延性的含硼鎳基焊接材料的制作方法
【專利說明】延性的含硼鎳基焊接材料
[0001] 本申請(qǐng)要求于 2014 年 4 月 28 日由 Alexander B. Goncharov、Joseph Livurdi 和 Paul Lowden正式提交的發(fā)明名稱為"用于焊接超級(jí)合金的焊接材料"的第14/263, 120號(hào) 美國專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
[0002] 名義上包含 20-23wt. % Cr、8-10wt. % Μο、3· 15-4. 15wt. % Nb、最大值為 0. lwt. % C和鎳及余量的雜質(zhì)的鎳鉻合金625也稱為制造成AMS 5789的TNCONEL?! 625 (IN625)，其在高至1800° F的溫度下具有良好的抗氧化性，在高至1598° F的溫度下 具有良好的機(jī)械性，并且提供了良好的耐水溶液腐蝕性。因此，數(shù)十年來，該合金已經(jīng)被廣 泛用于航空航天、化學(xué)以及發(fā)電工業(yè)
[0003] 而且，由于獨(dú)特的冶金性能，按照AMS 5837以焊絲和焊條形式制造的Incone 1 625已經(jīng)通過鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW)、激光、電子束和等離子焊接和熔覆用于渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)組件的修復(fù)。由于平衡的化學(xué)組成，溶體硬化IN625合金具有高延性，其中高至 0. lwt. %的碳不影響其延性。因此，該合金沒有進(jìn)一步進(jìn)行費(fèi)用高的純化的冶金需要，該純 化可能增加該廣泛應(yīng)用的焊絲的價(jià)格。因此，市場(chǎng)上可獲得的IN625焊絲中通常的碳含量 從約0· 06wt. %至約0· lwt. %變化。
[0004] IN625 產(chǎn)生了良好的焊接，但是根據(jù) Baner jee K.，Richards N. L.和 Chaturvedi M. C. "Effect of Filler Alloys on Heat Affected Zone Cracking in Pre-weld Heat Treated IN-738LC Gas-Tungsten-Arc, Metallurgical and Material Translation，第 36A 卷，2005 年 7 月，pp. 1881-1890 所述，Inconel·? 738、GTD 111、GTD 222、Inconel 713 和一些其他具有高含量的γ'相（丫'）的沉淀硬化超級(jí)合金的熱影響區(qū)（HAZ)趨于微裂， 也稱為微開裂。
[0005] 根據(jù) A. Gontcharov, J. Liburdi, P. Lowden 等 "Self Healing Fusion Welding Te chnology'，，GT2014-26412, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014:Turbine Technical Conference and Exposition,2014年6 月 16 至 20 日，Dussseldorf,Germany，用硼改性 Inconel 625降低了由GTD111和Inconel 738和GTD 111鎳基超級(jí)合金上的激光熔覆產(chǎn)生 的焊接的HAZ中的熔解溫度和液化開裂。這些焊接處在1800° F的溫度下只有19. 7%的 延伸率，這實(shí)際上限制了拉拔工藝用于制造焊絲。
[0006] 因此，需要對(duì)硼改性的Inconel 625焊接材料進(jìn)行額外的改善，以允許使用標(biāo)準(zhǔn) 的拉拔工藝進(jìn)行焊絲的制造，且與Inconel 625的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)組成無顯著偏差。所述焊絲能 在沉淀硬化超級(jí)合金上產(chǎn)生無裂紋的焊接，其釬焊接頭及焊接接頭的屈服強(qiáng)度及斷裂應(yīng)力 特性超過標(biāo)準(zhǔn)Inconel 625合金的相關(guān)特性，這同樣是本構(gòu)思的一個(gè)目標(biāo)。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)的拉拔工藝及擠壓工藝制造焊絲所需要 的延性，在含 〇· 4-0. 6wt. % 的硼（B)、17-23wt. % 的鉻（Cr)、8-10wt. % 的鉬（Mo)、 0. 1-4. 15wt. %的鈮（Nb)的鎳基合金中的碳含量不應(yīng)超過約0. 04wt. %，以避免或最小化 碳化物的形成。
[0009] 除以上所述之外，本發(fā)明的焊接材料還產(chǎn)生了具有優(yōu)異的屈服強(qiáng)度、延性和斷裂 應(yīng)力特性的無裂紋焊接，其超過了使用標(biāo)準(zhǔn)IN625焊絲所產(chǎn)生的焊接的機(jī)械性能。
[0010] 根據(jù)所述的優(yōu)選實(shí)施方案，本發(fā)明的焊接材料可被制成焊絲和釬焊絲、焊粉和焊 箱的形式。
[0011] 本發(fā)明的焊接材料可用于各種制品的連接和修復(fù)，包括由多晶的、定向凝固的以 及單晶的鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金制造的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件。
[0012] 由于該合金的高延性和降低的熔解溫度，本發(fā)明的焊接材料可用于由大間隙釬 焊、Liburdi粉末冶金技術(shù)產(chǎn)生的材料以及復(fù)合材料的TIG釬焊和連接。
【附圖說明】
[0013] 圖1是用于GTAW-MA焊接和TIG釬焊的切割成條狀的焊絲的照片。
[0014] 圖2是使用包含0. 4wt. % B和0. 02wt. % C的焊條在GTD 111母材上產(chǎn)生的被覆 熔接的顯微照片，其描繪了在底部的無裂紋HAZ和在頂部堆立的焊接，其中，1為焊縫金屬， 2為熔合線以及3為由GTD 111超級(jí)合金制造的母材。
[0015] 圖3是在應(yīng)用于Inconel 738超級(jí)合金的表面的Mar M24-Amdry775大間隙釬焊 材料上產(chǎn)生的被覆熔接的顯微照片，其中1為焊縫金屬，2為熔合線以及3為由WGB制造的 母材。
[0016] 圖4是在CMSX-4上的被覆熔接的顯微照片，其描繪了無裂紋焊接且無任何證據(jù)表 明單晶基材重結(jié)晶，其中，1為焊縫金屬，2為熔合線以及3為由CMSX-4單晶合金制造的母 材。
[0017] 標(biāo)準(zhǔn)首字母縮略詞
[0018] AMS-航空航天材料規(guī)格（標(biāo)準(zhǔn)）
[0019] ASTM-美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（標(biāo)準(zhǔn)）
[0020] AWS-美國焊接協(xié)會(huì)（標(biāo)準(zhǔn)）
[0021] HAZ-熱影響區(qū)
[0022] NDT-無損檢測(cè)
[0023] PWHT-焊后熱處理
[0024] RA-拉伸試驗(yàn)中減少的樣本面積
[0025] UTS-極限抗拉強(qiáng)度
[0026] IN625-Inconel 625 鎳基合金
[0027] GTAW-MA-鎢極惰性氣體保護(hù)焊-手動(dòng)的
[0028] GTAW-ME-鎢極惰性氣體保護(hù)焊-機(jī)械的
[0029] LBW-激光焊接
[0030] EBW-電子束焊接
[0031] PAW-等離子弧焊接
[0032] TIG-鎢極惰性氣體
[0033] WGB-大間隙釬焊
[0034] LPM?-Liburdi粉末冶金工藝和商標(biāo)
[0035] HPT-高壓渦輪
[0036] 術(shù)語的詞匯表
[0037] Amdry 775-具有高鉻含量的擴(kuò)散釬焊合金，其具有強(qiáng)大的抗氧化性和耐腐蝕性， 以及含硼作為熔化抑制劑，其提供了均勻的沉積物。
[0038] 硼化物-由兩種元素組成的化合物，其中硼是更具有電負(fù)性的元素。硼與金屬元 素和非金屬元素形成硼化物。
[0039] CMSX-4材料-超高強(qiáng)度單晶合金
[0040] 稀釋-由焊珠中的母材或先前的焊接金屬的混合所引起的焊接材料的化學(xué)組成 的變化，其是通過焊珠中的基體金屬或先前的焊接金屬的百分比而測(cè)量的。
[0041] 延性-金屬和合金在不斷裂的情況下被拉伸、伸展或成形的能力。
[0042] 開裂-破裂表面的僅具有輕微分離（張開位移）的小的裂紋狀中斷。所述的前綴 大-或微-表示相對(duì)大小。
[0043] 鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW)-根據(jù)AWS定義，其是通過使用在鎢電極（非消耗型） 和也稱作母材的工件之間的電弧加熱金屬而產(chǎn)生金屬接合的電弧焊接工藝。從氣體或氣體 混合物獲得屏蔽?？梢曰蚩梢圆皇褂脡毫σ约翱梢曰蚩梢圆皇褂锰畛浣饘佟?br>[0044] GTD 111-由通用電氣公司開發(fā)的鎳基超級(jí)合金。
[0045] INCONEL 738-真空澆注并沉淀硬化的鎳基合金。
[0046] 激光焊接和熔覆（LBW)-根據(jù)AWS定義，其是使用通過分別沖擊接縫或母材上的集 中相干光束的應(yīng)用而獲得的熱量產(chǎn)生金屬的接合的焊接工藝。
[0047] 液化開裂-在液化材料的凝固過程中由邊界成分的熔化引起的小裂紋。
[0048] LPM材料-包含基于黃銅的基質(zhì)（braze based matrix)并以諸如Mar M247和 Inconel 738等固相高溫填充粉末形式呈現(xiàn)的材料。
[0049] MAR M-247-沉淀硬化的高γ'鎳基超級(jí)合金。
[0050] Inconel 738-沉淀硬化的高γ '鎳基超級(jí)合金。
[0051] 鎢極惰性氣體釬焊-由鎢電極維持電弧并使用惰性氣體防止空氣接近的焊接方 法。
[0052] 焊粉-在產(chǎn)生焊接接頭或被覆熔接時(shí)添加的粉末形式的焊接材料。
[0053] 焊條-切割成標(biāo)準(zhǔn)長度的焊絲。
[0054] 焊絲-在產(chǎn)生焊接接頭或被覆熔接時(shí)添加的線材形式的焊接材料。
[0055] 大間隙釬焊合金-含有在釬焊溫度下熔化的組分和在相同溫度下部分熔化或不 熔化的組分的合金。該合金允許在構(gòu)件之間產(chǎn)生"橋"。
[0056] 大間隙釬焊層-提供基材上的材料覆蓋物
[0057] 發(fā)明詳述
[0058] 本發(fā)明的合金可以以焊絲和焊粉的形式使用，也可以以通過澆鑄、壓延、熱壓成形 和冷成形制造的各種制品并在修復(fù)期間通過替換損壞的部分而并入這些制品的形式使用。
[0059] 焊絲和焊粉形式的焊接材料是本發(fā)明合金的主要應(yīng)用，因此，將在下文更詳細(xì)地 討論。
[0060] 關(guān)于制造焊絲，直徑為0. 5-3英寸的鑄錠（也稱為坯料）采用標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)、電弧熔化 和再熔化技術(shù)和設(shè)備在真空或氬氣中生產(chǎn)出。然后將坯料通過使用預(yù)熱進(jìn)行拉延或擠壓而 減少至所需直徑、隨后通過標(biāo)準(zhǔn)的表面精加工。因此，初始鑄造材料的高延性對(duì)于最小化用 于通過擠壓和拉延成功制造焊絲的工藝溫度是必要的。
[0061] 在最終加工期間，使線材經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)密清洗程序，這確保采用該線材制造的焊 絲和焊接不受污染。
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