熔焊高温合金的沉淀强化的镍基焊接材料的制作方法
【专利说明】熔焊高温合金的沉淀强化的镍基焊接材料
[0001] 本发明的材料可以焊丝和焊粉的形式用于沉淀强化镍基和钴基高温合金的熔焊， 所述熔焊包括激光焊（LBW)、等离子焊（PW)、微束等离子焊（MPW)、电子束焊（EBW)和气体保 护钨极电弧焊（GTAW)。
[0002] 美国专利3, 615, 376的沉淀强化镍基高温合金由以下组成：5-15wt. %的Co、 13-15. 6wt. % 的 Cr、2. 5-5wt. % 的 Mo、3-6wt. % 的 W、4-6wt. % 的 Ti、2-4wt. % 的 A1、 0· 15-0.3wt. %的C、0.005-0.02wt. %的B、至多0· lwt. %的Zr以及余量的镍和杂质，在数 十年中，该沉淀强化镍基高温合金广泛用于涡轮发动机的应用中。该高温合金具有机械性 能、高达1742° F的抗氧化性和可焊性的良好组合。该合金的实施方案也称为Ren680高 温合金，其由 9. 5wt. % 的 Co、14wt. % 的 Cr、4wt. % 的 Mo、4wt. % 的 W、5wt. % 的 Ti、3wt. % 的A1、0. 17wt. %的C、0. 015wt. %的B、0. 03wt. %的Zr和余量的镍组成并且为焊丝和焊 粉形式，已用于 Inconel 738、GTD IlUGTD 222、Ren677 多晶和 CMSX-4、Ren6N5 和其他单 晶材料的焊接。具有高含量γ '相（ga_a prime phase)的沉淀强化的镍基高温合金的 焊接导致了严重的热影响区（HAZ)液化开裂。凝固和热应力加剧了 Inconel 738高温合 金对液化开裂的敏感性，使得不可能在使用已知焊接材料的环境温度下产生无裂纹焊点， 参见 M. Montazeri, F. Malek Ghaini 和 O.A. Ojo 的文章 "Heat Input and the Liquation Cracking of Laser Welded IN738LC Superalloy"，Welding Journal, 2013,Vo. 92,2013， pp. :258 - 264〇
[0003] 根据US 5, 897, 801和US 6, 659, 332,为产生良好的无裂纹焊点，由Inconel 738、 GTD 111和其他高γ'高温合金制成的发动机组件应在焊接前预加热至高温。然而，预加热 降低生产率、增加成本并且影响健康和安全状况。
[0004] 除上文之外，在焊接修复后，涡轮叶片趋于加速氧化，使涡轮叶片与定子组件之间 的间隙变大，降低效率并且增加燃料消耗和温室气体排放。
[0005] 为增加焊点的抗氧化性，具有铼的Ren6142焊丝被引入工业，根据专利US 4，169,742，其由以下组成：1〇-13￥七％的(：〇、3-1〇￥七％0、0.5-2￥七％的]\1〇、3-7￥七％的 W、0. 5-10wt· % 的 Re、5-6wt. % 的 Al、5-7wt. % 的 Ta、0. 5-2wt. % 的 Hf、0. 01-0. 15wt. % 的C、0. 005-0. 05wt. %的B、0-0. lwt. %的Zr和余量的镍。然而，由于铼的成本高，因此 Ren6142焊丝非常昂贵。而且，由于Ren6142合金对开裂的敏感性更高，因此与Ren680相 比，使用Ren6142焊丝产生的焊点的性质对预加热温度甚至更加敏感。
[0006] 为防止HAZ开裂，应当通过将发动机组件预加热至高温来使残余应力最小化（如 US 5, 897, 801和US 6, 659, 332中所讨论的），或通过使用诸如硼的熔点抑制剂使焊接材 料额外地合金化来降低焊接材料的熔化温度以防止HAZ过热（根据US RE 29920和RE 2868)。这些镍基合金包含：0. 05-0. 3wt. %的B、至多0. 35wt. %的C、5-22wt. %的Cr、分别 至多8wt. %和至多3wt. %的Nb和余量的镍。
[0007] 然而，如实验所发现的，量为至多0. 3wt. %的硼不能避免Inconel738、GTD 111和 Mar M247高温合金在环境温度下焊接时的HAZ微裂隙。除上述情况之外，硼还显著地降低 焊点的抗氧化性。
[0008] 硅是另一种熟知的熔点抑制剂。Si已用于制造诸如Haynes HR_160(UNS编号 N12160)的焊丝，该焊丝包含：附-29￥七％(：〇-28￥七％〇-2￥七％?6-2.75￥七％51- 0· 5wt. % Mn - 0· 5wt. % Ti - 0· 05wt. % C - Iwt. % W - Iwt. % Mo - Iwt. % Nb。使用 Haynes HR-160焊丝产生的焊点具有优良的抗氧化性。然而，在超过1800° F的温度下，这些焊点 的机械性能非常低。因此，由于对镍基高温合金的机械性能的不利效果，已经不考虑将硅用 于制造镍基高温合金。
[0009] 例如，根据 Robert V. Miner, Jr.，向银基 Inconel 713C 和 Mar M200 高温合 金的添加0. 5wt. %和Iwt. %的Si极大地影响这些合金的高温机械性能，参考Robert V. Miner, Jr. "Effect of Silicon on the Oxidation, Hot-Corrosion, and Mechanical Behaviour of Two Cast Nickel - Base SuperalIoys'，，Metallurgical Transactions,卷 8A，1977年12月，且pp. 1949 - 1954。另外，不能通过沉淀物的相位比较或形态学的明显 改变以及沉淀物与其他合金元素和Ni在高温下的反应来解释这种退化。
[0010] 因此，Si主要用于制造高温钴基和镍基钎焊材料，例如AMS 4775,其包含 3. Iwt. % 的 B 和 4wt. % 的 Si ;AMS 4777,其包含 3. Iwt. % 的 B 和 4. 5wt. % 的 Si ;AMS 4779， 其包含 I. 85wt. % 的 B 和 3. 5wt. % 的 Si ;Amdry 788,其包含 2wt. % 的 B 和 2wt. % 的 Si ;以 及在US 2, 868, 667中公开的特殊镍基合金，其包含：2. 5-4. 5wt. %的B和3. 5-5. 5wt. %的 Si0
[0011] 使用现有技术中所述的钎焊合金产生的接缝由于高温钎焊过程的特性而没有裂 纹，所述高温钎焊过程通过在真空炉中等温加热零件而进行，使得残余应力最小化。然而， 钎焊的接缝的机械性能远低于基材的机械性能。这很大程度地限制了钎焊在制造和修复涡 轮发动机的高应力旋转部件和结构部件中的应用。
[0012] 因此，工业上亟需开发新的高抗氧化性、高强度和延展性的基于γ '镍高温合金的 焊接材料，其可以在环境温度下于沉淀硬化高温合金上产生无裂纹焊点。
[0013] 发明简述
[0014] 我们已发现由 5-15wt. % 的 Co、5-25wt. % 的 Cr、l-6wt. % 的 Α1、0· 05-0. 2wt. % 的 C、0. 015-0. 4wt. %的B、l-3wt. %的Si，以及约l-20wt. %的选自钨和钼的化学元素，以及 约I-ISwt. %的选自钛、锆、铪、钽和铼的化学元素，以及余量的镍和杂质组成的沉淀强化的 镍基焊接材料以焊丝和焊粉的形式在沉淀硬化高温合金和单晶材料上产生良好的高强度 和高抗氧化性的无裂纹焊点。
[0015] 所开发的焊接材料的优点如下：首先，其使Inconel 738、GTD IlUMar M002、Mar M277以及其他高γ '镍基多晶高温合金在环境温度下能够在没有HAZ开裂的情况下进行熔 焊。第二，其在InconeI 738、GTD IlUMar M002、Mar Μ277和其他高γ'镍基多晶高温合 金上产生具有高强度和高抗氧化性的独特组合的无裂纹焊点。第三，其最小化或消除了单 晶材料在HAZ中沿着熔合线的重结晶。
[0016] 在另一个优选的实施方案中，所述焊接材料由8-10wt. %的Co、14_18wt. %的 Cr、3-5wt. % 的 Mo、3-5wt. % 的 W、3-6wt. % 的 Ti、0. 04-0. 06wt. % 的 Zr、2-4wt. % 的 A1、 0· 05-0.1 wt. %的C、0. 1-0. 35wt. %的B、l-3wt. %的Si以及余量的镍和杂质组成。
[0017] 用于焊接暴露在极高的温度、应力和热腐蚀下的发动机组件的焊接材料的优选 且最先进的实施方案由ll_13wt. %的Co、6-8wt. %的Cr、l-3wt. %的Mo、4-6wt. %的W、 0· 01-0