用于超级合金材料的结构钎焊的制作方法

技术领域

本发明一般地涉及材料技术的领域，更特别地涉及利用钎焊工艺的超级合金材料的接合或修复。

背景技术：

已认识到由于超级合金材料易受焊接凝固裂纹和应变时效裂纹(strain age cracking)的影响，所以超级合金材料的修复很困难。术语“超级合金(superalloy)”在本文中如其在本领域中常用的那样使用，即表现出优异的机械强度和耐高温蠕变性的高度耐腐蚀和氧化的合金。(http://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy)超级合金通常包含高镍或钴含量。超级合金的实例包括以以下商标和品牌出售的那些：哈斯特莱合金(Hastelloy)、Inconel合金(例如，IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如，Rene N5、Rene 80、Rene 142)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247LC，C263、718，X-750，ECY 768、282，X45、PWA 1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。

在一些应用中利用钎焊工艺来修复超级合金材料。尽管通常认为钎焊接头的机械性能比焊接接头弱，并且由于钎焊材料相对低的熔融温度而可接受的工作温度较低，但是钎焊修复在某些较低应力和/或较低温度的应用中是可接受的。

使用硼或硅作为熔点抑制剂材料的常规钎焊材料对于超级合金基材来说价值有限，因为其产生降低接头和修复区域的延展性的有害相。已经开发了结合有铪和/或锆的不含硼和硅的钎焊合金，并且声称其机械性能高达基础超级合金性能的80％。

本发明人已开发了多种利用钛作为熔点抑制剂材料的不含硼和硅的钎焊合金，包括公开号为US 2013/0302647 A1(代理人案号201 1P24893US)和US 2014/0007988 A1(代理人案号201 1P25126US01)的共同未决美国专利申请中公开的那些。钛基钎焊合金可以提供机械强度接近于(超过80％)修复的基材性能的钎焊接头，使得修复可以被认为是结构修复并且可在部件的相对高应力区域中使用。

附图说明

通过考虑附图的以下描述对本发明进行解释，附图中示出了

图1是通过钎焊修复大间隙不连续处(discontinuity)的燃气轮机叶片的侧截面图。

图2是通过钎焊修复窄间隙不连续处的燃气轮机叶片的侧截面图。

具体实施方式

本文公开的钎焊合金特别适用于超级合金，包括Rene 80和IN 939超级合金材料，例如在修复燃气轮机发动机的在其平台部或翼形部具有运行诱导的裂纹的叶片或刀片时。Rene 80部件存在特定挑战，因为其可在1205℃进行固溶热处理，该温度低于一些其他合金，例如Alloy 247合金可在1235℃进行固溶热处理。下文公开的合金可以配制为具有如下液相线温度和固相线温度以及熔融温度范围：其可被调节以与部件的特定超级合金材料的固溶热处理温度协同工作，以实现钎焊以及在固溶热处理中使钎焊接头融合和均质化。可以选择这样的钎焊材料以具有包含或低于特定目标超级合金基材的固溶热处理温度(即，方案期间使用的峰值保持温度)的熔融温度范围。钎焊接头的均质化和固化有利地并不向超级合金基材中引入不存在于该材料中的任何新元素成分。

本文公开的超级合金包含镍、铬和钛，以及选自锆和铪中的至少一种，其可以表示为Ni-Cr-Ti-(Zr和/或Hf)。本文的所有组成以重量百分比给出。

所公开合金的钛和锆和/或铪的作用是降低合金的熔点。组成包含足量的钛和锆和/或铪，使其表现出约1100℃至1200℃的熔融温度范围。有利地，本文公开的合金表现出包含或低于Rene 80合金的固溶热处理温度1205℃的熔融温度范围，这使其特别好地适用于所述合金，以及固溶热处理保持温度高于Rene 80合金的固溶热处理保持温度的合金，例如CM 247和IN 939。

所公开合金的钛含量的作用是提高合金的强度。

所公开合金的锆和/或铪含量的作用是提高合金的延展性。

当待修复或接合的超级合金部件不含铪或几乎不含铪时，Ni-Cr-Ti-Zr钎焊合金可能是期望的。当待修复或接合的超级合金部件不含锆或几乎不含锆时，Ni-Cr-Ti-Hf钎焊合金可能是期望的。当待修复或接合的超级合金部件含有所有这些元素时，Ni-Cr-Ti-Zr-Hf钎焊合金可能是期望的。

在一个实施方案中，四元钎焊合金包含：

4.5％至15.0％Cr；

7.0％至16.5％Ti；

10.0％至16.0％Zr；

余量Ni。

一种这样的钎焊合金包含：

6.5％Cr；

7.5％Ti；

11.0％Zr；

余量Ni，

其液相线温度为1160℃。

该组中的其他合金可包含：

4.5％至5.5％Cr；

7.0％至8.0％Ti；

13.0％至14.0％Zr；

余量Ni。

该组中的一种特定合金包含：

4.9％Cr；

7.3％Ti；

13.0％Zr；

余量Ni，

其液相线温度为1180℃。成功测试了该钎焊合金，以在Rene 80超级合金材料中1.2mm宽的表面开口裂纹中形成无裂纹钎焊修复。首先用-325目合金CM 247粉末填充裂纹，然后施用钎焊合金粉末以覆盖超级合金材料的表面并且加热到1220℃的固溶热处理温度4小时，其中钎焊合金粉末熔融并且流动以填充合金CM 247粉末周围的裂纹。

在另一个实施方案中，四元钎焊合金包含：

4.5％至5.5％Cr；

7.0％至8.0％Ti；

18.0％至19.5％Hf；

余量Ni。

一种这样的钎焊合金包含：

4.5％Cr；

8.0％Ti；

18.5％Hf；

余量Ni，

其液相线温度为1160℃。

在多组分实施方案中，钎焊合金包含：

3.5％至5.0％Cr；

7.0％至9.0％Ti；

9.5％至12.0％Zr；

18.0％至19.0％Hf；

余量Ni。

一种这样的钎焊合金包含：

4.0％Cr；

8.0％Ti；

10.0％Zr；

18.5％Hf；

余量Ni，

其液相线温度为1085℃。

图1示出了利用上述钎焊合金的修复过程，其中由超级合金基材12形成的燃气涡轮发动机10具有从基材12的表面16延伸到基材12内的运行诱导的不连续处14。在本实施方案中，不连续处14描述为在表面16上具有大于0.001英寸的开口的大间隙裂纹。在利用任何已知方法清洁后，用含合金的粉末18，例如含有超级合金颗粒20和钎焊材料颗粒22的混合物的粉末填充裂纹14。含合金的粉末18中钎焊颗粒22可占粉末18的按重量计5％至50％。在另一些实施方案中，含合金的粉末18可以仅为超级合金颗粒20。钎焊材料颗粒22的筛目尺寸范围优选小于(例如-325目/+2微米)超级合金颗粒20(例如，-120目/+2微米)以提供增强的不连续处14的填充。将钎焊材料颗粒22的层设置在含合金的粉末18上以确保在钎焊过程中完全填充不连续处。在基材12的固溶热处理中，钎焊材料颗粒22熔化并且填充不连续处，同时超级合金颗粒20烧结在一起。然后以比基础超级合金更高的浓度包含在钎焊材料中的熔点抑制剂钛、锆和/或铪分布到周围的超级合金材料中以获得固体均匀接头。有利地，钎焊材料22不含待钎焊的衬底12中不包含的元素，使得不向超级合金材料中引入新元素，并且均质接头材料的组成非常类似于基材12，从而提供结构接头。

图2示出了基材12的不同区域，其中仅使用本文所公开组成的钎焊材料颗粒22修复窄间隙不连续处24(小于0.001英寸)。由于不连续处24的宽度有限，不需要如图1所示用超级合金颗粒20填充不连续处，因为在固溶热处理期间钎焊材料22将流入并且填充不连续处。

在另一些实施方案中，本文公开的钎焊合金可形成为箔或线并且利用任何已知工艺来施用。包含多个不连续处的超级合金材料表面的修复可以通过以下步骤实现：任选地用超级合金颗粒填充不连续处(如开口较宽时所期望的)，然后利用的一种公开的钎焊材料的箔设置在表面上进行超级合金的热处理，使得钎焊材料熔化，流进不连续处并且填充在超级合金颗粒周围，然后随着熔融温度元素扩散到衬底12中均质化并且固化。

尽管在本文中示出和描述了本发明的多个实施方案，但是很明显这样的实施方案仅通过举例的方式提供。可以在不脱离本发明范围的情况下进行多种变化、改变和替换。因此，本发明意在仅由所附权利要求的精神和范围限制。