用于由γ`強(qiáng)化超合金制成的焊接部件的焊后熱處理的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于由基于Ni或Co或Fe或其組合的γ′強(qiáng)化超合金制成的無填充劑材料電子束或激光焊接高強(qiáng)度部件的焊后熱處理的方法。所述方法由以下步驟組成：a)提供所述焊接部件，隨后b)在從室溫直到至少1000℃的溫度T1的整個(gè)溫度范圍過程中通過施加在約20至40℃/min的范圍中的快速升溫速率來加熱所述焊接部件，隨后c)保持所述焊接部件于T1下并隨后通過施加約5℃/min的緩慢升溫速率來加熱所述部件至最終溫度Tf，隨后d)使所述焊接部件于Tf下保持時(shí)間tf，其中等溫停留時(shí)間tf足以至少部分地將γ′相溶解于焊縫中以及還溶解于焊縫周圍的基礎(chǔ)材料中；隨后e)以約≥20℃/min的冷卻速率冷卻所述部件，和f)最后任選地根據(jù)已知的現(xiàn)有技術(shù)施加析出硬化處理。
【專利說明】用于由Y’強(qiáng)化超合金制成的焊接部件的焊后熱處理的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超合金技術(shù)。其涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于由Y ’強(qiáng)化超合金制成的焊接部件(例如先前在運(yùn)行中的渦輪中使用并損壞的經(jīng)修復(fù)渦輪件或接合的新渦輪件)的焊后熱處理的方法。使用所公開的方法可避免焊接件的焊接區(qū)中的裂紋。

【背景技術(shù)】
[0002]已知高強(qiáng)度鎳、鈷或鐵基超合金(例如與其它元素如鋁和鈦的鎳基超合金)因材料中高程度的Y’相的析出硬化效應(yīng)而具有高強(qiáng)度特性。還已知這些超合金非常難以成功地焊接。
[0003]在文獻(xiàn)US 2005/0194363 Al中，描述了高強(qiáng)度超合金的多激光束焊接。該方法使用兩個(gè)或更多個(gè)激光的陣列來以幾乎同時(shí)的操作進(jìn)行加熱、焊接(其中超合金粉末作為填充劑材料加入)和焊后熱處理的步驟。第二激光斑加熱剛剛焊接的區(qū)域，從而減慢焊接處遭遇的冷卻速率，這有助于減少或甚至消除熱裂紋，但由于焊接過程中使用填充劑材料，故預(yù)計(jì)該焊接的強(qiáng)度性質(zhì)將不夠。
[0004]因此，高強(qiáng)度焊接常常通過激光焊接、電子束焊接或可焊接Y’強(qiáng)化超合金的類似方法來進(jìn)行而不使用填充劑材料。不使用填充劑材料的焊接有著該焊接具有與所接合的基礎(chǔ)材料相似的強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。但其具有因焊接過程固有的快速冷卻而在焊縫中幾乎不存在或不存在Y’析出的缺點(diǎn)。
[0005]這就是為什么常常需要焊后熱處理來調(diào)節(jié)零件的微結(jié)構(gòu)的原因。在焊后熱處理過程中，Y’相也在焊接區(qū)中析出。這些析出物引起合金中的結(jié)晶學(xué)改變，從而在熱處理后產(chǎn)生較小的晶格參數(shù)。伴隨該析出的體積變化可能導(dǎo)致焊接區(qū)中的裂紋，該裂紋被稱為應(yīng)變時(shí)效裂紋或焊后熱處理裂紋。
[0006]文獻(xiàn)US 7854064 B2公開了一種用于修復(fù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。所述方法包括以下步驟:提供由鑄造或鍛造的鎳基超合金(包括例如Waspaloy、IN-738、IN-792、IN-939)制成的渦輪部件，從所述部件去除任何缺陷，其中所述去除步驟包括當(dāng)部件經(jīng)過1100至1600 0F (593-8710C )的范圍的溫度時(shí)用29和40 0F /分鐘(16-23。。/min)之間的快速加熱速率的固溶熱處理步驟，其中部件和替代零件在所提及的溫度范圍中不超過17分鐘。在部件達(dá)到期望的固溶溫度后，在該溫度下保持約3至5小時(shí)，隨后冷卻，并隨后通過電子束焊接、等離子弧焊或氣體鶴弧焊(Gas Tungsten Arc Welding, GTAff)進(jìn)行焊接以實(shí)現(xiàn)修復(fù)。從固溶溫度到低于1250 0F (6770C )使用冷卻速率為0.5至10 °F /分鐘(0.3-5.6V /min)、優(yōu)選0.5至1.0 °F /分鐘(0.3-0.6V Mn)的緩慢的固溶處理后冷卻速率以顯著防止焊接裂紋并增強(qiáng)可焊性。該緩慢的冷卻速率允許冷卻過程中有顯著的時(shí)間來發(fā)生Y’析出并顯著生長。這降低它們的硬化能力并提高高溫延展性。
[0007]另外，文獻(xiàn)US 7854064 B2中公開，可使焊接渦輪部件經(jīng)受焊后熱處理。對該焊后熱處理使用與上面提到的焊前熱固溶處理相同的加熱和冷卻速率，這意味著當(dāng)所述焊接渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件在1100至1600 0F (593-8710C )的溫度范圍中時(shí)使用在29 0F /分鐘至40 T /分鐘(16-23°C /min)的范圍中的快速加熱速率，而所述焊接渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件從最大固溶熱處理溫度到低于1250 0F (6770C )的冷卻在0.5至10 °F /分鐘、優(yōu)選0.5至I °F /分鐘(0.3-5.6V /min、優(yōu)選0.3-0.6V Mn)的冷卻速率下非常緩慢地進(jìn)行。應(yīng)用此改進(jìn)的焊后熱處理以消除焊前固溶處理的緩慢冷卻速率所生成的微結(jié)構(gòu)特征并恢復(fù)合格的機(jī)械性能。
[0008]雖然US 7854064 B2中公開的方法具有由鎳基超合金制成的渦輪部件可有效地被修復(fù)例如焊接而不存在微裂紋的優(yōu)點(diǎn)，但鑒于所描述的焊前和焊后熱處理的多個(gè)步驟，該方法有著耗時(shí)耗成本的缺點(diǎn)。
[0009]文獻(xiàn)US2012/0205014 Al描述了采用增強(qiáng)的焊后熱處理的超合金慣性摩擦焊接。摩擦焊接避免了固溶裂紋，但由于摩擦焊接過程中的冷作(沉積物材料和超合金基材中的至少之一的塑性變形)，將引起殘余應(yīng)力。因此，提出進(jìn)行熱處理，該熱處理包括焊后中間應(yīng)力消除(Intermediate Stress-Relief, ISR)處理、隨后是固溶處理、隨后是析出硬化熱處理。對于ISR，漸變至870°C的時(shí)間為約102分鐘，意味著約8至9°C /min的加熱速率，這是相當(dāng)?shù)偷摹?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于例如通過電子束焊接或激光焊接來焊接的無填充劑材料焊接部件的熱處理的高效方法，其中所述部件由Y’強(qiáng)化超合金制成。所述方法確?？杀苊夂缚p和焊接區(qū)中的裂紋。這樣的部件優(yōu)選為渦輪件，且所述方法應(yīng)可適用于修復(fù)運(yùn)行(服務(wù))過程中損壞的渦輪件以及將渦輪件的新零件接合于一起。
[0011]根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的前序部分的方法為用于由基于Ni或Co或Fe或其組合的Y’強(qiáng)化超合金制成的無填充劑材料電子束焊接高強(qiáng)度部件的焊后熱處理的方法。
[0012]所述方法由以下步驟組成:
a)提供所述焊接部件，隨后
b)在從室溫直到至少1000°C的溫度T1的整個(gè)溫度范圍過程中通過施加在約20至400C /min的范圍中的快速升溫速率來加熱所述焊接部件，隨后
c)保持所述焊接部件于T1下并隨后通過施加約5°C/min的緩慢升溫速率來加熱所述部件至最終溫度Tf，隨后
a)使所述焊接部件于Tf下保持時(shí)間tf，其中等溫停留時(shí)間tf足以使r相至少部分地溶解于焊縫中以及還溶解于焊縫周圍的基礎(chǔ)材料中；隨后
e)以約>200C /min的冷卻速率冷卻所述部件，和
f)最后任選地根據(jù)已知的現(xiàn)有技術(shù)施加析出硬化處理。
[0013]根據(jù)步驟b)的升溫速率應(yīng)足夠高以至少最大限度地減少、優(yōu)選避免焊縫中的Y’析出物。
[0014]根據(jù)步驟e)的約彡200C /min的快速冷卻速率，作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生細(xì)小的Y ’析出物。
[0015]所述方法的優(yōu)選實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中描述。
[0016]通過焊后處理過程中快速升溫速率的施加，實(shí)現(xiàn)了焊縫中的r析出物可被最大限度地減少或避免。零件的最終熱處理隨后在足以使得Y’相也至少部分地溶解于焊縫周圍的基礎(chǔ)材料中的溫度和長時(shí)間下進(jìn)行。冷卻后，焊縫以及基礎(chǔ)材料中均形成r析出物。然而，由于停留時(shí)間~過程中r相在基礎(chǔ)材料中的部分溶解，故冷卻過程中在焊縫和基礎(chǔ)材料中r相的形成速率以及量是相似的，因此，作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可避免裂紋。
[0017]本發(fā)明不依賴于特定的焊前熱處理，例如US 7854064 B2中所公開的焊前熱處理。因此，其更高效得多，因?yàn)樗峒暗腢S專利中描述的焊前方法步驟在本發(fā)明中被舍棄。
[0018]另外，本方法不僅可用于通過焊接或插入試樣(inserting coupon)來修復(fù)部件，而且可用于制造新的部件，例如制造焊接于一起的模塊化件以形成新的部件。
[0019]所述方法適用于所有r強(qiáng)化超合金(例如但不限于以其商標(biāo)名例如IN738、Mar-M247、CM247LC、CMSX-4、MK4HC、MD2已知的那些)并且僅與不存在其它裂紋避免措施的情況即無焊接填充劑的焊接過程相結(jié)合。使用延展性焊接填充劑也可幫助避免裂紋形成；然而這樣的焊接填充劑的使用將削弱焊接連接。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，根據(jù)步驟b)的升溫速率為約25-40°C /min，優(yōu)選約25-35°C/min。一個(gè)優(yōu)選的范圍為20_30°C/min。這取決于所使用的特定的超合金材料。
[0021]在焊后熱處理中，當(dāng)根據(jù)步驟e)的冷卻速率與根據(jù)步驟b)的升溫速率幾乎在相同的范圍中時(shí)將是有利的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]現(xiàn)在通過不同的實(shí)施方案并參考附圖更加深入地說明本發(fā)明。
[0023]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明公開的方法處理的IN738LC試件在焊后處理的冷卻步驟后的金相學(xué)切口；
圖2示出了根據(jù)圖1的IN738LC試件但在額外的后續(xù)析出硬化之后的金相學(xué)切口 ；
圖3示出了根據(jù)已知的“標(biāo)準(zhǔn)”熱處理施加的焊后處理的時(shí)間-溫度曲線圖；和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案施加的焊后處理的時(shí)間-溫度曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]通過電子束焊接而不使用任何焊接填充劑來接合處于固溶熱處理狀態(tài)的兩塊IN738LC試驗(yàn)板。所述兩塊板可示意性地描述為新的渦輪部件例如渦輪葉片的應(yīng)接合于一起的兩個(gè)模塊化件。不采用特殊的焊接條件。在無任何焊后熱處理時(shí)，焊接區(qū)中有裂紋(所謂的應(yīng)變時(shí)效裂紋)。
[0025]圖3和圖4示出了“標(biāo)準(zhǔn)”熱處理(圖3)和向該部件施加根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的焊后熱處理(圖4)的時(shí)間-溫度曲線圖。
[0026]對IN738LC進(jìn)行以下具有不同溫度和升溫速率的熱處理試驗(yàn):
1.標(biāo)準(zhǔn)熱處理:
1140 °C /0.5h (約 5 °C /min) + 1180 °C /2h (約 5 °C /min)
2.根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)/優(yōu)化熱處理:
IlOO0C /0.5h(約 20-30°C /min) + 1140°C /2h(約 5°C /min)+ 任選地 850°C /17h
圖4中未示出最后一步(850°C /17h)。1140°C和850°C之間的平均冷卻速率為約20°C /
min。
[0027]在室溫到1100°C的范圍中以約20_30°C /min的快速升溫速率使焊接部件經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的焊后熱處理(參見圖4)，升溫速率的精確測量在約400至1100°C的溫度范圍中進(jìn)行。隨后，在1100°C下0.5小時(shí)的停留時(shí)間后，以約5°C /min的較低升溫速率將部件加熱至1140°C (其略低于所用超合金的固溶溫度)，并于1140°C下等溫停留兩小時(shí)，隨后以約200C /min冷卻(1140°C和850°C之間的平均冷卻速率)。
[0028]從圖1(其中示出了所述焊后處理之后焊縫和周圍的基礎(chǔ)材料的金相學(xué)切口 )可以看出，未觀察到裂紋。
[0029]通過焊后處理過程中快速升溫速率的施加，實(shí)現(xiàn)了焊縫中r析出物可被最大限度地減少或避免。零件的最終熱處理隨后在足以使得r相也至少部分地溶解于焊縫周圍的基礎(chǔ)材料中的溫度和長時(shí)間下進(jìn)行。冷卻后，焊縫以及基礎(chǔ)材料中均形成r析出物。然而，由于停留時(shí)間過程中r相在基礎(chǔ)材料中的部分溶解，故冷卻過程中焊縫和基礎(chǔ)材料中r相的形成速率以及量是相似的，因此，作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可避免裂紋。
[0030]另外，在約850°C下17小時(shí)的后續(xù)析出硬化也不導(dǎo)致裂紋的形成(參見圖2)。
[0031]相比之下，當(dāng)升溫速率僅為約5°C/min(參見圖3，標(biāo)準(zhǔn)熱處理)時(shí)，以相同方式加工的焊接連接在初焊條件下未表現(xiàn)出裂紋，但在焊后處理后在焊點(diǎn)表現(xiàn)出裂紋。所述裂紋通過突光滲透劑檢查(Fluorescent Penetrant Inspect1n, FPI)已可見，因此不必制備金相學(xué)切口。
[0032]甚至更高的升溫速率(>30°C /min)對于比IN738LC具有更高的Y ’量的合金如CM247LC或CMSX-4是有利的。另外，也可根據(jù)合金的固溶溫度提高等溫停留溫度。
[0033]本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施方案。其可有利地用于其中不存在其它裂紋避免措施的所有r強(qiáng)化超合金(即，無焊接填充劑的焊接過程)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于由基于Ni或Co或Fe或其組合并為基礎(chǔ)材料的Y'強(qiáng)化超合金制成的無填充劑材料焊接高強(qiáng)度部件的焊后熱處理的方法，所述方法由以下步驟組成: a)提供所述焊接部件，隨后 b)在從室溫直到至少1000°C的溫度T1的整個(gè)溫度范圍過程中通過施加在約20至400C /min的范圍中的快速升溫速率來加熱所述焊接部件，隨后 c)保持所述焊接部件于T1下并隨后通過施加約5°C/min的緩慢升溫速率來加熱所述部件至最終溫度Tf，隨后 d)使所述焊接部件于Tf下保持時(shí)間tf，其中等溫停留時(shí)間tf足以至少部分地將所述Y ,相溶解于焊縫中以及還溶解于焊縫周圍的所述基礎(chǔ)材料中；隨后 e)以約>200C /min的冷卻速率冷卻所述部件，和 f)最后任選地根據(jù)已知的現(xiàn)有技術(shù)施加析出硬化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，根據(jù)步驟b)的升溫速率足夠高以至少最大限度地減少、優(yōu)選避免所述焊縫中的Y '析出物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述升溫速率為約25-40°C/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，所述升溫速率為約25-35°C/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述升溫速率為約20-30°C/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，根據(jù)步驟e)的冷卻速率與根據(jù)步驟b)的升溫速率幾乎在相同的范圍中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述方法用于修復(fù)部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述方法用于接合的新零件/部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述部件通過電子束焊接來焊接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述部件通過激光焊接來焊接。
【文檔編號】C21D9/50GK104232876SQ201410271628
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】埃特 T., 貝克 D., 奧普德貝克 T., 安布羅斯 G. 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司