專利名稱：金屬部件的硬釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎳-金-磷硬釬焊的部件，比如高質(zhì)量鎳基超合金片狀部件(噴氣發(fā)動機的定子葉片)。本發(fā)明還涉及由鎳-金-磷組成的三元硬釬焊合金，以及采用該三元硬釬焊合金將金屬部件連接在一起的方法。
背景技術(shù)：
硬釬焊就是將硬釬焊合金插入部件比如金屬的表面之間將部件結(jié)合在一起的方法。通常，在部件表面之間放置其液態(tài)點比待連接部件的熔點低的硬釬焊合金。隨后，將這些部件形成的組件加熱到足以使該硬釬焊合金熔融的溫度，從而在冷卻時可以形成堅固的、有延展性的并且抗腐蝕/氧化的組件。
有許多種金基硬釬焊合金，它們含有所需特定性能的特定金屬添加劑。例如，金-鎳合金具有良好的抗氧化性和高強度。這些硬釬焊合金特別適用于將金屬部件比如渦輪發(fā)動機和噴氣發(fā)動機、電子設(shè)備、汽車和船舶設(shè)備的部件連接在一起。
美國專利3658997公開了一種金基硬釬焊合金，用于制備珠寶制品、噴氣發(fā)動機和高質(zhì)量工程部件，它包括30-80wt％金、0.5-67.5wt％銅和2.0-12.0wt％鎳。另外，該硬釬焊合金可以包括0.5-7.0wt％鉻以及從痕量直到0.5wt％的硼。
美國專利3658997公開了一種液相線和固相線之間溫度范圍窄的鎳-金基硬釬焊合金，這是采用了Cr、Fe、Si和B的組合來調(diào)節(jié)這個溫度范圍的結(jié)果。
美國專利3764307公開了金含量相對較低的鎳-金基硬釬焊合金，其性質(zhì)源于Au、Si和B在Ni基中的平衡。該合金的液相線低于約1900°F，用于連接將在高達約1400°F的溫度范圍操作的元件。
美國專利4726508公開了一種在真空爐中采用填料金屬將抗腐蝕、鎳基薄壁管硬釬焊到不銹鋼基元件上而在硬釬焊后的管中不會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋并且也沒有碳淀析的方法，其中該薄壁管包括基本比例的鎳、鉻和鉬，該填料金屬主要包括作為主要成分的金和作為次要成分的鎳。
美國專利4302515公開了一種用來硬釬焊不銹鋼的硬釬焊箔，其組成基本上由0-約4原子％的鐵、0-約21原子％的鉻、0-約19原子％的硼、0-約12原子％的硅、0-約22原子％的磷和余量鎳和附帶的雜質(zhì)組成。除了含有上述組成范圍內(nèi)的上述元素以外，該組成必須是鐵、鉻和鎳的總含量為約76-84原子％，而且硼、硅和磷的總含量為約16-24原子％。
美國專利4764435公開了一種可用作硬釬焊材料將金屬和非氧化物陶瓷相結(jié)合的金屬組合物。該硬釬焊材料至少包含選自第一組過渡金屬Pt、Pd、Rh、Ir、Ru和Os中的一種或多種以及第二組過渡金屬Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu中的一種或多種。該材料還可以包含第三組元素B、C、Si和P中的一種或多種。
人們已經(jīng)采用常規(guī)金-鎳硬釬焊合金來將鎳-鉻基部件，比如Inconel部件(Inconel是一組耐蝕合金的商標(biāo))結(jié)合在一起。通常，采用金-鎳基合金在高于1800°F的溫度會將這些鎳-鉻基部件(超合金片狀金屬部件)結(jié)合在一起。這種高硬釬焊溫度通常高得足以使部件的晶粒粗化，從而降低了其抗疲勞性。為了降低該硬釬焊合金的硬釬焊溫度，采用了溫度抑制劑，比如硅和/或硼。這些溫度抑制劑并沒有必然提供對液相線和固相線溫度范圍的積極控制以改善待連接部件的硬釬焊。另外，硼通常會滲入鎳-鉻基部件(比如噴氣發(fā)動機的定子葉片)中，如果溫度過高(大約1900°F)，部件的晶粒尺寸會粗化，從而使硼能夠擴散到部件里從而進一步損壞部件的性能。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供性能和常規(guī)金-金屬合金相同或更好的三元鎳-金-磷硬釬焊合金。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供硬釬焊溫度低于1830°F因而是用于鎳-鉻基超合金片狀金屬部件的理想材料的三元鎳-金-磷硬釬焊合金。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供硬釬焊的金屬制品，其中該制品用新型三元鎳-金-磷硬釬焊合金硬釬焊。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供硬釬焊的超合金金屬片狀制品，其中該制品用三元鎳-金-磷硬釬焊合金硬釬焊。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供采用新型三元鎳-金-磷硬釬焊合金將金屬部件硬釬焊在一起的方法，其中硬釬焊溫度保持在該三元鎳-金-磷硬釬焊合金的共晶溫度以下40°F。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供采用新型三元鎳-金-磷硬釬焊合金將超合金金屬片硬釬焊在一起的方法，其中硬釬焊溫度低于1830°F，優(yōu)選比該三元鎳-金-磷硬釬焊合金的共晶溫度低100°F。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供經(jīng)濟、強度高、延展性好、抗腐蝕/氧化性好的新型三元鎳-金-磷硬釬焊合金。
發(fā)明綜述本發(fā)明涉及用新型三元鎳-金-磷硬釬焊合金將金屬部件硬釬焊到一起的方法，包括以下步驟(a)將三元鎳-金-磷硬釬焊合金置于待連接的兩個金屬部件之間，所述硬釬焊合金由約20-約80wt％金、約1-約10wt％磷、余量鎳和附帶雜質(zhì)組成；(b)將由所述三元鎳-金-磷硬釬焊合金和所述金屬部件形成的組件至少加熱到該硬釬焊合金的共晶溫度之上40°F但低于1830°F；冷卻該組件從而有效制備堅固的單一組件。優(yōu)選該三元鎳-金-磷硬釬焊合金的組成基本上由約30-約60wt％的金、約2-約6wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成；最優(yōu)選該硬釬焊合金基本上由約38-約42wt％的金、約2.5-約3.5wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成。該硬釬焊合金采用磷作為熔點抑制劑來降低二元鎳-金合金體系的硬釬焊溫度范圍。在三元硬釬焊合金中加入不同比例的金，提高了該硬釬焊合金的延展性。鎳硬釬焊合金中的磷的共晶溫度是約1650°F，但不幸的是，在此共晶溫度該硬釬焊合金容易變脆。所以，步驟(b)中加熱三元硬釬焊合金和金屬部件組件時，應(yīng)該在該硬釬焊合金的共晶溫度之上約40°F的溫度。優(yōu)選在步驟(b)中應(yīng)該將組件加熱到硬釬焊合金的共晶溫度以上約100°F或者約1670°F～約1820°F。在本發(fā)明優(yōu)選的三元鎳-金-磷硬釬焊合金中，該合金在約1625°F～1630°F的溫度范圍熔融。
對于超合金鎳-鉻基金屬部件，比如噴氣發(fā)動機的Inconel X-750定子葉片而言，暴露在高硬釬焊溫度下會導(dǎo)致該部件材料的晶粒粗化，從而導(dǎo)致在使用中由于高循環(huán)疲勞而失效。通過將硬釬焊溫度設(shè)置在1830°F以下，優(yōu)選為約1730°F-約1780°F，更優(yōu)選為約1740°F-約1760°F，可以有效消除鎳-鉻基金屬合金的晶粒生長。用于將鎳-鉻基部件連接在一起的本發(fā)明三元鎳-金-磷硬釬焊合金不含硼，強度、延展性、抗腐蝕和抗氧化性好，并且能夠有效控制該鎳-鉻基部件的冶金性能，包括晶粒生長。
實施例制備了“T”形304不銹鋼試樣，然后用本發(fā)明的三元鎳-金-磷硬釬焊合金進行測試。將AWS(美國焊接協(xié)會)分類號Bau-4(82wt％Au-18wt％Ni)的金-鎳合金和AWS Bni-6(10wt％P，余量是Ni)的鎳-磷合金等重量混合，制成硬釬焊粉。所得混合物的計算標(biāo)稱組成是54Ni-41Au-5P(重量百分比)。
目的是在1750°F～1780°F的硬釬焊溫度為該“T”形試樣制備延展性的焊縫。本測試是為了在低硬釬焊溫度下賦予鎳-金合金延展性。熔融所述硬釬焊粉，得到均勻的鎳-金-磷合金，而該合金是以漿料形式施加到“T”形試樣上的。將“T”形試樣和三元鎳-金-磷硬釬焊合金置于真空爐中，在1750°F-1780°F之間的溫度加熱。“T”形試樣測試結(jié)果表明當(dāng)在1750°F-1780°F進行硬釬焊時該硬釬焊合金具有良好的潤濕性。大致的定量測試結(jié)果表明硬釬焊焊縫具有延展性。
雖然描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但應(yīng)該理解本發(fā)明不限于此，并且就本公開而言，各種其它可替換實施方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。所以，應(yīng)該知道只要不偏離本發(fā)明特別提到和要求保護的范圍，可以進行修改。例如，通過調(diào)整該三元合金的三種元素比例，可以得到具有各種熔融溫度的一系列三元合金。這樣就可以對各種不同應(yīng)用調(diào)整硬釬焊溫度。
權(quán)利要求
1.采用三元鎳-金-磷硬釬焊合金將金屬部件硬釬焊到一起的方法，包括以下步驟(a)將三元鎳-金-磷硬釬焊合金置于待連接的兩個金屬部件之間，所述硬釬焊合金由約20-約80wt％金、約1-約10wt％磷、余量鎳和附帶雜質(zhì)組成；(b)將由所述三元鎳-金-磷硬釬焊合金和所述金屬部件形成的組件加熱到至少該硬釬焊合金的大約共晶溫度，但低于1830°F；和(c)冷卻該組件從而有效制備堅固的單一組件。
2.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)中的所述三元鎳-金-磷硬釬焊合金由(i)約30-約60wt％的金、約2-約6wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成；或者(ii)約38-約42wt％的金、約2.5-約3.5wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(b)中，將所述組件加熱到所述硬釬焊合金的共晶溫度之上約40°F的溫度，或者加熱到約1670°F～約1820°F，或者加熱到約1730°F～約1780°F。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬部件是鎳-鉻基部件。
5.硬釬焊的金屬組件，所述組件已經(jīng)采用三元鎳-金-磷硬釬焊合金硬釬焊，所述三元合金由約20-約80wt％金、約1-約10wt％的磷、余量鎳和附帶雜質(zhì)組成。
6.權(quán)利要求5的硬釬焊金屬組件，其中所述三元鎳-金-磷硬釬焊合金由約30-約60wt％的金、約2-約6wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成，或者(ii)由約38-約42wt％的金、約2.5-約3.5wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成。
7.權(quán)利要求5的硬釬焊金屬組件，其中所述組件是定子葉片。
8.一種三元鎳-金-磷硬釬焊合金，其由約20-約80wt％金、約1-約10wt％的磷、余量鎳和附帶雜質(zhì)組成。
9.權(quán)利要求8的三元鎳-金-磷硬釬焊合金，其中所述三元鎳-金-磷硬釬焊合金由(i)約30-約60wt％的金、約2-約6wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成；或者(ii)約38-約42wt％的金、約2.5-約3.5wt％的磷、余量鎳以及附帶雜質(zhì)組成。
10.權(quán)利要求8的三元鎳-金-磷硬釬焊合金，其為粉末形式。
全文摘要
本發(fā)明涉及鎳－金－磷硬釬焊部件，比如高質(zhì)量鎳基超合金片狀部件(用于噴氣發(fā)動機的定子葉片)。本發(fā)明還涉及由鎳－金－磷組成的三元硬釬焊合金，以及采用該三元硬釬焊合金將金屬部件連接在一起的方法。
文檔編號C22C19/03GK1791508SQ200480013440
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者T·A·桑丁 申請人:普萊克斯S.T.技術(shù)有限公司