專利名稱：焊接添加材料以及其應用和構件的制作方法
焊接添加材料以及其應用和構件本發(fā)明涉及權利要求1的焊接添加材料、權利要求15的這種焊接添加材料的應用和權利要求16的構件。所有高溫材料中，鎳基超耐熱合金具有適于飛機和電站的燃氣輪機制造的機械特性、耐腐蝕特性和可加工性的最有利的組合。特別是通過含有極高體積含量的相干Y’相 Ni3 (Α1-Τ , Ta, Nb)的顆粒硬化可大大提高其強度。但含較高Y ’含量的合金通常看作是僅在一定條件下是可焊接的。該差的可焊接性是由于
a)鎳合金通常具有較低的導熱性和較高的熱膨脹系數(shù)，該值類似于奧氏體鋼和Co合金的值。因此引入的焊接熱消除得較慢，且該非均勻加熱導致高的熱應力，后者又導致熱疲勞，其需用高耗費才能控制。b)鎳合金在較高溫度范圍的快速溫度循環(huán)交變時極宜產生熱裂紋。其原因是由于化學組成的波動產生晶界熔融(熔析)或形成低熔點相如硫化物或硼化物。c)鎳合金在Y基質中通常具有高含量的Y’相。在用于渦輪機構件的鎳基超耐熱合金中該Y’相的含量高達40體積％以上。這產生高強度，但特別在低溫和可發(fā)生Y/ Y’析出過程的溫度場范圍內也造成材料的低延展性(“延展性下降溫度范圍”或也稱為 “亞固相線延展性下降”，依合金不同約為700 - IlOO0C )。因此，所出現(xiàn)的應力可較少地通過塑性流動而分解，這通常增加了形成裂紋的危險。d)鎳合金易產生焊后熱處理裂紋現(xiàn)象，也稱為應變時效開裂。從特性上看，該裂紋在焊接后的第一次熱處理中通過熱影響區(qū)中的Y/Y ’析出過程產生，或如果該焊接添加劑可形成Y’相，則該裂紋也可在焊接件中產生。原因是在析出Y’相時由于周圍基質的收縮而產生的局部應力。該對應變時效開裂的敏感性隨形成Y’的合金組分如Al和Ti的含量的增加而加大，因為由此也增加了在結構中的Y’相的含量。如果在室溫下用常規(guī)焊接方法檢驗同類型的焊接(基材和添加材料是相同的)， 則目前對于用于渦輪機輪葉的很多工業(yè)用Ni基超耐熱合金(如IN 738 LC, Rene 80，IN 939)而言，在熱影響區(qū)和焊接件中形成裂紋是不可避免的。當前已知多種方法和工藝步驟可用于改進Ni基超耐熱合金的可焊接性 a)帶預熱的焊接
對于含高強度添加材料(也是M基超耐熱合金)的M基超耐熱合金，用于避免形成裂紋的一種可能性是降低溫差，由此降低了構件的焊接部位和其余部分間的應力梯度。一個實例是在保護氣箱中進行的手工WIG焊接，其中焊接部位通過感應(借助于感應線圈) 預熱到高于900°C的溫度。但這使焊接工藝明顯復雜化且大大增加成本。此外，由于缺乏可接近性不可對所有待焊區(qū)進行焊接。b)采取特別低的熱引入的焊接
為此，使用確保向基材引入非常低的熱的焊接方法。激光焊和電子束焊屬于此類方法。 該兩方法是非常昂貴的。此外，需要編程化和自動化的耗費，這對具有頻繁交替的損傷形成和損傷部位的維修焊接是不經濟的。由US 2004/0115686 Al已知一種含各種不同添加劑的鎳合金。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種焊接添加材料、該焊接添加材料的應用、一種焊接方法和構件，由此克服現(xiàn)有技術所存在的問題。本發(fā)明的目的是通過權利要求1的焊接添加材料、通過權利要求15的該焊接添加材料的應用和權利要求16的構件實現(xiàn)的。在從屬權利要求中列出有利的方案，其可以有利的方式任意相互組合。提供一種焊接添加材料和該焊接添加材料的應用，該焊接添加材料可在室溫下通過手工或自動化焊接對由鎳基超耐熱合金制成的渦輪機葉片和其它高溫燃氣部件進行維修焊接。該焊接添加材料也是一種Y’淬火的鎳基超耐熱合金，但其特別與待維修的構件的基底材料有區(qū)別。該焊接維修能產生低周期強度(LCF，即低周期疲勞)，其相應于約50% 或更高的基材特性(該焊接保持50%的基材LCF周期)。下面詳述本發(fā)明。附圖簡介


圖1示出可用本發(fā)明的添加材料焊接的材料的組成表， 圖2示出燃氣輪機， 圖3示出渦輪機輪葉的透視圖，和圖4示出燃燒室部件的透視圖。按本發(fā)明，提出了增加作為合金元素的硼含量。該硼合金含量應為0. 3 — 0. 6重量％。在同類的以及類似的添加材料情況下，這種增加應改進抗熱裂紋性。這種添加材料可在室溫下通過手工或自動化焊接對由鎳基超耐熱合金制成的燃氣輪機葉片和其它高溫燃氣部件進行維修焊接。該改進抗熱裂紋性的機理為
如果在溫度范圍即所謂的BTR (脆化溫度范圍)或TIS (脆性溫度區(qū)間)的局部可變形性太低，不能吸納焊接導致的膨脹，則就會出現(xiàn)熱裂紋。與常規(guī)的其硼含量最大限制為0. 03 重量％的Ni基超耐熱合金相比，該硼低共熔混合物完全包圍晶界，在凝固時起到“阻尼器” 或“緩沖器”的作用，并吸收所產生的形變力。該低共熔混合物的熔點應低于溫度Tu，即低于從該溫度起變形能力P再增加的溫度?；牟粦^熱。因此建議應用低電流強度的焊接參數(shù)和具有小直徑的添加劑材料。此外，增加硼合金含量可在同時提高在侵蝕性介質中的耐氧化性情況下改進持久強度和耐熱性。建議了對由鎳基超耐熱合金制成的構件如熱燃氣部件138，155 (圖3，4)和渦輪機葉片120，130 (圖2、進行焊接的焊接工藝，其優(yōu)選具有下列特性
··焊接前的熱處理，目的在于增大鎳基超耐熱合金基材中的Y’相(參見EP 1428897 Al)。該也稱為過度時效的熱處理可增加延展性，并由此增加基材的可焊接性?！び贸Ｒ?guī)手工焊接方法如WIG焊接或等離子體焊接的無預熱(室溫下)的焊接， 或也在室溫下的帶自動化方法的焊接如激光焊接或自動化激光焊接?！げ恍钁煤附訒r將整個構件置于箱中以防氧化的密封的保護氣箱或真空箱。也不需其中通過較大量的保護氣流過以保護焊接時的構件的流過式箱?！附訒r特別易形成熱裂紋和/或氧化的基材，建議使用保護氣，該保護氣含用于抑制熱裂紋率的氮和/或用于降低氧化的氫(參見EP 04011321.9)。·焊接后進行熱處理以實現(xiàn)基材和焊接添加材料的勻質化固溶退火。該固溶退火溫度應由基材決定。該固溶退火溫度必需高于焊接添加材料的固溶退火溫度，但低于該焊接添加材料的固相線溫度。用于調節(jié)所需Y’形態(tài)(大小、形狀、分布)的一步或多步時效硬化可緊接著進行或稍后在熱燃氣部件加工時進行。該焊接添加材料在室溫下具有較好的焊接性能。為此，應選擇合金中的Al和Ti 的含量，使得對應變時效裂化有非常低的敏感性。鉻含量的選擇要使該合金形成耐腐蝕的 Cr2O3覆層，并含有在運行條件下足以再生該層的貯量。鐵鐵優(yōu)選限制在最大1. 5重量％，以改進合全的抗氧化性和降低脆性TCP相的形成危險(TCP =拓樸密堆積)。硅硅優(yōu)選限制在最大0. 5重量％，以盡可能降低熱開裂。此外，對任選成分C、Fe、Mn、S、P、Hf、La、Si或rLr確定其在不利和有利影響之間的最佳化的限值。在制備構件和焊接時，在晶界上可能形成氧化物和特別是硫化物。這種含硫和含氧的薄的中間結晶性低共熔混合物一方面使晶界變脆。另一方面其有低的熔點，后者通過晶界局部熔融導致高的晶界開裂靈敏度。特別是通過加入Hf局部改變晶界的化學組成有助于防止氧脆化，在晶界處Hf熔析并由此使氧的晶界擴散難以進行，由此阻止了由氧引起的晶界脆化。此外，還可將鉿引入 Y’相中并提高其強度。下表描述本發(fā)明(數(shù)據(jù)單位為重量％)
元素效果Cr10. 0 - 20. 0防腐蝕，提高耐硫化作用，固溶硬化Co5.〇一15.〇降低堆疊缺陷能，由此提高蠕變強度，改進固溶退火性Mo〇.0 - 10. 0固溶硬化，提高E-模量，降低擴散系數(shù)Ta〇.0 - 3. 5Ti〇.0 - 5. 0在Y ’中取代Al，增加γ ’體積份額Al〇.0 - 5. 0Y ’形成，>約950°(下的唯一有效的長期防氧化，強固溶硬化Fe最大1.5促進TCP相形成，惡化抗氧化性Mn最大0.1Si最大0.5促進TCP相形成，增加熱開裂性C最大〇.25碳化物形成B〇.3 -〇.6晶界有效元素(大原子)，增加晶界內聚力，降低裂紋風險，提高延展性和特久強度， 防止在晶界上形成碳化物膜，降低氧化風險Zr〇.0 -〇.1結合S和C，提高抗開裂性Hf〇.0 -〇.5降低澆注時的熱開裂性，進入Y’中，增加其強度，改進抗氧化性La〇.0 -〇.1結合S，提高熱開裂性S最大0. 015冶金雜質，增加熱開裂性P最大0. 03冶金雜質，有損焊接性Ni余量
應用實例是用人工WIG焊和等離子體粉末堆焊焊接合金Rene 80，特別是當其經受過運行應力的情況下。不排除其它的焊接法和維修應用。該焊接維修部位的特點是，在轉輪葉片平臺過渡半徑中的“結構”維修或在渦輪葉片的轉輪葉片中的“結構”維修。其它鎳基添加劑可按Y ’相含量有多大來選擇，即在優(yōu)選給定的最大上限為75體積％情況下優(yōu)選大于等于35體積％。材料IN 738、IN 738 LC, IN 939,PffA 1483 SX 或 IN 6203 DS 優(yōu)選用本發(fā)明的焊接添加材料焊接。圖2示例性示出呈縱向載面的燃氣輪機100。該燃氣輪機100在內部具有繞轉動軸102呈旋轉安裝的帶軸101的轉子103，該轉子也稱為渦輪機轉輪。沿轉子103依次是抽吸外殼104，壓縮機105，例如為環(huán)式的燃燒室110，特別是環(huán)形燃燒室，其帶有多個同軸安裝的燃燒器107，渦輪108和排氣外殼109。環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)形的熱氣通道111相通。其中例如4個串接的渦輪級 112形成渦輪108。每個渦輪級112例如是由兩個輪葉環(huán)構成。按工作介質113的流向看，在導向輪葉系列115的熱氣通道111中接著是由轉輪輪葉120形成的系列125。導向輪葉130固定在定子143的內殼138上，而系列125的轉輪輪葉120例如借助于渦輪機盤133安裝在轉子103上。在轉子103上連接有發(fā)電機或發(fā)動機(未示出)。在燃氣輪機100運行時，壓縮機105通過抽吸殼104抽吸空氣135，并將其壓縮。將在壓縮機105的渦輪機側端上己備好的經壓縮的空氣導入燃燒器107，并在那里與燃燒介質混合。該混合物在燃燒室110中燃燒形成工作介質113。該工作介質113由那里流出并沿熱氣通道111在導向輪葉130和轉輪輪葉120上流過。該工作介質113在轉輪輪葉120 上呈脈沖傳送減壓，以致轉輪輪葉120驅動轉子103，并且轉子驅動連接其上的發(fā)動機。在燃氣輪機100的運行中，經受熱工作介質113的構件受熱應力作用。按工作介質113的流向看的第一個渦輪機級112的導向輪葉130和轉輪輪葉120除包覆環(huán)形燃燒室 110的熱屏蔽部件外均經受最大的熱負荷。為保持那里存在的溫度，可借助于冷卻劑對其進行冷卻。該構件的基底也可具有定向的結構，即其可為單晶形(SX結構)或僅具有縱向取向的晶粒(DS結構)。作為該構件，特別是渦輪機輪葉120，130和燃燒室110的構件的材料例如應用鐵基超耐熱合金、鎳基超耐熱合金或鈷基超耐熱合金。例如由EP 1204776 BUEP 1306454,EP 1319729 AUffO 99/67435 或 W000/44949 已知這類超耐熱合金。該導向輪葉130具有面向渦輪機108的內殼138的導向輪葉根部(未示出)和背向導向輪葉根部的導向輪葉端部。該導向輪葉端部面向轉子103，并固定在該定子
143的固定環(huán)140上。圖3示出一種渦輪機的轉輪輪葉120或導向輪葉的透視圖，其沿縱軸121延伸。該渦輪機可以是飛機或發(fā)電廠用于發(fā)電的燃氣輪機、蒸汽渦輪機或壓縮機。該輪葉120，130沿縱軸121相繼具有固定區(qū)400、與其緊鄰的輪葉平臺403以及輪葉片406和輪葉頂端415。該輪葉130在其輪葉頂端415上可具有另一平臺作為導向輪葉130 (未示出)。在固定區(qū)400中構成輪葉根部183，其用于將轉輪輪葉120，130固定在軸或盤上 (未示出)。該輪葉根部183例如設計成錘頭。另外的方案也可設計成揪樹根或燕尾根形。該輪葉120，130具有進氣棱409和排氣棱412用于在輪葉片406上流過的介質。在常規(guī)輪葉120，130情況下，在該輪葉120，130的所有區(qū)域中例如使用實心金屬材料，特別是超耐熱合金。例如由EP 1204776 BUEP 1306454,EP 1319729 AUffO 99/67435 或 W000/44949 已知這類超耐熱合金。該輪葉120，130可通過澆注法，也可借助于定向凝固，通過鍛造法，通過銑削法或這些方法的組合制造?？墒褂煤瑔尉ЫY構的工件作為運行中經受高的機械負荷、熱負荷和/或化學負荷的機器的構件。這種單晶工件的制造例如通過熔體的定向凝固實現(xiàn)。其是一種澆注方法，在該方法中液態(tài)金屬合金凝固成單晶結構，即凝固成單晶工件，或者定向凝固。樹枝狀晶體沿熱流排列，并形成桿狀晶粒結構(柱狀，即在工件的整個長度上分布的晶粒，按通常的慣用語稱為定向凝固)，或形成單晶結構，即整個工件由唯一的晶體組成。在此方法中，必需避開向球狀(多晶形)凝固過渡，因為通過非定向生長必定形成橫向和縱向晶界，其使定向凝固的構件或單晶形構件的優(yōu)良特性消失。如果通常論及定向凝固結構，則意指不具有晶界或最多具有小角晶界的單晶以及其雖然具有呈縱向分布的晶界但無橫向晶界的桿狀晶體結構。該第二種所述的晶形結構也稱為定向凝固結構。由 US-PS 6024792 和 EP 0892090 Al 已知這類方法。該輪葉120，130也可具有防腐蝕或防氧化的涂層，例如(MCrAlX ;M是選自鐵 (Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的至少一種元素，X是一種活性元素，其是釔(Y)和/或硅和/或選自稀土或鉿(Hf)的至少一種元素)。從 EP 0486489 Bi、EP 0786017 Bi、EP 0412397 Bl 或EP 1306454 Al中已知這類合金。密度優(yōu)選為理論密度的95%。在該MCrAlX層上(作為中間層或作為最外層)形成保護性氧化鋁層(TG0 =熱生長氧化物層)。在MCrAlX上還可存在隔熱層，其優(yōu)選為最外層，且例如由J2O3-^O2組成，即其未經或部分經或完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定。該隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過合適的涂覆方法如電子束蒸發(fā)法(EB-PVD)可在隔熱層中產生桿狀晶粒。也可用其它涂覆方法，如大氣等離子體噴射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。該隔熱層可具有多孔型的帶微裂紋的或帶大裂紋的晶粒以改進抗熱沖擊性。該隔熱層因此優(yōu)選比 MCrAlX層更具多孔性。該輪葉120，130可以是中空的或實心的。如果該輪葉120，130應經冷卻，則其為中空型，并任選地還具有膜式冷卻孔418 (虛線示出)。圖4示出該燃氣輪機100的燃燒室110。該燃燒室110例如設計成所謂的環(huán)形燃燒室，在此情況下，多個圍繞旋轉軸102呈圓周方向排列的燃燒器107通入共用的燃燒室腔 154中，產生火焰156。為此該燃燒室110整體設計成圍繞旋轉軸102定位的環(huán)形結構。為達較高的效率，該燃燒室110設計成適于工作介質M的約為1000 — 1600°C的較高溫度。也為了在這種不利于材料的運行參數(shù)下能有較長的運行時間，在燃燒室壁153的面向工作介質M的側面上提供有由熱屏蔽部件155所構成的內襯。此外，由于在燃燒室110的內部的高溫，為該熱屏蔽部件155或其固定部件提供冷卻系統(tǒng)。該熱屏蔽部件巧5例如是中空的，并任選地還具有通入燃燒室腔巧4的冷卻孔(未示出)。在由合金制成的每個熱屏蔽部件155的工作介質側還配置有特別耐熱的防護層 (MCrAlX層和/或陶瓷涂層)，或每個熱屏蔽部件155由耐高溫材料(實心陶瓷塊)制成。該保護層可類似于渦輪機輪葉，即例如是MCrAlX=M是選自鐵0 )、鈷(Co)、鎳 (Ni)的至少一種元素，X是一種活性元素，其是釔⑴和/或硅和/或選自稀土或鉿(Hf) 的至少一種元素。從 EP 0486489 BUEP 0786017 BUEP 0412397 Bl 或 EP 1306454 Al 中已知這類合金。在MCrAlX上還可例如有陶瓷熱隔熱層，該層例如由Zr02、Y2O3-ZrO2組成，即其未經或部分經或完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定。通過合適的涂覆方法如電子束蒸發(fā)法(EB-PVD)可在隔熱層中產生桿狀晶粒。也可用其它涂覆方法，如大氣等離子體噴射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。該隔熱層可具有多孔型的帶微裂紋的或帶大裂紋的晶粒以改進抗熱沖擊性。再處理(整修)意指，渦輪機輪葉120，130、熱屏蔽部件155經使用后任選地必需去除保護層(如通過噴砂)。之后去除腐蝕層和/或氧化層或腐蝕產物和/或氧化產物。任選地還修復在渦輪機輪葉120，130或熱屏蔽部件155中的裂紋。然后對渦輪機輪葉120， 130、熱屏蔽部件155進行再涂覆，并重新使用該渦輪機輪葉120，130或熱屏蔽部件155。
權利要求
1.焊接添加材料，其包含(按重量％)10. 0% - 20. 0% 鉻(Cr)，特別是 12% — 18% Cr,5. 0% - 15. 0% 鈷(Co)，特別是 7% — 13% Co，0. 0% - 10. 0% 鉬(Mo)，特別是0. 5重量％ - 10重量％ Mo，尤其是2% - 8% Mo,0. 5% - 3. 5% 鉭(Ta)，特別是 0. 5% - 2. 5% Ta,0.0% - 5. 0% 鈦(Ti)，特別是0. 5重量％ - 5重量％ Ti，尤其是1. 0% - 4% Ti， 1.5% - 5. 0% 鋁(Al)，特別是洲一4% Al， 0. 3% - 0. 6%硼(B)，特別是 0. 4% - 0. 5% B，任選地， 最大0. 30% 碳(C)，特別是最大0. 25% C， 最大1. 8% 鐵(Fe)，特別是最大1. 5% Fe，尤其是最大1. 0% Fe, 最大0. 15% 錳(Mn)，特別是最大0. 1% Mn，最大0. 03%硫(s)，特別是最大0.015% S，最大0. 06%磷(P)，特別是最大0. 03% P，最大0. 7% 鉿(Hf)，特別是最大0. 5% Hf, 最大0. 2% 鑭(La)，特別是最大0. 1% La,最大0. 7% 硅(Si)，特別是最大0. 5% Si, 最大0. 2% 鋯(Zr)，特別是最大0. 1% Zr,余量為鎳。
2.權利要求1的焊接添加材料，其含至少0.01重量％，特別是至少0. 05重量％碳(C)。
3.權利要求1或2的焊接添加材料，其含至少0.1重量％，特別是至少0. 35重量％鐵飾)。
4.權利要求1，2或3的焊接添加材料，其含至少0.01重量％，特別是至少0.05重量％ 錳(Mn)ο
5.權利要求1，2，3或4的焊接添加材料，其含至少0.005重量％，特別是至少0. 01重量%硫(S)。
6.權利要求1，2，3，4或5的焊接添加材料，其含至少0.005重量％，特別是至少0.01重量%磷(P)。
7.權利要求1，2，3，4，5或6的焊接添加材料，其含至少0.05重量％，特別是至少 0. 01 重量 % 鉿(Hf)。
8.權利要求1，2，3 ，4，5，6或7的焊接添加材料，其含至少0. 01重量％，特別是至少0. 05重量%鑭(La)。
9.權利要求1，2，3，4， 5，6，7或8的焊接添加材料，其含至少0.05重量％，特別 是至少0. 1重量％硅(Si)。
10.權利要求1，2，3，4， 5，6，7，8或9的焊接添加材料，其含至少0.05重量％鋯(Zr)。
11.權利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的焊接添加材料，其由鎳、鉻、鈷、鉬、 鈦、鉭、鋁、硼和任選成分碳、鐵、錳、硅、鋯、鉿和鑭組成。
12.權利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的焊接添加材料，其由鎳、鉻、鈷、鉬、鈦、鉭、鋁、硼以及選自碳、鐵、錳、硅、鋯、鉿和鑭中的至少兩種元素組成。
13.權利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的焊接添加材料，其由鎳、鉻、鈷、鉬、 鈦、鉭、鋁、硼及選自碳、鐵、錳、硅、鋯、鉿和鑭中的至少三種元素組成。
14.權利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的焊接添加材料，其由鎳、鉻、鈷、鉬、 鈦、鉭、鋁、硼、碳、鐵、錳、硅、鋯、鉿和鑭組成。
15.權利要求1一 13之一或多項的焊接添加材料在鎳基材料，特別是在與該焊接添加材料不同的鎳基材料中的應用。
16.含有權利要求1一 14之一或多項的焊接添加材料的鎳基構件(1，120，130， 155)，特別是其中所述鎳基材料與所述焊接添加材料不同的鎳基構件。
17.權利要求16的構件，其中所述鎳基材料具有>40體積％的Y’相，特別是最大75 體積％的Y，相。
18.權利要求16或17的構件，其中該構件的鎳基材料含IN738或IN 738 LC, Rene 80 或 IN 939 以及 PWA 1483 SX 或 IN 6203 DS。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種焊接添加材料、焊接添加材料的應用、焊接方法和構件，其通過焊接添加材料明顯改進一些鎳基超耐熱合金的可焊性，并具有下到組分10.0%－20.0%鉻(Cr)，5.0%－15.0%鈷(Co)，0.0%－10.0%鉬(Mo)，0.5%－3.5%鉭(Ta)，0.0%－5.0%鈦(Ti)，1.5%－5.0%鋁(Al)，0.3%－0.6%硼(B)，其余為鎳(Ni)。
文檔編號B23K35/22GK102272342SQ200980153605
公開日2011年12月7日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權日2008年11月4日
發(fā)明者阿賈基內 N. 申請人:西門子公司