用于燃气涡轮部件修复的ni-ti-cr近三元共晶合金的制作方法
【专利摘要】本发明描述了Ni、Ti、Cr的近三元共晶合金，其具有大约1230℃或更低的相对低的熔融温度，适用于在修复过程中融合涡轮叶片和叶轮中的裂纹而没有开裂的巨大风险。这种合金适用于涡轮叶片的低温接合或修复，因为其包含与典型的涡轮叶片和叶轮相同的组分而不含外部元素来降低修复后的材料的熔点或不利地影响修复后的部件的机械性能。不含硼消除了脆的硼化合物的形成，这对于修复或接缝的性能是有害的。
【专利说明】用于燃气涡轮部件修复的N1-? -CR近三元共晶合金
[0001]主张优先权
这是根据35 U.S.C.§ 111(a)提交的实用专利申请，并且根据35 U.S.C.§119要求2011年11月3日提交的临时专利申请61/555，113的优先权。前述临时专利申请的整个内容通过引用并入本文用于所有目的。
[0002]发明背景
1.发明领域
本发明涉及超级合金部件的修复，并且特别地涉及在燃气涡轮中使用的超级合金部件，并且最特别地涉及用于实现这种修复的N1-T1-Cr近三元共晶合金。
[0003]2.背景和相关技术
通常，超级合金被认为是甚至在接近该材料的熔点的温度时仍然显示出优异的耐机械和化学损坏性能的高温材料。Ni超级合金基于镍(Ni)并且通常包含显著量的多种其它元素例如铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钴(Co)、钽(Ta)、碳(C)等。最早超级合金应用于航空涡轮发动机上。因为更高的操作温度通常导致增加的燃料效率和更低的碳排放，导致超级合金也越来越多地应用于陆基润轮系统。例如，参见The supperalloy(超级合金),RogerC.Reed著(剑桥出版社，2006，特别是第一章)。该参考文献的整个内容通过引用并入本文用于所有目的。
[0004]因此，由于超级合金在更大量的空中和路基涡轮系统中使用并且在更高的温度下操作，越来越多的叶片叶轮和其它部件经受开裂和其它形式的材料损坏而需要修复。有效进行这种涡轮部件的修复以使得修复后的部件具有与原始部件尽可能相近的性能是很重要的。
[0005]超级合金的经济重要性导致在它们的焊接和修复方面已经产生了大量的研究。参见例如，Welding Metallurgy and ffeldability of Nickel-Base Alloys, J.N.Dupont,J.C.Lippold, Samuel D.Kiser (John Wiley & Sons, 2009),特别是第 4 章。该参考文献的整个内容通过引用并入本文用于所有目的。
[0006]尽管有了大量的研究，在接合或修复超级合金部件中仍然会出现问题。通常，其它方法的缺点包括在修复期间或修复之后开裂，修复后部件短的使用寿命，增加的脆性等。因此，在本领域存在改进修复超级合金涡轮部件的方法和材料的需求。
[0007]发明概述
本文描述的填料合金利用了 N1-T1-Cr的近三元共晶组合物，其使得修复能够在相对低温下进行，从而降低或消除了在修复过程期间开裂的问题。此外，通过本文描述的填料合金的某些实施方案，基础材料的溶液热处理在也导致修复区域均质化的温度下发生。此外，硼不以有害量存在于本文描述的填料合金中，从而消除了通常与形成脆的硼化合物有关的脆性等问题。 [0008]在本发明的某些实施方案中，调节近三元共晶的组成以允许在部件的溶液热处理温度下发生修复区域的均质化。用JMarPro-4.0 (来自Sente Software Ltd., SurryTechnology Centre, UK)进行的计算表明该三元合金具有大约如在式I中所给出的组成:Ni (X)-Ti (y)-Cr (z)式-1
当基本在以下范围(以重量百分数计)选择X，1，z时，熔点接近1175°C,
55% ≤X ≤ 65%，(Ia)
15% ≤ y ≤ 25%,(Ib)
15% ≤ z ≤ 25%。(Ic)
在(la，lb，lc)中和在贯穿本文给出的范围不旨在为固定的和严格的界限，而是提供对组成的基本上精确的描述，在具体情况下可以进行适度调整，如可以通过常规实验所决定的。
[0009]该合金(式I)在图1中由区域101表明。作为具有商业应用的一个实例，我们已经展示了式-1具有修复由合金247C制备的部件的能力。
[0010]其它实施方案采用近三元共晶和基础材料的混合物来进行修复。
[0011]因此并且有利地，根据以下详细描述的本发明实现了这些和其它优点。
[0012]附图简要说明
图1:描绘在1277°C下的Cr-N1-Ti等温投影的三元相图；
图2和图3:采用本文描述的材料和步骤的代表性钎焊接头(braze joint)的显微照片。图2是窄间隙钎焊的实例而图3是大间隙钎焊的实例。
[0013]发明详述
本发明涉及一种Ni+Cr+Ti的近三元共晶填料合金了，其用于制备高强度修复接头，典型地用于燃气涡轮部件的接合和修复。
[0014]典型的现有技术填料合金包含硼(B)作为填料合金的组分。这往往会降低修复的部件的机械性能和寿命，因为B倾向于与通常在燃气涡轮部件中存在的元素形成脆的硼化物。在修复过程期间和修复过程之后，开裂也是现有技术焊接填充材料存在的一个问题。
[0015]本文描述的填料合金采用了近三元共晶组合物，其使得修复能够在相对低的温度下进行，从而减少或消除了在修复过程期间开裂的问题。此外，本文通过描述的填料合金的某些实施方案，溶液热处理被用于修复之后的均质化。此外，硼不以有害的量存在于本文描述的填料合金中，从而消除了通常与形成脆的硼化合物有关的脆性等问题。
[0016]在本发明的某些实施方案中，调节近三元共晶的组成以允许在部件的溶液热处理温度下发生修复区域的均质化。
[0017]图1显示了在1277°C下的三元N1-Cr-Ti相图的等温部分。液相由区域101表明。本合金组合物的特别关注的组成由区域100表示。这些组成预期在大于约1175°C的温度下为液体，并且对于涡轮部件的修复是有利的。因此，以上在式I中给出了有利的组成:
Ni (X)-Ti (y)-Cr (z)式 I
其中:55% ≤ X ≤ 65%, 15% ≤y ≤ 25%, 15% ≤ z ≤ 25%
熔点接近1175°C。该合金(式I)由图1中的区域100表示。
[0018]作为具有商业应用的一个实例，我们已经展示了式-1具有修复由合金247C制备的部件的能力。
[0019]表-1显示了叶片的组成，合金247，修复的接头的组成(二者均以重量百分数给出)以及在修复后计算的差异，Λ。表-1表明修复接头的组成与247基础材料的组成相似。然而，预期这将仅在那些其中溶液热处理温度基本将修复位置均质化的情况下(例如该实施例)发生。[0020]图2和图3是使用混有合金247粉末的式-1的近三元共晶物(x=60%, y=20%, z=20%)在真空炉中于1240°C溶液处理2小时之后的代表性钎焊接头的显微照片。图2中的钎焊接头仅包含代表窄间隙钎焊的近共晶合金。图3中的钎焊接头包含代表大间隙钎焊的247粉末与钎焊粉末的混合物。
[0021]总之，式-1的组合物(计算的熔融温度在约1150-约1230°C的范围)被显示为有利的填料材料，特别是对于在1230°C下溶液热处理的合金247。因此，当该式-1的填料材料被应用于合金247部件中的张开的裂纹时，其将在有利的温度下熔融并且填充该裂纹。此外，以下还显示了对合金247的2小时溶液热处理将使修复的区域均质化。
[0022]一种使用本文描述的填料材料的典型的修复方法如下进行:
a)清洁部件的修复区域并且用近三元共晶填料以及基础材料填充，它们通常呈粉末、线或箔的形式。
b)所述近三元共晶填料合金具有在修复的部件的溶液热处理温度以下的熔融温度。
c)调节添加到修复区域的近三元共晶填料和基础材料的相对分数以响应在热处理后的完全均质化。
d)在该近三元共晶填料的熔点以上热处理该在修复位置具有近三元共晶填料和基础材料的混合物的部件以实现完全熔合。
e)近三元共晶物熔融并且其元素由于进行修复的部件与基础材料之间的组成差异而在热处理操作期间扩散到基础材料中。
f)该溶液热处理步骤还起均质化处理的作用。
[0023]相比之下，典型的焊接方法可能使用相同组成的填料材料，但涉及更高的温度(通常在1450°C左右)，在冷却期间往往会发生开裂。
[0024]以上考虑的具体实施例采用了合金247，预期本文描述的材料和方法也可以与其它合金(典型地，溶液热处理温度高于约1200°C的合金)一起使用。
[0025]虽然本文已经展示并且详细描述了结合了本发明的教导的多种实施方案，本领域技术人员可以容易地想到也结合了这些教导的其它各种各样的实施方案。
【权利要求】
1.一种三兀合金，其包含镍、钛和铬并且具有低于约1230°C的熔融温度,适用于燃气涡轮部件的低温接合或修复。
2.包含镍、钛和铬的三元合金，其中镍以大约55wt%至大约65wt%的量存在，钛以大约15wt%至大约25wt%的量存在，且铬以大约15wt%至大约25wt%的量存在。
3.权利要求2的三元合金，其中镍以大约60wt%的量存在，钛以大约20wt%的量存在，且铬以大约20wt%的量存在。
4.权利要求2的三元合金，其中在所述合金中基本不存在硼。
5.修复或接合燃气涡轮部件的方法，包括: a)清洁所述部件的待修复区域并用填充材料和基础材料的混合物填充所述待修复区域； 其中所述填充材料具有低于所述基础材料的溶液热处理温度的熔融温度；和其中所述混合物包含使得在热处理所述部件之后获得完全均质化的相对分数的所述填充材料和所述基础材料； b)在所述填充材料的熔点之上溶液热处理所述部件和所述混合物，由此获得熔合和均质化。
6.权利要求5的方法，其中所述填料是包含N1、T1、Cr的近三元共晶合金。
7.权利要求6的方法，其中所述填料基本上具有以重量百分数计的以下组成:Ni(X)，Ti (y)，Cr (z)，其中选择x，y，z使其总和基本上为100%并且各自基本在以下范围内:55% ≤ X ≤ 65%, 15% ≤ y ≤ 25%, 15% ≤ z ≤ 25%。
8.权利要求7的方法，其中所述填料基本具有以下组成(以重量百分数计):Ni(60%)+Ti (20%) +Cr (20%)。
9.权利要求5的方法，其中所述基础材料是合金247。
【文档编号】F01D5/00GK103889645SQ201280052221
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2011年11月3日
【发明者】K.奥兹贝萨尔 申请人:西门子能源公司