用于镍基超合金的焊接填料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于镍基超合金的焊接填料，并且具体地涉及一种在焊接修复区 域中产生高体积率的Y'（gammaprime)相的镍基焊接填料金属。
【背景技术】
[0002] 位于燃气涡轮发动机的高温段中的部件典型地由包括镍基超合金的超合金形成。 燃气涡轮发动机的高温段包括涡轮段。在一些类型的涡轮发动机中，高温段可包括排气段。 发动机的不同热段可经历不同情况，从而要求构成不同段中的部件的材料具有不同性能。
[0003] 发动机涡轮段中的涡轮轮叶或翼附接至涡轮机叶轮，并且在发动机涡轮段所排出 的热燃烧废气中以非常高的速度旋转。涡轮机叶轮与它们的轮叶构成涡轮级，并且从热燃 烧废气提取能量。涡轮发动机具有至少一个涡轮级，但更典型地包括各自从热燃烧废气提 取能量的多个涡轮级。在经过一个涡轮级之后并且在进入一个下游涡轮级之前，热废气被 安排路线通过有时称为叶片的固定喷嘴，所述固定喷嘴重定向废气的流动以便适当地冲击 下一个涡轮级。由于这些喷嘴与轮叶或翼型经历相同的环境，这些喷嘴理想地应与轮叶或 翼具有许多相同的材料性能。例如，这些部件在燃气涡轮机排气中所经历的升高温度下维 持机械性能如抗蠕变性和抗疲劳性的同时，必须同时是抗氧化和抗腐蚀的。因为喷嘴是固 定的，它们并不经历涡轮级所经受的所有负载。喷嘴所经历的大部分应力是由于高热应力， 并且较小程度地是由于机械应力，如气动负载。因此，喷嘴必须具有对热疲劳的卓越抵抗性 以及抗蠕变性，特别是对于它们的大小和重量使得它们易于蠕变的大型多翼后级喷嘴。在 操作温度下，喷嘴至少支撑它们自己的重量。
[0004]由于镍基超合金能提供满足涡轮段环境的苛刻条件的所需性能，镍基超合金 已经典型地被用来生产用于在发动机热段中使用的部件。这些镍基超合金具有耐高 温能力，同时由析出强化机制（包括相连贯的Y'析出物的产生）获得强度。合金如 GTD*222、GTD'lll、MAR-M'、247、WASPALL^R 和UDIMETR 500被用 来制造在1500 °F和更高温度下工作的后级喷嘴。长期暴露于这些温度和机械力使热位置 如喷嘴前缘倾向于蠕变，而在冷却孔附近可能经历热机械疲劳。
[0005] 这种喷嘴常常包含大量的战略元素，如镍、铬、钴和钽。此外，制造这种喷嘴的成本 是高的。所以在缺陷出现之后延长喷嘴的寿命是有成本效益的选项，并且已经展开修复程 序以移除缺陷，从而延长喷嘴的寿命同时避免替换成本。当前采用通过使用填料材料来混 合以及随后堆焊以移除喷嘴中的缺陷来恢复喷嘴的结构完整性。然而，已经反复证明利用 广泛使用的填料如Nimonic263进行的焊接修复在返回服务后经历过早缺陷。
[0006] 需要的是一种包含焊接修复合金的焊接修复，所述焊接修复在高温环境下并不同 样易于在焊接修复区域中破裂，同时是抗腐蚀和高温氧化的。
【发明内容】
[0007]提出一种镍基焊接填料材料，所述镍基焊接填料材料在焊接后热处理（PWHT)之 后在焊接区中产生至少27% (按体积计）的Y'相。如本说明书使用的焊接修复包括焊接 区，在焊接区中，焊接填料材料被沉积并且邻近所沉积焊接填料的一些基材被熔融。焊接修 复包括邻近所沉积焊接区的热影响区（HAZ)，以及邻近HAZ的未受影响的基底金属基底金 属。焊接区的特征在于从基材延伸至焊件中间的柱状晶粒，其进而在预先确定的PWHT之后 析出出最高可达30体积％的y'相。焊接区微结构的特征进一步在于不存在n(eta)相。 像典型的那样，HAZ表现出一些晶粒生长。
[0008] 本说明书下文称为NiFillerX?的镍基焊接填料材料包含按重量百分比计： 0. 03%至0.13%(：、22.0%至23.0%0、18.5%至19.5%(：〇、1.8%至2.2%1、0.7%至 1. 4%Nb、2. 2%至 2. 4%Ti、l. 3%至 2. 0%A1、0. 005%至 0. 040%Zr、0. 002%至 0. 008% 13、不高于0.15%]\1〇、不高于0.35%?6、不高于0.10%]\&1、不高于0.10%〇11、不高于0.10% V、不高于〇. 15%Hf、不高于0. 25%Si以及余量Ni和附带杂质。镍基焊接填料材料的特征 在于不存在Ta。
[0009]有利地，镍基焊接填料材料提供即使在高应力区域中也抗破裂的结构焊接修复。
[0010] 使用镍基焊接填料材料允许修复并且继续使用在延长的服务之后出现缺陷的复 杂和昂贵的部分。使用这种镍基焊接填料材料还允许修复在铸造期间但在服务之前、如在 喷嘴的薄后缘中出现缺陷的新镍基物品，或允许移除需要堆焊的下游制造操作中的缺陷。
[0011] 因为镍基焊接填料材料无Ta，所述材料比它所替换的填料材料更便宜，Ta是在北 美具有有限可获得性的战略材料。
[0012] 通过以下对优选实施例的更详细描述并结合附图将清楚地了解本发明的其他特 征和优点，附图以实例的方式说明本发明的原理。
【附图说明】
[0013] 图1为示例性镍基超合金物品、即涡轮机喷嘴区段的透视图。
[0014] 图2为在老化后NiFillerX?中的Y'形成的显微照片。
[0015] 图3为在升高温度下的PWHT之后的GTD?-222填料、NIMONIC? 263填料和 NiFillerX?的极限抗拉强度的图表。
[0016] 图4为在升高温度下的PWHT之后的GTD';)-222填料、N丨MON丨C? 263填料和 NiFillerX?的伸长率的图表。
[0017] 图5为在升高温度下的PWHT之后的GTD'K;-222填料、N丨MON丨C? 263填料和 NiFillerX?的低循环疲劳（LCF)的图表。
[0018]图6为提供在1600 °F和14ksi应力下的焊接后热处理之后的GTDK;_-222填料、 N1MON丨C? 263填料和NiFillerX?的蠕变断裂寿命的蠕变断裂测试的图表。
[0019] 图7为在蠕变断裂测试后的GTD?-222基底金属中的NIMONIC? 263焊缝的 裂纹尖端附近的微结构的显微照片，示出在焊缝中的沿晶粒边界的针状n相颗粒。
[0020] 图8为在蠕变断裂测试后的GTDR-222基底金属中的NiFillerX?焊缝的裂纹尖 端附近的微结构的显微照片，示出焊缝中没有针状n相颗粒。
[0021] 图9为在GTD-222:K:基材中的PWHT之后的NiFillerX?焊缝和热影响区的低放大 倍数显微图片。
[0022] 图10为在GTD-222K'基材中的PWHT之后的NiFillerX?焊缝和热影响区的图9 的突出显示区域的高放大倍数显微图片。
【具体实施方式】
[0023] 提出一种无钽的镍基焊接填料材料。利用无钽（无Ta)焊接填料材料制成的焊缝 对于用于某些高温镍基材料的焊接修复是特别有用的，所述某些高温镍基材料由包括Y' 形成的析出强化机制获得它们的强度。
[0024] Y'是镍基超合金中的主要析出强化相，并且是主要包含Ni3Al的稳定面心立方 (FCC)金属间析出物。它表现出长程序，从而接近它大约2525 °F的熔点。铌（Nb)也称为钶 (Cb)、钽（Ta)和钛（Ti)，可自动取代铝（A1)最多可达60%。尽管非本发明的范围，基体中 的Y'析出物通过以下方式有助于强化以及抗蠕变性和抗疲劳性：限制通过晶粒的位错运 动。此外，均匀分布的0.3至1.0微米范围内的y'颗粒在抗蠕变和抗疲劳方面比更细小 的析出物更有效，因为位错不太能够穿透到这些大的Y'颗粒中或绕过这些大的Y'颗粒。
[0025]镍基超合金通常用于制造在涡轮发动机热段如涡轮机轮叶和涡轮机喷嘴以及燃 烧部件中使用的部分。在经受高温和迅速流动的废气时，后级涡轮机喷嘴、级2以及离涡轮 发动机后部更近的后级因为它们的大尺寸和重量而特别受关注。因此，在长时期经受废气 的高温时，这些部分必须在高温下维持它们的强度。因为这些部分长时期暴露于高温，这些 部分由于高应力而易于蠕变。例如，涡轮机喷嘴、如图1所示的涡轮机喷嘴区段10可出现 缺陷，如因为蠕变而沿涡轮机喷嘴的前沿12形成的可修复裂缝。在薄壁位置中、如在喷嘴 后缘14(图1)中的冷却孔附近的热机械疲劳也可引起如可修复破裂的缺陷。所以，这些部 分必须为抗氧化、抗腐蚀的，同时是抗蠕变和抗疲劳的，从而在高温下维持它们的延展性和 强度。
[0026] 如这些裂缝的可修复缺陷不限于在涡轮机中操作的部件。新制成喷嘴有时在铸造 制造期间具有缺陷，如在薄后缘14与侧壁之间的填角中的可修复裂缝。下游制造中的铸造 后错误处理和错误机械加工也可导致需要堆焊的缺陷。
[0027] 因为此类物品中出现缺陷的区域太昂贵，所以非常期望修复所述区域，但修复必 须既恢复结构的几何形状又恢复构成结构的材料的机械性能和冶金性能。否则过早缺陷将 重新出现。
[0028]用于燃气涡轮机中的热燃气路径应用的镍基超合金部分或物品中的修复已