專利名稱：一種釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釬焊不銹鋼部件，尤其是釬焊復(fù)雜形狀不銹鋼部件的方法。本發(fā) 明涉及在釬焊之后予以受控冷卻和淬火處理，將許多具有復(fù)雜幾何形狀的獨立不銹鋼部件 釬焊形成整體組合件而不開裂的釬焊方法。而且，本發(fā)明還涉及由所述方法制得的制品，更 適宜為不銹鋼葉輪組合件。
背景技術(shù)：
焊接組合件如葉輪，通常由兩個或多個獨立部分形成。例如葉輪組合件，其一部分 稱作輪轂，可以包含或不包含整體切削加工形成或焊接上去的葉片。另一部分稱作蓋片，可 以包含或不包含整體切削加工形成或焊接上去的葉片。這兩部分，至少有一部分包含整體 切削加工形成或焊接上去的葉片，通常通過釬焊方法連接在一起形成一整體組合件，稱作 葉輪。因需要所用基材的機械性能，就要求隨后進行冷卻和淬火處理。傳統(tǒng)的釬焊方法，在僅稍低于釬焊合金液相溫度的溫度進行淬火處理，能確?；?材的機械性能能令人滿意。雖然此傳統(tǒng)的方法對基材有益，但是有證據(jù)顯示，釬焊接頭在此 淬火溫度獲得的強度不充分，這樣有時會導(dǎo)致釬焊接頭的開裂。這一點在具有能在冷卻時 產(chǎn)生熱應(yīng)力的截面厚度有差異的復(fù)雜形狀如葉輪組合件中，尤其如此。釬焊接頭強度的問題已經(jīng)可以通過許多途徑進行處理。Timsit的美國專利 NO. 5. 190. 596揭示了一種利用金屬和釬焊助焊劑的混合物對金屬表面進行釬焊的方法。該 混合物中的金屬是用來與一個或兩個表面金屬形成可釬焊低熔體。Castaldo等人的美國 專利No. 6. 112. 971揭示了使用釬焊合金對304L不銹鋼部件進行釬焊。Saito等人的美國 專利NO. 6. 074. 604揭示了一種用于在低溫釬焊不銹鋼的焊料金屬，不會對不銹鋼的性能 產(chǎn)生不利影響，并使釬焊接頭的脆性降至最低。該焊料金屬包含5 30%的錳或錫、20 70%的銅和不可避免存在的雜質(zhì)，余量為鎳。雖然每篇上述引用的參考文獻在釬焊接頭強 度和使用壽命上取得了一定的改進，但是并沒有提供高應(yīng)力用途如葉輪的焊接頭所需的強 度。在這方面特別考慮的問題包括釬焊接頭的開裂和熱變形的發(fā)展，這是個會出現(xiàn)在釬焊 葉輪組合件中的問題。我們的確需要一種能提供具有足夠機械性能并不易開裂的釬焊接頭的葉輪組合 件釬焊方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的釬焊方法包括如下步驟將釬料合金置于不銹鋼部件之間；由室溫加熱 釬料合金和不銹鋼部件5 8小時至釬焊合金的液相線溫度，實現(xiàn)所需的釬焊過程；以受控 方式冷卻釬焊的不銹鋼部件至由釬焊合金的固相線溫度釬焊合金能獲得所需強度的溫度 (1200 1400° F)，然后接著淬火至低于400° F的溫度。之后根據(jù)不銹鋼部件是馬氏體 還是沉淀硬化合金，可以回火或進一步加熱處理釬焊的制品。在通過釬焊過程中進行的熱 處理獲得不銹鋼材料所需的機械性能的同時，本發(fā)明的方法可以確保釬焊接頭的機械強度足以承受淬火處理產(chǎn)生的應(yīng)力。本發(fā)明的釬焊方法使用能克服已有技術(shù)缺點的釬料組合物，所述釬料組合物包含 80 85%的金和15 20%的鎳。優(yōu)選的釬焊合金通常在1700 2100° F(液相線溫度) 呈液相狀態(tài)。本發(fā)明進一步包括可和該釬焊合金一起使用的特定不銹鋼基合金組合物和用來 形成上述釬焊接頭的方法。本發(fā)明所發(fā)現(xiàn)的優(yōu)選不銹鋼合金材料稱為17CI 4M沉淀硬 化(“PH”)型不銹鋼合金和13Cr-_4Ni不銹鋼合金。本發(fā)明所用的17Cr — 4Ν 沉淀硬化 型不銹鋼合金組合物以重量百分數(shù)計包含最高為0. 07%的碳、14 17. 7%的鉻、3. 5 5. 5%的鎳、2. 5 5. 0%的銅、0. 15 0. 45%的鈮、最高為1. 000%的錳、最高為0. 004%的 磷、最高為0. 03%的硫、最高為1. 00%的硅、最高為0. 05%的氮，余量基本上為鐵和伴隨的 雜質(zhì)。本發(fā)明所用的13Cr — 4Ν 不銹鋼合金以重量百分數(shù)計包含0. 015 0. 03%的 碳、12 14%的鉻、3. 5 4. 5%的鎳、0. 3 0. 7%的鉬、0. 3 0. 6%的硅、0. 5 1 %的錳、 最高為0. 025%的磷、最高為0. 005%的硫、0. 02 0. 05%的氮，余量基本上為鐵和伴隨的雜質(zhì)。本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，使用釬焊合金和形成釬焊接頭的方法以及優(yōu)選的 不銹鋼合金組合物制造完整的葉輪組合件。本文所述的由此釬焊方法制得的葉輪組合件也 是本發(fā)明的一個方面。


圖1是本發(fā)明典型釬焊熱循環(huán)的溫度與時間的關(guān)系圖表；圖2是包括載有整體葉片的蓋片、輪轂和釬焊接頭的完整葉輪組合件的段側(cè)視 圖；圖3是沿圖2中線截取的，顯示蓋片、葉片、輪轂和釬焊接頭位置的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的釬焊接頭的最終拉伸強度與溫度的關(guān)系圖表。
具體實施例方式本發(fā)明所用的優(yōu)選釬料合金組合物能提供所得的不銹鋼組合件足夠的強度。所述 釬料合金組合物通常適宜包含80 85%、較好為81 84%、更好為81. 5 82. 5%的金和 15 20%、較好為16 19%、更好為17. 5 18. 5%的鎳。所述釬料合金的特征是能夠在1700 2100° F的液相線溫度、適宜在1700 1900° F的液相線溫度、較適宜在1740 1840° F的液相線溫度、更適宜在1730 1750° F的液相線溫度呈液相狀態(tài)。所述釬焊合金尤其優(yōu)選的液相溫度為1740° F。所述 釬料合金進一步的特征是能夠在1200 1500° F的溫度、較適宜在1200 1400° F的溫 度、更適宜在1300 1350° F的溫度成為具有足夠強度的完全固相。此釬焊合金可以是以 箔、帶、絲、粉末或糊等釬焊技術(shù)中所有已知的形式存在。任何一種不銹鋼合金均可和此釬料合金組合物用于本發(fā)明的方法中。要進行釬焊 的兩個不銹鋼部件優(yōu)選具有相同的不銹鋼合金組成。不銹鋼合金組合物也優(yōu)選是馬氏體不 銹鋼或沉淀硬化不銹鋼合金中的一種，以便在釬焊期間進行的熱處理中獲得所需的機械性
5能。通過此方式可獲得堅固的具有不開裂釬焊接頭的基底金屬。能在本發(fā)明方法中和此 釬料合金組合物共同使用的范圍廣泛的不銹鋼合金組合物，包含最高為0. 的碳、10 20%的鉻、2 10%的鎳、最高為1. 0%的鉬、最高為1. 5%的硅、最高為1. 5%的錳、最高為 0.5%的磷、最高為0. 的硫、最高為0.5%的鈮、最高為5%的銅、最高為0. 氮，余量基 本上為鐵和伴隨的雜質(zhì)。尤其適合用于本發(fā)明的優(yōu)選不銹鋼合金組合物是17Cr_4Ni沉淀硬化型不銹鋼。 所述不銹鋼合金組合物以重量百分數(shù)計包含最高為0. 07%的碳、14 17. 7%的鉻、3. 5 5. 5%的鎳、2. 5 5. 0%的銅、最高為1. 000%的錳、最高為0. 004%的磷、最高為0. 03%的 硫、最高為1. 00%的硅、0. 15 0. 45%的鈮、最高為0. 05%的氮，余量基本上為鐵和伴隨的雜質(zhì)。用于本發(fā)明的另一種優(yōu)選不銹鋼合金組合物是13Cr — 4Ν 不銹鋼合金。所述 13Cr — 4Ni不銹鋼合金以重量百分數(shù)計包含0. 015 0. 03%的碳、12 14%的鉻、3. 5 4. 5%的鎳、0. 3 0. 7%的鉬、0. 3 0. 6%的硅、0. 5 1 %的錳、最高為0. 025%的磷、最高 為0. 005%的硫、0. 02 0. 05%的氮，含量基本上為鐵和伴隨的雜質(zhì)。本發(fā)明具體涉及釬焊不銹鋼部件生產(chǎn)不銹鋼組合件或制品，尤其是葉輪組合件 的方法。此釬焊方法通常包括如下步驟將以重量百分數(shù)計包含80 85%、較好為81 84%、更好為81. 5 82. 5%的金和15 20%、較好為16 19%、更好為17. 5 18. 5% 的鎳的釬焊合金置于具有選定組成和形狀以便形成制品的不銹鋼部件之間；將這些不銹鋼 部件置于能維持惰性環(huán)境或真空環(huán)境的受控氣氛的爐子中；在5 8小時的時間內(nèi)以受控 的方式將爐子、釬焊合金和不銹鋼部件的溫度由室溫升高至釬焊合金的穩(wěn)定液相線溫度， 所述液相線溫度適宜在1700 2100° F之間，較適宜在1700 1900° F之間、更適宜在 1800 1875° F之間；在30分鐘 5小時的時間內(nèi)以受控的方式將爐子和不銹鋼部件的溫 度由釬焊合金的液相線溫度降低至釬焊合金能成為所需強度的完全固相的溫度，所述溫度 適宜在1200 1400° F之間，較適宜在1250 1350° F之間、更適宜在1275 1325° F 之間；然后在氬氣或氮氣等非氧化性氣相介質(zhì)中將釬焊的不銹鋼組合件氣相淬火至低于 400° F。用于上述方法的釬料合金可以是以箔、帶、絲、粉末或糊等的形式存在。所述釬 焊合金可以直接置于要連接的不銹鋼部件之間的間隙中。部件之間的間隙宜控制在約 0. 001 0. 004英寸以內(nèi)，但在某些情況下可以高達0. 01 0. 04英寸。二者擇一地或除此 之外，釬焊合金也可以用在釬焊接頭所需形成的位置或接近它的位置。在用于形成制品，如已知為具有各種截面的復(fù)雜幾何形狀的完整葉輪組合件時， 發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的釬料合金和釬焊方法尤其有用。用本發(fā)明的方法制造的葉輪組合件在釬焊 接頭上出現(xiàn)的開裂比已有技術(shù)生產(chǎn)的葉輪組合件要少，而且也證實由于進行了新型的熱處 理，熱變形程度降至最小。因此本發(fā)明的方法可以用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的高質(zhì)量不 銹鋼釬焊組合件如葉輪組合件。制造完整的葉輪組合件的優(yōu)選方法包括如下步驟將以重量百分數(shù)計包含 81. 5 82. 5%的金和17. 5 18. 5%的鎳的釬焊合金置于不銹鋼部件，適宜為輪轂部件和 蓋片部件之間，這兩個不銹鋼部件均具有或17Cr — 4Ν 沉淀硬化型不銹鋼或13C，一 4Ν 不 銹鋼合金的相同組分；將這些不銹鋼部件置于能維持惰性環(huán)境或真空環(huán)境的受控制氣氛的爐子中在5. 5 6. 5小時的時間內(nèi)以受控的方式將爐子、釬焊合金和不銹鋼部件的溫度由 室溫升高至釬焊合金的穩(wěn)定液相線溫度，通常是在1700 1900° F之間；保持此溫度30 90分鐘以完全熔解所述釬料合金；在1 3小時內(nèi)以受控的方式將爐子和所得不銹鋼葉輪 的溫度由釬焊合金的液相線溫度降低至1300 1350° F的溫度下，此時釬焊合金成為具有 約25 30Ksi強度的完全固相；然后在氬氣或氮氣等非氧化或非碳化氣相介質(zhì)中將釬焊的 不銹鋼組合件淬火，即使不銹鋼葉輪組合件的溫度在2小時內(nèi)從1300 1350° F降至低 于400° F。此淬火將導(dǎo)致由奧氏體向馬氏體的相轉(zhuǎn)變，用以提高130r — 4Ni不銹鋼合金 的強度和硬度。對于馬氏體鋼如13Cr — 4Ni型不銹鋼，也可以進行淬火以后的回火步驟， 形成回火馬氏體結(jié)構(gòu)；對于沉淀硬化鋼如17Cr — 4Ν 沉淀硬化型不銹鋼，可以進行淬火后 的硬化熱處理，為強化/硬化目的產(chǎn)生銅型沉淀。圖1顯示了生產(chǎn)本發(fā)明完整葉輪組合件的優(yōu)選方法所用的一個典型熱循環(huán)。在圖 1中，在約6小時內(nèi)，將要釬焊的組合件加熱至釬焊合金的液相或液相線溫度即約1850° F， 并保持此溫度約1小時。在約2小時內(nèi)將這釬焊的組合件冷卻至1300° F。然后在約1小 時內(nèi)將已釬焊的組合件氣相淬火至約350° F。所述葉輪組合件沒有出現(xiàn)熱變形，并且所有 的釬焊接頭完好且沒有開裂。本發(fā)明進一步包括通過上述方法制造的完整葉輪組合件。本發(fā)明優(yōu)選的完整葉輪 組合件包括輪轂、蓋片和葉片，上述部件都是17Cr — 4Ν 沉淀硬化型不銹鋼或13Cr — 4Ν 不銹鋼；輪轂和蓋片通過由適宜含有81. 5 82. 5%金和17. 5 18. 5%鎳的釬料合金形成 的釬焊接頭連接在一起。葉輪組合件包括三個主要部分。這三個部分是葉輪輪轂、葉輪蓋片和許多葉輪葉 片。在制造葉輪過程中，葉片或者可以是與輪轂或蓋片整體切削加工形成，也可以是先單獨 制造，然后通過焊接和輪轂或蓋片結(jié)合在一起。葉片和輪轂或蓋片結(jié)合在一起以后，就通過 釬焊將包含葉片的部件的外露的葉片邊緣和不包含葉片的部件連接在一起，形成最終的葉 輪組合件。在本發(fā)明的情況中，最終葉輪組合件是通過本發(fā)明釬焊方法獲得的。在圖2中，完整的葉輪組合件1包括具有整體葉片3的蓋片5和輪轂2。葉片3借 助釬焊接頭4連接在輪轂2的一個表面。所述釬焊接頭是通過將本文所述的釬料合金置于 葉片3和輪轂2的外露邊緣之間，然后進行本發(fā)明的釬焊方法獲得的。當(dāng)然，葉輪組合件包 含許多個葉片3需要按照本發(fā)明同時進行釬焊。圖3是顯示借助釬焊接頭4將具有整體葉片3的蓋片與連接于輪轂2形成的葉輪 組合件1的截面圖。通常，為了獲得本發(fā)明的最終釬焊的葉輪組合件1，包括如下步驟。將釬料合金的 許多小條置于葉片3的外露邊緣處。之后使不含有葉片的部件(輪轂或蓋片)和葉片的外 露邊緣接觸，并和此后形成釬焊接頭4而形成葉輪組合件的釬料合金小條接觸。呈糊狀或 細絲狀的額外釬焊合金則沿葉片的邊緣放置，以便形成釬焊接頭。然后將所述葉輪組合件 置于氬氣或真空的受控氣氛的爐子中，加熱至釬焊合金的液相線溫度。使用本發(fā)明所提出的不銹鋼材料的傳統(tǒng)釬焊方法，通常會開始一個恰在釬焊合金 液相線溫度以下進行的淬火操作。圖4顯示了代表在各種溫度下釬焊接頭的強度的曲線， 所述數(shù)據(jù)顯示，在恰低于釬焊接頭的液相線溫度(1750° F)的溫度進行淬火時，釬焊接頭 的強度很低(約9000Ksi)。該圖也顯示，當(dāng)淬火溫度由液相線溫度降低時，釬焊接頭的強度
7提高。由于典型葉輪組合件的復(fù)雜幾何形狀，當(dāng)組合件淬火時在釬焊接頭上將引起大量的 應(yīng)力。為了制造不開裂的釬焊組合件，本發(fā)明認識到，淬火操作開始時的溫度必須是釬焊接 頭具有足夠強度的溫度。圖4顯示了典型的用于本發(fā)明完整葉輪組合件的釬焊接頭的最終拉伸強度與淬 火溫度關(guān)系的曲線。所述完整葉輪組合件證實，當(dāng)釬焊的組合件從約1250° F淬火時，釬焊 接頭的熱變性和開裂最小，這是因為釬焊接頭4的拉伸強度差不多為30Ksi。圖4中的數(shù)據(jù)顯示，本發(fā)明的釬焊接頭在1250 1300° F淬火所得的強度是已有 技術(shù)在1650° F淬火所得強度的差不多3倍。相反，若淬火開始的溫度太低，就不能獲得不 銹鋼基底金屬的最終性能，因為本文所揭示的不銹鋼金屬或者需要固溶體退火條件或者需 要氣體淬火條件，接著或進行時效硬化或釬焊后進行回火熱處理。本發(fā)明釬焊步驟和開始 淬火步驟所選擇的時間和溫度參數(shù)能滿足本文所揭示的優(yōu)選葉輪基底金屬的熱處理要求。 淬火后的步驟可以是在950 1250° F，或適宜在約950 1120° F下進行的回火步驟，在 上述13Cr — 4Ni合金中產(chǎn)生回火馬氏體結(jié)構(gòu)。淬火后的步驟也可以是在約1100° F進行 約1 4小時的熱處理步驟，接著空氣冷卻，在17Cr — 4Ν 沉淀硬化型合金中產(chǎn)生起硬化 /強化作用的銅型沉淀。在大截面部件的情況下，需要緩慢地將爐子冷卻至800° F以下， 以避免產(chǎn)生熱變形。本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合一些優(yōu)選實施方式進行了說明。閱讀和理解上述說明以后可以做 出明顯的修改和替換。本發(fā)明可以認為包括所有這些修改和替換，只要它們均在所附的權(quán) 利要求和其等價內(nèi)容的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種釬焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(a)提供至少兩個具有所選組成和形狀的不銹鋼部件及與所述不銹鋼部件所選組成相容的釬料合金；(b)將釬料合金置于由至少兩個需要連接的不銹鋼部件形成的間隙中或靠近于該間隙的位置；(c)以受控的方式將所述不銹鋼部件和所述釬焊合金由室溫加熱至所述釬焊合金的液相線溫度，制造釬焊的組合件；(d)以受控的方式將所述釬焊的組合件由所述液相線溫度冷卻至所述釬焊合金具有所需強度的溫度；(e)將步驟(d)中所述的冷卻釬焊組合件淬火至低于400°F的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的釬焊方法，其特征在于，在步驟(c)中將所述釬焊合金和不銹鋼 部件加熱至1740 2100° F的液相線溫度。釬焊的組合件冷卻至1200 1400° F。
3.權(quán)利要求1所述的釬焊方法，其特征在于，步驟(a)中提供的不銹鋼部件所選擇的組 成是17Cr — 4Ν 沉淀硬化型合金和13Cr- — 4Ν 馬氏體合金中的一種，所提供的釬料合金 包含80 85%的金和15 20%的鎳。
4.權(quán)利要求1所述的釬焊方法，其特征在于，所述釬焊合金以箔、帶、絲、粉末或糊的形 式存在。其間隙的寬度為0.001 0.014英寸。
5.一種通過釬焊連接不銹鋼部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(a)提供至少兩個具有所選形狀和組成的不銹鋼部件，所選組成選自17Cr-4Ni沉淀硬 化型合金和13Cr-4Ni馬氏體合金中的一種；(b)提供含有80 85%金和15 20%鎳的釬料合金；(c)將釬料合金置于由至少兩個需要連接的不銹鋼部件形成的間隙中或靠近于該間隙 的位置；(d)在5 8小時的時間內(nèi)將所述不銹鋼部件和所述釬焊合金由室溫加熱至 1740-2100° F的液相線溫度，液相線溫度冷卻至1200 1400° F之間；(e)在不到2小時的時間內(nèi)，將步驟(d)所述冷卻的釬焊組合件由1200 1400°F淬 火至低于400° F的溫度。
6.如權(quán)利要求5所述的通過釬焊連接不銹鋼部件的方法，其特征在于，所選的不銹鋼 組成是17Cr-4Ni沉淀硬化型合金。與13Cr-4Ni馬氏體合金。
7.如權(quán)利要求5所述的通過釬焊連接不銹鋼部件的方法，其特征在于，步驟(d)中所述 的液相線溫度在1800 1875° F之間，之后再進行所述淬火步驟(f)。
8.—種制造的葉輪組合件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(a)提供至少兩個具有所選形狀和組成的不銹鋼部件，所選組成選自17Cr-4Ni沉淀硬 化型合金和13Cr-4Ni馬氏體合金中的一種；(b)提供含有80 85%金和15 20%鎳的釬料合金；(c)將釬料合金置于由至少兩個需要連接的不銹鋼部件形成的間隙中或靠近于該間隙 的位置(d)在5 8小時的時間內(nèi)，將所述不銹鋼部件和所述釬焊合金由室溫加熱至1740 2100° F的液相線溫度；液相線溫度冷卻至1200 1400° F之間；(e)在2小時內(nèi)將步驟(d)所述冷卻的釬焊組合件由1200 1400° F淬火至低于 400° F的溫度。
9.權(quán)利要求5所述的制造的葉輪組合件的方法，其特征在于所選的不銹鋼組成是17Cr 一 4Ν 沉淀硬化型合金，13Cr 一 4Ν 馬氏體合金。
10.一種完整的葉輪組合件，其特征在于，包括輪轂、蓋片和許多葉片，所述葉片和所 述輪轂或蓋片是一整體，并且每個葉片具有面向蓋片或輪轂的外露邊緣表面；其中所述輪 轂、蓋片和葉片由組成基本相同的不銹鋼合金形成；許多釬焊接頭位于每個葉片的外露邊 緣表面，所述釬焊接頭都由釬料合金形成，所述釬料合金在從低于所述液相線溫度的溫度 進行淬火時具有大于約25Ksi的拉伸強度，能防止所述釬料合金開裂并為不銹鋼合金提供 所需的機械性能。所述制品為葉輪組合件形式。
全文摘要
一種釬焊不銹鋼部件形成復(fù)雜形體如葉輪的方法。所述方法包括如下步驟提供一些由所選的不銹鋼合金制成并成形的不銹鋼部件；提供具有所選組成并和不銹鋼相容的釬焊合金；在控制的時間內(nèi)加熱不銹鋼部件和釬焊合金至液相線溫度，實現(xiàn)釬焊；冷卻不銹鋼部件和釬焊合金至充分低于釬焊合金液相線溫度的淬火溫度，提供在釬焊合金中大于約20Ksi的拉伸強度；在給定時間內(nèi)將組合件從淬火溫度淬火至低于400°F的溫度，通過熱處理提供不變形和開裂的，在不銹鋼部件中具有所需機械性能的釬焊組合件。
文檔編號F04D29/30GK101934405SQ20091005420
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者盧國臣 申請人:上海滬工電焊機制造有限公司