使用复合填料粉末的高温合金的包覆和熔焊的方法技术

本构思是高温合金的包覆和熔焊的方法并且包括如下步骤：首先，向高温合金基材施用复合填料粉末，其包含5-50wt％的含有熔点抑制剂的钎焊粉以及50-95wt％的高温焊粉。第二，通过可相对于基材移动的焊接热源将基材和复合填料粉末同时加热。加热至将完全熔化钎焊粉且至少部分地熔化高温焊粉且还熔化基材表面层的温度，从而形成焊池。第三，焊池一旦凝固并冷却，则在焊珠和基材之间存在接合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及熔焊和用于熔焊的填充材料，并且利用钨极惰性气体保护焊(GTAW)、激光束焊(LBW)、电子束焊(EBW)、等离子焊(PAW)和微束等离子焊(MPW)的手动和自动焊接，该填充材料可用于制造和修补由镍、钴和铁基高温合金制成的涡轮发动机组件。专利技术背景本专利技术涉及熔焊并且可以利用熔焊方法来用于连接、制造和修补由常规多晶、单晶和定向凝固的高温合金制造的制品，特别是涡轮发动机组件。在熔焊中，两个或多个制品之间的结合或连接是通过在引入或不引入填充材料的情况下熔化基材、接着冷却并结晶焊池来进行的。熔焊可以产生在广泛的温度和条件下与该基材的性能相等的性能。然而，凝固和残余应力的留存往往导致裂纹，难以焊接Inconel 713、Inconel738、Rene 77、Rene 80、CMSX-4、Rene N4以及具有低延展性的其它高温合金。钎焊(brazing)可以产生无裂纹接缝，因为其不需要熔化基材以获得接合。钎焊是通过仅将钎焊材料熔化和凝固而进行的。然而，在高温下，钎焊接缝的机械性能通常比基材的机械性能低50-75％。由大部分镍和钴钎焊材料制成的钎焊接缝的不良机械性能不允许大尺寸修复涡轮叶片和其它发动机组件。因此，尽管有裂纹倾向，但是焊接往往比钎焊更常用于制造和修补不同的制品，包括涡轮发动机组件。例如，按照WO2009012747，涡轮叶片的修补是通过去除叶片的受损部分、随后通过使用激光束焊(LBW)(也称为使用粉末填充材料的包覆)的焊缝熔敷来重建被去除的部分而完成的。EU102004002551所公开的方法包括去除受损材料，对修补区域进行激光粉末沉积以及机械加工，从而获得所需的外形。在US专利6269540中描述了类似的方法。其包括使用相对于修补的表面移动的激光束和供给到该表面的填充材料、以激光束熔化一薄层的金属基底并且填充材料在叶片表面上形成熔融的金属的方式进行包覆。重复此过程，直到所期望的叶片部分被完全修复。由镍和钴基沉淀硬化和定向凝固的高温合金制造的低延展性涡轮叶片在焊接和热处理过程中极易产生裂纹。因此，根据US5897801，为了在熔焊过程中避免裂纹，由具有低延展性的材料制成的涡轮叶片在焊接之前被预热至1800°F至2100°F的温度。通过在预选区域中引弧以局部熔化母体材料，提供具有与制品的镍基高温合金相同组成的填充金属，并且将填充金属供给入电弧，电弧导致熔化并且后者与母体材料熔合，一旦凝固则形成焊缝熔敷，从而完成焊接。在高温下焊接的类似方法用于US6659332所公开的方法中。制品通过去除存在于缺陷区域的受损材料、随后在含有保护气体的室中将制品预热至基材固相线温度的60-98％的温度而进行修补。为了使叶片中由于在熔焊过程中施用大量热能而产生的焊接应力最小化，根据CA1207137所述的方法，使叶片在焊接修补之前经历受控加热并且在焊接修补之后控制冷却。涡轮叶片的预热增加了修补成本，并且不能保证无裂纹焊缝，这归因于使用沉淀硬化的高温合金制备的组件的低延展性。US2010221567的直接金属激光烧结方法包括以下步骤：至少向一部分制品施用熔化温度低于基底熔化温度的包覆材料，并且将该包覆材料加热至超过液相线温度的温度，以使表面湿润并在随后的冷却和凝固过程中形成固体化合物。为了防止氧化，该方法是在真空或保护气氛下进行的。该方法基于在US6454885、US6383312、US6454885、US8123105和其它现有技术所述的高温钎焊工艺，因此也有类似的缺点。该方法的主要劣势是在改变焊珠的几何形状的焊后固溶或恢复热处理过程中钎焊被覆熔接的完全再熔化，将修补区域的尺寸局限于单一焊接通道。另外，由于实验发现在焊后状态下，使用具有高含量的诸如B和Si的熔点抑制剂的Ni和Co基钎焊材料产生的焊缝很容易出现大量裂纹，因此不适于在“焊后”状态下使用。根据Banerjee K.、Richards N.L.和Chaturvedi M.C.的“Effect of Filler Alloys on Heat Affected Zone Cracking in Pre-weld Heat Treated IN-738LC Gas-Tungsten-Arc Welds”，Metallurgical and Materials Transactions，卷36A,2005年7月，第1881-1890页，在Inconel 738上采用标准填充材料制备无裂纹焊缝的先前尝试未获得成功。为了在发展现状的范围内验证以上结果，对Inconel 738的可焊性进行评估，使用标准均质焊接材料，其包括：含有诸多合金元素(包括总含量(bulk content)为0.2-1wt％的Si)的标准AMS 5786(Hastelloy W)和AMS 5798(Hastelloy X)镍基焊丝，硅的总含量为2.75wt％的Haynes HR-160镍基焊丝，与US2515185所述的材料类似的Si含量为0.05wt％至2wt％的镍基合金，以及如US6468367的包含高达0.05wt％的B和2.0wt％的Re的更复杂的镍基高温合金。不考虑化学组成，使用标准焊接材料制得的所有的焊缝均显示出在HAZ(热影响区)中沿着基材与焊珠之间的熔合线的大量粒间微裂纹。在Inconel 738中的HAZ裂纹与以下相关：在焊接过程中沿晶界的低温共晶、碳化物和其它沉淀物的初期熔化，随后是由于在HAZ中的高水平的残余张应力导致的裂纹传播。低温共晶的缺乏和快速冷却不允许在焊接过程中进行完全裂纹回填，如Alexandrov B.T.、Hope A.T.、Sowards J.W.、Lippold J.C.和McCracken S.S发表的名为：Weldability Studies of High-Cr,Ni-base Filler Metals for Power Generation Applications，Welding in the World，卷55，n.3/4，第65-76页2011(Doc.IIW-2111，ex Doc.IX-2313-09)所示。这些焊缝的焊后热处理(PWHT)导致了在HAZ中的额外的压力-老化裂纹。有些裂纹传播入焊缝。因此，目前仅预热至超过900℃的温度，允许在Inconel 738、Inconel 713、GDT 111、GDT 222、Re本文档来自技高网...

【技术保护点】
高温合金的包覆和熔焊的方法，包括以下步骤：a)向高温合金基材施用复合填料粉末，所述复合填料粉末包含5‑50wt％的包含熔点抑制剂的钎焊粉以及50‑95wt％的高温焊粉；b)通过可相对于所述基材移动的焊接热源将所述基材和所述复合填料粉末同时加热至完全熔化所述钎焊粉且至少部分地熔化所述高温焊粉且还熔化所述基材的表面层的温度，从而形成焊池；c)所述焊池一旦凝固并冷却，则在焊珠和所述基材之间存在接合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.高温合金的包覆和熔焊的方法，包括以下步骤：
a)向高温合金基材施用复合填料粉末，所述复合填料粉末包含
5-50wt％的包含熔点抑制剂的钎焊粉以及50-95wt％的高温焊粉；
b)通过可相对于所述基材移动的焊接热源将所述基材和所述复
合填料粉末同时加热至完全熔化所述钎焊粉且至少部分地熔化所述高
温焊粉且还熔化所述基材的表面层的温度，从而形成焊池；
c)所述焊池一旦凝固并冷却，则在焊珠和所述基材之间存在接
合。
2.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，其中将所述焊接方法
施用于由所述基材构成的制品，并且还包括选自以下的步骤：将制品
接合在一起、包覆所述制品以用于尺寸修复、制造所述制品及修复所
述制品。
3.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，一旦凝固并冷却，则
在所述焊珠中形成复合结构，所述复合结构包含高熔化温度的枝晶的
互连骨架和枝晶间的共晶基质。
4.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，一旦加热，则形成非
均质焊池。
5.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，一旦加热，则形成均
质焊池。
6.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，还包括焊后热处理的
步骤。
7.如权利要求1和3所述的包覆和熔焊的方法，其中焊后热处理

\t是在超过所述钎焊粉的固相线温度且低于所述高温焊粉的固相线温度
的温度下进行的，其中至少一部分的所述基质再熔化并通过毛细作用
由共晶填充裂纹。
8.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处理
是在低于所述钎焊粉的固相线温度但高于500℃的温度下进行的，从
而发生所述焊珠和所述基材的至少部分应力释放。
9.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中通过用所述焊接
热源加热所述焊珠来局部进行所述焊后热处理。
10.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处
理是在所述基材的退火温度下进行的。
11.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处
理是在所述基材的老化温度下进行的。
12.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处
理包括退火和随后的老化热处理。
13.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处
理是在所述焊珠材料的固-液相线范围内但低于所述高温焊粉的固相
线温度下进行的。
14.如权利要求13所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊珠材料
的固-液相线范围是通过实验得到的。
15.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，其中所述复合填料
粉末在焊接期间被所述热源加热至如下温度，所述温度超过所述钎焊
粉的熔化温度但低于所述高温焊粉的熔化温度的1.2倍。
16.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，其中使用至少两个
连续通道进行所述复合焊粉向所述基材的施用。
17.如权利要求6所述的包覆和熔焊的方法，其中所述焊后热处
理是在施用至少两个焊接通道后进行的。
18.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，其中所述钎焊粉和
焊粉在凝固和冷却之前是完全熔化的。
19.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，其中当所述高温焊
粉被加热至低于其液相线温度的温度时，所述钎焊粉是完全熔化。
20.如权利要求1所述的包覆和熔焊的方法，在所述加热步骤之
前，还包括预混合预选比例的所述钎焊粉和所述高温焊粉的...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·B·恭查洛夫，约瑟夫·利宝地，保罗·罗登，斯科特·哈斯蒂，
申请(专利权)人：利宝地工程有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA