用于超合金結(jié)合的保持和冷卻過程的制作方法
【專利摘要】公知的是，含有相對大量的Al和/或Ti的鎳基超合金很難令人滿意地被焊接。在增加超合金的Al和Ti含量以提高強(qiáng)度時，會急劇地降低部件的焊接能力。本發(fā)明的結(jié)論是，減少γ’相會提高焊接能力。描述了與焊接過程相結(jié)合地使用的逐步的、受控的加熱和冷卻過程，以減少所存在的γ’相并且由此提高焊接能力。
【專利說明】用于超合金結(jié)合的保持和冷卻過程
[0001]要求優(yōu)先權(quán)
[0002]本文是根據(jù)35 U.S.C § 111(a)提交的發(fā)明專利申請，并根據(jù)35 U.S.C § 119要求于2011年11月7日提交的臨時專利申請61/556395的優(yōu)先權(quán)。出于各種目的，前述臨時專利申請的全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及超合金部件的修復(fù)或結(jié)合，且更具體地涉及鎳基超合金部件的堆焊，且最具體地涉及包含相對大量的鋁和/或鈦的鎳基超合金部件的焊接。
【背景技術(shù)】
[0004]超合金通常被認(rèn)為是耐高溫材料，即便在溫度接近材料的熔點時所述超合金仍呈現(xiàn)出良好的抗機(jī)械和化學(xué)性能劣化。鎳基超合金基于鎳(Ni)并且通常含有大量的多種其它元素，其中例如鉻(Cr)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈷(Co)、鉭(Ta)、碳(C)等。耐高溫超合金早期被用于航空渦輪發(fā)動機(jī)中。由于較高的操作溫度通常導(dǎo)致增加的燃料效率和降低的碳排放，這使得超合金在基于地面的渦輪系統(tǒng)中的使用也在增加。例如，參見由RogerC.Reed 著的《The Superalloys)) (Cambridge University Press, 2006),尤其參見第 I 章。出于各種目的，該文獻(xiàn)的全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。
[0005]因而，隨著超合金在更大數(shù)量的基于空中和地面的渦輪系統(tǒng)中被使用并在更高的溫度下操作，增加數(shù)量的葉片導(dǎo)葉和其它部件經(jīng)受開裂以及需要修復(fù)的其它形式的材料劣化。重要的是，對這種渦輪部件的修復(fù)被有效地執(zhí)行，以得到修復(fù)后的部件，該修復(fù)后的部件具有與初始部件盡可能接近的性能。
[0006]超合金的經(jīng)濟(jì)上的重要性已經(jīng)產(chǎn)生了在超合金的焊接和修復(fù)方面的大量研究。例如，參見由 J.N.Dupont、J.C.Lippold、Samuel D.Kiser 著的((Welding Metallurgy andWeldability of Nickel-Base Alloys)) (Jhon ffiley&Sons, 2009)，尤其參見第 4 章。出于各種目的，該文獻(xiàn)的全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。
[0007]焊接是修復(fù)或結(jié)合鎳基超合金部件的商業(yè)上重要的方法。然而，當(dāng)向超合金中添加Al和/或Ti以提高部件的耐高溫強(qiáng)度時，部件的焊接變得困難得多，所述部件通常會遭受到開裂或其它缺陷。因而，本領(lǐng)域中需要一種用于焊接鎳基超合金部件、特別是含有相對大量的Al和/或Ti的鎳基超合金部件的改進(jìn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本文描述的過程的一個目的是提供一種結(jié)合鎳基超合金的過程，該過程通過加熱并受控地逐步冷卻結(jié)合區(qū)域以便在該過程的一個冷卻和保持部分中產(chǎn)生不大于20%的Y ’相來實現(xiàn)。
[0009] 本文描述的過程在保持和冷卻過程期間提供Al和Ti的元素分配，以從Al和Ti消耗Y并且提聞焊接能力。[0010]因此并且有利地，如下文詳細(xì)說明的，根據(jù)本發(fā)明來實現(xiàn)這些和其它的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是根據(jù)Ti和Al含量而定的一些超合金的焊接能力的圖形圖示。
[0012]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的保持和冷卻過程的其他細(xì)節(jié)的圖形圖示，其中:
[0013]圖2A是從N1-Al為二元相圖的處于完全相平衡的元素分配；
[0014]圖2B是由于分步冷卻和保持過程而產(chǎn)生的TTT(時間-溫度-相變)圖形的轉(zhuǎn)變；
[0015]圖2C是在Al和Ti分配期間在每個保持溫度下的焊接的預(yù)期應(yīng)力釋放；以及
[0016]圖2D是由于分配而產(chǎn)生的合金247的成分向無裂紋區(qū)域的轉(zhuǎn)變。
[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于執(zhí)行保持和冷卻過程的典型設(shè)備。
【具體實施方式】
[0018]除非另有聲明，本文給出的所有百分比都是重量百分比。
[0019]將Ti和Al添加到鎳基超合金以提高部件的耐高溫強(qiáng)度，但付出的代價是顯著地增加產(chǎn)生令人滿意的焊接的困難。對影響鎳基超合金的焊接能力的因素的更認(rèn)真的研究使得本發(fā)明人得出的結(jié)論是，存在少于按重量計大約30%的量的Y ’相表明有利的焊接能力，大于大約60%的Y ’相表明沒有焊接能力,在大約30%和大約60%之間的Y ’相值通常表明，焊接是困難且昂貴的。
[0020]總之，本文描述的焊接過程利用了借助于分步冷卻和保持過程將Al和Ti進(jìn)行元素分配為Y和Y’相。這以受控的方式從Al以及從Ti消耗Y相，并提高了焊接能力，這通常實現(xiàn)低重量百分比的Y’相。當(dāng)在接頭中應(yīng)力釋放Y的Al和Ti含量減少至可焊接的值時，分步冷卻和保持過程終止并被替換為常規(guī)的焊接氬氣冷卻。
[0021]本發(fā)明的典型實施例使用兩個熱源。第一熱源用于結(jié)合，其是常規(guī)的焊接過程。有利地是使用激光熱源作為該第一熱源，然而并不固有地排除其它的熱源，其中例如電弧、放電、電子束、粒子束等。
[0022]第二熱源用于該過程的保持和冷卻部分并調(diào)節(jié)接頭的等溫保持溫度，以在任何等溫保持溫度下從Y生成不大于大約30%的Y’。有利地使用激光熱源作為該第二熱源，然而并不固有地排除其他熱源，其中例如感應(yīng)加熱、電子束、齒鎢燈、紅外加熱等。
[0023]從可獲得的熱力學(xué)數(shù)據(jù)來計算Al和Ti的元素分配，該熱力學(xué)數(shù)據(jù)允許在任何等溫保持溫度下形成至多為30%的Y’。從Y-Y ’系統(tǒng)的已知相變動力學(xué)計算出實現(xiàn)30%的Y ’所需的保持時間。
[0024]圖1是根據(jù)其Al和Ti的含量(重量百分比)而定的典型超合金的可焊接區(qū)域的圖形圖示。位于線100上方的那些合金一般被認(rèn)為是不可焊接的。對圖1中合金的成分的更詳細(xì)研究顯示了，在線100上方列出的合金在其最終結(jié)構(gòu)中具有大于60%的Y’相。對比而言，位于線101下方的超合金在其最終結(jié)構(gòu)中具有小于20%的Y’相。因而，可以構(gòu)想至IJ，預(yù)期具有小于大約20%的Y ’相的鎳基超合金是可焊接的。
[0025]此處特別感興趣的合金包括在圖1中注出的那些合金。[0026]超合金從其熔化溫度的冷卻趨向于使所述超合金經(jīng)歷從Y相至Y +Y ’相的轉(zhuǎn)變。本文描述的保持和冷卻過程在完全熱力學(xué)相平衡中使得Al和Ti被元素分配為Y和Y’相，以在保持和冷卻過程期間的任何保持時間都產(chǎn)生不大于30%的Y’。這從Al和Ti消耗了 Y相并且將最終的Y成分移入可焊接區(qū)域，如圖1所示。
[0027]圖3示出了典型的結(jié)合系統(tǒng)，所述結(jié)合系統(tǒng)包括用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的過程的保持和冷卻能力。該設(shè)備通常包括用于進(jìn)行焊接的熱源201 (通常是激光，激光I)、以及用于將基體加熱至預(yù)定溫度的第二熱源(通常是激光，激光2)。在結(jié)合位置接通激光I (201)之前或與此同時，在焊接之前執(zhí)行焊接部位的加熱。結(jié)合位置的初始預(yù)定溫度有利地被選擇成在大約2100華氏度以上。 [0028]圖2是通過本保持和冷卻過程的一些實施例來結(jié)合的典型的高強(qiáng)度鎳基超合金的冶金反應(yīng)的示意圖。當(dāng)完成了通過焊接激光201進(jìn)行的結(jié)合操作時，圖3的熱源202是可操作的。對于圖2所示的具體實例，在激光焊接過程和激光201關(guān)閉之后采用下面的過程:
[0029]a.在T1下保持1-3分鐘。
[0030]b.冷卻至T2并保持2-15分鐘。產(chǎn)生少于30%的Y ’。
[0031]c.冷卻至T3并保持2-30分鐘。產(chǎn)生少于30%的Y ’。
[0032]d.冷卻至T4并保持0.1至2小時。產(chǎn)生少于30%的Y ’。
[0033]…
[0034](根據(jù)需要或需要的話，其它步驟)
[0035]…
[0036]y.冷卻至Tn并保持1-20小時(η = 120)。產(chǎn)生少于30%的Y ’。
[0037]Ζ.冷卻至室溫以產(chǎn)生最終為30%或少于30%的Y’。
[0038]在如圖2所示的該過程中，通過元素分配從Al和Ti消耗Y，直至其最終的成分降低至圖2D中的可焊接線100下方。在圖2Α中用點T1-Tn示出了 Y的成分變化。圖2Β和2C示出了在每個保持步驟之后由于在每個保持步驟中焊接的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的冷卻曲線以及應(yīng)力-時間曲線中的預(yù)期轉(zhuǎn)變。
[0039]期望的是，本文描述的總體保持和冷卻過程可以用于經(jīng)歷熱開裂及應(yīng)變時效開裂的幾乎任何的超合金。在該過程的保持部分期間Al和Ti的元素分配減少了產(chǎn)生應(yīng)變時效開裂和熱開裂的可能性。這種分配還明顯降低了在后焊接熱處理期間朝向應(yīng)變時效開裂的趨勢，這是因為在保持和冷卻過程的每個步驟中從Al和Ti大致消耗了 Y并釋放了應(yīng)力。
[0040]盡管已經(jīng)示出并且在本文詳細(xì)地描述了包含本發(fā)明的教導(dǎo)的各種實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員仍然可以容易地設(shè)想到仍包含這些教導(dǎo)的許多其它不同的實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于修復(fù)或結(jié)合鎳基超合金部件的方法，所述方法包括: a)使用第一熱源將焊接部位加熱至大約2100華氏度以上的溫度； b)在大約2100華氏度以上的溫度下使用第二熱源來焊接或激光熔覆所述鎳基超合金部件； c)在完成所述焊接之后立即移走所述第二熱源；以及 d)執(zhí)行所述焊接部位的受控的分步的保持和冷卻，從而在所述冷卻過程的任何保持部分中形成不大于按重量計大約30%的Y ’相。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鎳基超合金部件的超合金選自包括713C、247、PW1480、MARM200、R77、PW1483、R80、U720、738、Rene80 和 NS 的組。
3.一種鎳基超合金，所述鎳基超合金在其中包括焊縫，其中所述焊縫通過以下過程來生成: a)在焊接之前，使用第一熱源將焊接部位加熱至大約2100華氏度以上的初始預(yù)定溫度； b)使用第二熱源來焊接所述鎳基超合金部件； c)在完成所述焊接之后立即移走所述第二熱源；和 d)執(zhí)行所述焊接部位的受控分步冷卻，從而在所述分步冷卻和保持過程期間在任何保持溫度下形成不大于按重量計大約30%的Y ’相。
4.一種超合金部件組件，所述超合金部件組件在其中具有通過權(quán)利要求3所述的過程形成的焊縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的超合金部件組件，其中，所述部件組件包括渦輪葉片。
6.一種超合金部件組件，所述超合金部件組件是通過權(quán)利要求1所述的方法形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的超合金部件組件，其中，所述部件組件包括渦輪葉片。
【文檔編號】B23K26/342GK103998172SQ201280054814
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月7日
【發(fā)明者】K·奧茲貝薩爾, Z·A·M·阿布多, O·蒂莫廷, A·卡梅爾 申請人:西門子能源公司