用于鎳基超合金的焊接填料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于鎳基超合金的焊接填料，并且具體地涉及一種在焊接修復(fù)區(qū) 域中產(chǎn)生高體積率的Y'（gammaprime)相的鎳基焊接填料金屬。
【背景技術(shù)】
[0002] 位于燃氣渦輪發(fā)動機的高溫段中的部件典型地由包括鎳基超合金的超合金形成。 燃氣渦輪發(fā)動機的高溫段包括渦輪段。在一些類型的渦輪發(fā)動機中，高溫段可包括排氣段。 發(fā)動機的不同熱段可經(jīng)歷不同情況，從而要求構(gòu)成不同段中的部件的材料具有不同性能。
[0003] 發(fā)動機渦輪段中的渦輪輪葉或翼附接至渦輪機葉輪，并且在發(fā)動機渦輪段所排出 的熱燃燒廢氣中以非常高的速度旋轉(zhuǎn)。渦輪機葉輪與它們的輪葉構(gòu)成渦輪級，并且從熱燃 燒廢氣提取能量。渦輪發(fā)動機具有至少一個渦輪級，但更典型地包括各自從熱燃燒廢氣提 取能量的多個渦輪級。在經(jīng)過一個渦輪級之后并且在進入一個下游渦輪級之前，熱廢氣被 安排路線通過有時稱為葉片的固定噴嘴，所述固定噴嘴重定向廢氣的流動以便適當(dāng)?shù)貨_擊 下一個渦輪級。由于這些噴嘴與輪葉或翼型經(jīng)歷相同的環(huán)境，這些噴嘴理想地應(yīng)與輪葉或 翼具有許多相同的材料性能。例如，這些部件在燃氣渦輪機排氣中所經(jīng)歷的升高溫度下維 持機械性能如抗蠕變性和抗疲勞性的同時，必須同時是抗氧化和抗腐蝕的。因為噴嘴是固 定的，它們并不經(jīng)歷渦輪級所經(jīng)受的所有負載。噴嘴所經(jīng)歷的大部分應(yīng)力是由于高熱應(yīng)力， 并且較小程度地是由于機械應(yīng)力，如氣動負載。因此，噴嘴必須具有對熱疲勞的卓越抵抗性 以及抗蠕變性，特別是對于它們的大小和重量使得它們易于蠕變的大型多翼后級噴嘴。在 操作溫度下，噴嘴至少支撐它們自己的重量。
[0004]由于鎳基超合金能提供滿足渦輪段環(huán)境的苛刻條件的所需性能，鎳基超合金 已經(jīng)典型地被用來生產(chǎn)用于在發(fā)動機熱段中使用的部件。這些鎳基超合金具有耐高 溫能力，同時由析出強化機制（包括相連貫的Y'析出物的產(chǎn)生）獲得強度。合金如 GTD*222、GTD'lll、MAR-M'、247、WASPALL^R 和UDIMETR 500被用 來制造在1500 °F和更高溫度下工作的后級噴嘴。長期暴露于這些溫度和機械力使熱位置 如噴嘴前緣傾向于蠕變，而在冷卻孔附近可能經(jīng)歷熱機械疲勞。
[0005] 這種噴嘴常常包含大量的戰(zhàn)略元素，如鎳、鉻、鈷和鉭。此外，制造這種噴嘴的成本 是高的。所以在缺陷出現(xiàn)之后延長噴嘴的壽命是有成本效益的選項，并且已經(jīng)展開修復(fù)程 序以移除缺陷，從而延長噴嘴的壽命同時避免替換成本。當(dāng)前采用通過使用填料材料來混 合以及隨后堆焊以移除噴嘴中的缺陷來恢復(fù)噴嘴的結(jié)構(gòu)完整性。然而，已經(jīng)反復(fù)證明利用 廣泛使用的填料如Nimonic263進行的焊接修復(fù)在返回服務(wù)后經(jīng)歷過早缺陷。
[0006] 需要的是一種包含焊接修復(fù)合金的焊接修復(fù)，所述焊接修復(fù)在高溫環(huán)境下并不同 樣易于在焊接修復(fù)區(qū)域中破裂，同時是抗腐蝕和高溫氧化的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]提出一種鎳基焊接填料材料，所述鎳基焊接填料材料在焊接后熱處理（PWHT)之 后在焊接區(qū)中產(chǎn)生至少27% (按體積計）的Y'相。如本說明書使用的焊接修復(fù)包括焊接 區(qū)，在焊接區(qū)中，焊接填料材料被沉積并且鄰近所沉積焊接填料的一些基材被熔融。焊接修 復(fù)包括鄰近所沉積焊接區(qū)的熱影響區(qū)（HAZ)，以及鄰近HAZ的未受影響的基底金屬基底金 屬。焊接區(qū)的特征在于從基材延伸至焊件中間的柱狀晶粒，其進而在預(yù)先確定的PWHT之后 析出出最高可達30體積％的y'相。焊接區(qū)微結(jié)構(gòu)的特征進一步在于不存在n(eta)相。 像典型的那樣，HAZ表現(xiàn)出一些晶粒生長。
[0008] 本說明書下文稱為NiFillerX?的鎳基焊接填料材料包含按重量百分比計： 0. 03%至0.13%(：、22.0%至23.0%0、18.5%至19.5%(：〇、1.8%至2.2%1、0.7%至 1. 4%Nb、2. 2%至 2. 4%Ti、l. 3%至 2. 0%A1、0. 005%至 0. 040%Zr、0. 002%至 0. 008% 13、不高于0.15%]\1〇、不高于0.35%?6、不高于0.10%]\&1、不高于0.10%〇11、不高于0.10% V、不高于〇. 15%Hf、不高于0. 25%Si以及余量Ni和附帶雜質(zhì)。鎳基焊接填料材料的特征 在于不存在Ta。
[0009]有利地，鎳基焊接填料材料提供即使在高應(yīng)力區(qū)域中也抗破裂的結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)。
[0010] 使用鎳基焊接填料材料允許修復(fù)并且繼續(xù)使用在延長的服務(wù)之后出現(xiàn)缺陷的復(fù) 雜和昂貴的部分。使用這種鎳基焊接填料材料還允許修復(fù)在鑄造期間但在服務(wù)之前、如在 噴嘴的薄后緣中出現(xiàn)缺陷的新鎳基物品，或允許移除需要堆焊的下游制造操作中的缺陷。
[0011] 因為鎳基焊接填料材料無Ta，所述材料比它所替換的填料材料更便宜，Ta是在北 美具有有限可獲得性的戰(zhàn)略材料。
[0012] 通過以下對優(yōu)選實施例的更詳細描述并結(jié)合附圖將清楚地了解本發(fā)明的其他特 征和優(yōu)點，附圖以實例的方式說明本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0013] 圖1為示例性鎳基超合金物品、即渦輪機噴嘴區(qū)段的透視圖。
[0014] 圖2為在老化后NiFillerX?中的Y'形成的顯微照片。
[0015] 圖3為在升高溫度下的PWHT之后的GTD?-222填料、NIMONIC? 263填料和 NiFillerX?的極限抗拉強度的圖表。
[0016] 圖4為在升高溫度下的PWHT之后的GTD';)-222填料、N丨MON丨C? 263填料和 NiFillerX?的伸長率的圖表。
[0017] 圖5為在升高溫度下的PWHT之后的GTD'K;-222填料、N丨MON丨C? 263填料和 NiFillerX?的低循環(huán)疲勞（LCF)的圖表。
[0018]圖6為提供在1600 °F和14ksi應(yīng)力下的焊接后熱處理之后的GTDK;_-222填料、 N1MON丨C? 263填料和NiFillerX?的蠕變斷裂壽命的蠕變斷裂測試的圖表。
[0019] 圖7為在蠕變斷裂測試后的GTD?-222基底金屬中的NIMONIC? 263焊縫的 裂紋尖端附近的微結(jié)構(gòu)的顯微照片，示出在焊縫中的沿晶粒邊界的針狀n相顆粒。
[0020] 圖8為在蠕變斷裂測試后的GTDR-222基底金屬中的NiFillerX?焊縫的裂紋尖 端附近的微結(jié)構(gòu)的顯微照片，示出焊縫中沒有針狀n相顆粒。
[0021] 圖9為在GTD-222:K:基材中的PWHT之后的NiFillerX?焊縫和熱影響區(qū)的低放大 倍數(shù)顯微圖片。
[0022] 圖10為在GTD-222K'基材中的PWHT之后的NiFillerX?焊縫和熱影響區(qū)的圖9 的突出顯示區(qū)域的高放大倍數(shù)顯微圖片。
【具體實施方式】
[0023] 提出一種無鉭的鎳基焊接填料材料。利用無鉭（無Ta)焊接填料材料制成的焊縫 對于用于某些高溫鎳基材料的焊接修復(fù)是特別有用的，所述某些高溫鎳基材料由包括Y' 形成的析出強化機制獲得它們的強度。
[0024] Y'是鎳基超合金中的主要析出強化相，并且是主要包含Ni3Al的穩(wěn)定面心立方 (FCC)金屬間析出物。它表現(xiàn)出長程序，從而接近它大約2525 °F的熔點。鈮（Nb)也稱為鈳 (Cb)、鉭（Ta)和鈦（Ti)，可自動取代鋁（A1)最多可達60%。盡管非本發(fā)明的范圍，基體中 的Y'析出物通過以下方式有助于強化以及抗蠕變性和抗疲勞性：限制通過晶粒的位錯運 動。此外，均勻分布的0.3至1.0微米范圍內(nèi)的y'顆粒在抗蠕變和抗疲勞方面比更細小 的析出物更有效，因為位錯不太能夠穿透到這些大的Y'顆粒中或繞過這些大的Y'顆粒。
[0025]鎳基超合金通常用于制造在渦輪發(fā)動機熱段如渦輪機輪葉和渦輪機噴嘴以及燃 燒部件中使用的部分。在經(jīng)受高溫和迅速流動的廢氣時，后級渦輪機噴嘴、級2以及離渦輪 發(fā)動機后部更近的后級因為它們的大尺寸和重量而特別受關(guān)注。因此，在長時期經(jīng)受廢氣 的高溫時，這些部分必須在高溫下維持它們的強度。因為這些部分長時期暴露于高溫，這些 部分由于高應(yīng)力而易于蠕變。例如，渦輪機噴嘴、如圖1所示的渦輪機噴嘴區(qū)段10可出現(xiàn) 缺陷，如因為蠕變而沿渦輪機噴嘴的前沿12形成的可修復(fù)裂縫。在薄壁位置中、如在噴嘴 后緣14(圖1)中的冷卻孔附近的熱機械疲勞也可引起如可修復(fù)破裂的缺陷。所以，這些部 分必須為抗氧化、抗腐蝕的，同時是抗蠕變和抗疲勞的，從而在高溫下維持它們的延展性和 強度。
[0026] 如這些裂縫的可修復(fù)缺陷不限于在渦輪機中操作的部件。新制成噴嘴有時在鑄造 制造期間具有缺陷，如在薄后緣14與側(cè)壁之間的填角中的可修復(fù)裂縫。下游制造中的鑄造 后錯誤處理和錯誤機械加工也可導(dǎo)致需要堆焊的缺陷。
[0027] 因為此類物品中出現(xiàn)缺陷的區(qū)域太昂貴，所以非常期望修復(fù)所述區(qū)域，但修復(fù)必 須既恢復(fù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀又恢復(fù)構(gòu)成結(jié)構(gòu)的材料的機械性能和冶金性能。否則過早缺陷將 重新出現(xiàn)。
[0028]用于燃氣渦輪機中的熱燃氣路徑應(yīng)用的鎳基超合金部分或物品中的修復(fù)已