了形成两种共晶组分(M6C/y和未知相/Y)，加之S1、S、P等元素偏析，会增加晶界低熔点化合物或低熔点共晶的形成，改变液膜的润湿性并扩大液相凝固区间，因而导致合金的裂纹敏感性提高。焊缝成分对低熔共晶的种类、构成和数量具有影响。另外，由于该类合金的熔池粘滞，焊接时容易出现未熔合和未焊透缺陷。
[0027]本发明通过提高焊丝中的Mo元素含量，弥补焊缝因元素偏析造成的局部Mo含量减小所带来的强度降低，保证Ni2 (Mo，Cr)有序磁畴的足量形成，在改善焊接接头力学性能的同时避免热膨胀系数的增加。通过降低Cr元素含量，避免有害相Ni4Mo、Ni3Mo的形成，保证焊接接头的塑性。通过增加C元素含量促进较高熔点M6C/Y共晶的形成，抑制低熔点的未知相/Y共晶的形成，提高焊缝金属对结晶裂纹的抗力。利用B元素对晶界的净化作用，提高焊缝热裂纹抗力。通过降低Cr含量，增加Fe含量和C含量，提高熔池的流动性，提高改善焊丝的焊接工艺性能。适当添加Cu,提高耐海洋性气候腐蚀能力。
[0028]采用真空自耗重熔提高焊丝纯净度，降低焊丝气体含量和S、P、Si含量，降低和弥散焊丝中的夹杂，以此控制焊缝凝固偏析和晶间低熔点液态膜，从而提高焊缝抗热裂纹能力。同时也有利于保持焊缝的韧塑性。
[0029]实施例:
[0030]分别制备3个焊丝，焊丝组成分别采用表I中的组份。
[0031]表I焊丝成分(wt.% )
[0032]
【权利要求】
1.一种耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的焊丝，其特征在于，焊丝成分的重量百分比为:C0.01-0.10，Cr4.5-9.0, Col.0-2.0, Μο24.5-27.0, Fel.0-6.0, Si ≤ 0.60，Mn ≤0.60，P ≤ 0.025，S ≤ 0.020，Cu0.10-0.50，V ^ 0.60，Al ≤ 0.50，B0.002-0.006，余为Ni ;焊丝的制备方法是: (1)采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~l.0Pa，精炼温度1560~1580°C，精炼时间20~25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入A1、V，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1420~1430°C ； (2)采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件:真空度0.1~1.0Pa,电压20~35V,电流密度150~200A/cm2，熔炼速度5.0~10.0cm/min ； (3)将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为:1060 0C Xlhr—1120°C X 1.5hr — 1180°C X2hr，空冷； (4)将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为:加热温度1170°C±10°C，保温20~60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量; (5)将自由锻后的棒材冷轧成细棒材，冷轧前固溶热处理，固溶规范为:加热温度10650C ± 10°C，保温 20 ~30min，水冷； (6)将冷轧后的细棒材在拉丝设备上进行冷拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为:加热温度1065°C ±10°C，保温15~20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝； (7)焊丝酸洗，首先采用HCl+HN03+H2S0yjC^液定径，再用25V0~30% HNO3水溶液光亮处理。
2.根据权利要求1所述的耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的焊丝，其特征在于:焊丝成分的重量百分比为:C0.01-0.03，Cr6.5-8.5，Col.0-2.0, Μο25.0-27.0, Fel.0-2.0,Si ≤ 0.60, Mn ≤ 0.60, P ≤ 0.025, S ≤ 0.020, Cu0.20-0.50, V ≤ 0.10, Al ≤ 0.50，B0.004-0.006，余为 Ni。
3.根据权利要求1所述的耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的焊丝，其特征在于:焊丝成分的重量百分比为:C0.03-0.06，Cr7.5-9.0, Col.0-2.0, Μο24.5-26.5，Fel.0-3.0,Si ≤0.60, Mn ≤ 0.60, P≤ 0.025, S ≤ 0.020, Cu0.20-0.50, V ≤0.10, Al ≤0.50，B0.004-0.006，余为 Ni。
4.根据权利要求1所述的耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊的焊丝，其特征在于:焊丝成分的重量百分比为:C0.06-0.10，Cr4.5-6.5，Col.0-2.0, Μο24.5-26.5，Fe4.0-6.0,Si ≤0.30，Mn ≤ 0.30，P ≤ 0.025，S ≤ 0.020，Cu0.10-0.30，V ≤ 0.60，Al ≤0.20，B0.002-0.006，余为 Ni。
【文档编号】B23K35/40GK103949797SQ201410201125
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】郭绍庆, 孙兵兵, 熊华平, 唐思熠, 李能, 张学军, 杜博睿 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院