延性的含硼镍基焊接材料的制作方法
【专利说明】延性的含硼镍基焊接材料
[0001] 本申请要求于 2014 年 4 月 28 日由 Alexander B. Goncharov、Joseph Livurdi 和 Paul Lowden正式提交的发明名称为"用于焊接超级合金的焊接材料"的第14/263, 120号 美国专利申请的优先权。
[0002] 名义上包含 20-23wt. % Cr、8-10wt. % Μο、3· 15-4. 15wt. % Nb、最大值为 0. lwt. % C和镍及余量的杂质的镍铬合金625也称为制造成AMS 5789的TNCONEL?! 625 (IN625)，其在高至1800° F的温度下具有良好的抗氧化性，在高至1598° F的温度下 具有良好的机械性，并且提供了良好的耐水溶液腐蚀性。因此，数十年来，该合金已经被广 泛用于航空航天、化学以及发电工业
[0003] 而且，由于独特的冶金性能，按照AMS 5837以焊丝和焊条形式制造的Incone 1 625已经通过钨极惰性气体保护焊（GTAW)、激光、电子束和等离子焊接和熔覆用于涡轮 发动机组件的修复。由于平衡的化学组成，溶体硬化IN625合金具有高延性，其中高至 0. lwt. %的碳不影响其延性。因此，该合金没有进一步进行费用高的纯化的冶金需要，该纯 化可能增加该广泛应用的焊丝的价格。因此，市场上可获得的IN625焊丝中通常的碳含量 从约0· 06wt. %至约0· lwt. %变化。
[0004] IN625 产生了良好的焊接，但是根据 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'）的沉淀硬化超级合金的热影响区（HAZ)趋于微裂， 也称为微开裂。
[0005] 根据 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镍基超级合金上的激光熔覆产生 的焊接的HAZ中的熔解温度和液化开裂。这些焊接处在1800° F的温度下只有19. 7%的 延伸率，这实际上限制了拉拔工艺用于制造焊丝。
[0006] 因此，需要对硼改性的Inconel 625焊接材料进行额外的改善，以允许使用标准 的拉拔工艺进行焊丝的制造，且与Inconel 625的标准化学组成无显著偏差。所述焊丝能 在沉淀硬化超级合金上产生无裂纹的焊接，其钎焊接头及焊接接头的屈服强度及断裂应力 特性超过标准Inconel 625合金的相关特性，这同样是本构思的一个目标。
[0007] 发明概述
[0008] 我们已经发现，为了达到使用标准的拉拔工艺及挤压工艺制造焊丝所需要 的延性，在含 〇· 4-0. 6wt. % 的硼（B)、17-23wt. % 的铬（Cr)、8-10wt. % 的钼（Mo)、 0. 1-4. 15wt. %的铌（Nb)的镍基合金中的碳含量不应超过约0. 04wt. %，以避免或最小化 碳化物的形成。
[0009] 除以上所述之外，本发明的焊接材料还产生了具有优异的屈服强度、延性和断裂 应力特性的无裂纹焊接，其超过了使用标准IN625焊丝所产生的焊接的机械性能。
[0010] 根据所述的优选实施方案，本发明的焊接材料可被制成焊丝和钎焊丝、焊粉和焊 箱的形式。
[0011] 本发明的焊接材料可用于各种制品的连接和修复，包括由多晶的、定向凝固的以 及单晶的镍基合金、钴基合金和铁基合金制造的涡轮发动机组件。
[0012] 由于该合金的高延性和降低的熔解温度，本发明的焊接材料可用于由大间隙钎 焊、Liburdi粉末冶金技术产生的材料以及复合材料的TIG钎焊和连接。
【附图说明】
[0013] 图1是用于GTAW-MA焊接和TIG钎焊的切割成条状的焊丝的照片。
[0014] 图2是使用包含0. 4wt. % B和0. 02wt. % C的焊条在GTD 111母材上产生的被覆 熔接的显微照片，其描绘了在底部的无裂纹HAZ和在顶部堆立的焊接，其中，1为焊缝金属， 2为熔合线以及3为由GTD 111超级合金制造的母材。
[0015] 图3是在应用于Inconel 738超级合金的表面的Mar M24-Amdry775大间隙钎焊 材料上产生的被覆熔接的显微照片，其中1为焊缝金属，2为熔合线以及3为由WGB制造的 母材。
[0016] 图4是在CMSX-4上的被覆熔接的显微照片，其描绘了无裂纹焊接且无任何证据表 明单晶基材重结晶，其中，1为焊缝金属，2为熔合线以及3为由CMSX-4单晶合金制造的母 材。
[0017] 标准首字母缩略词
[0018] AMS-航空航天材料规格（标准）
[0019] ASTM-美国材料与试验协会（标准）
[0020] AWS-美国焊接协会（标准）
[0021] HAZ-热影响区
[0022] NDT-无损检测
[0023] PWHT-焊后热处理
[0024] RA-拉伸试验中减少的样本面积
[0025] UTS-极限抗拉强度
[0026] IN625-Inconel 625 镍基合金
[0027] GTAW-MA-钨极惰性气体保护焊-手动的
[0028] GTAW-ME-钨极惰性气体保护焊-机械的
[0029] LBW-激光焊接
[0030] EBW-电子束焊接
[0031] PAW-等离子弧焊接
[0032] TIG-钨极惰性气体
[0033] WGB-大间隙钎焊
[0034] LPM?-Liburdi粉末冶金工艺和商标
[0035] HPT-高压涡轮
[0036] 术语的词汇表
[0037] Amdry 775-具有高铬含量的扩散钎焊合金，其具有强大的抗氧化性和耐腐蚀性， 以及含硼作为熔化抑制剂，其提供了均匀的沉积物。
[0038] 硼化物-由两种元素组成的化合物，其中硼是更具有电负性的元素。硼与金属元 素和非金属元素形成硼化物。
[0039] CMSX-4材料-超高强度单晶合金
[0040] 稀释-由焊珠中的母材或先前的焊接金属的混合所引起的焊接材料的化学组成 的变化，其是通过焊珠中的基体金属或先前的焊接金属的百分比而测量的。
[0041] 延性-金属和合金在不断裂的情况下被拉伸、伸展或成形的能力。
[0042] 开裂-破裂表面的仅具有轻微分离（张开位移）的小的裂纹状中断。所述的前缀 大-或微-表示相对大小。
[0043] 钨极惰性气体保护焊（GTAW)-根据AWS定义，其是通过使用在钨电极（非消耗型） 和也称作母材的工件之间的电弧加热金属而产生金属接合的电弧焊接工艺。从气体或气体 混合物获得屏蔽。可以或可以不使用压力以及可以或可以不使用填充金属。
[0044] GTD 111-由通用电气公司开发的镍基超级合金。
[0045] INCONEL 738-真空浇注并沉淀硬化的镍基合金。
[0046] 激光焊接和熔覆（LBW)-根据AWS定义，其是使用通过分别冲击接缝或母材上的集 中相干光束的应用而获得的热量产生金属的接合的焊接工艺。
[0047] 液化开裂-在液化材料的凝固过程中由边界成分的熔化引起的小裂纹。
[0048] LPM材料-包含基于黄铜的基质（braze based matrix)并以诸如Mar M247和 Inconel 738等固相高温填充粉末形式呈现的材料。
[0049] MAR M-247-沉淀硬化的高γ'镍基超级合金。
[0050] Inconel 738-沉淀硬化的高γ '镍基超级合金。
[0051] 钨极惰性气体钎焊-由钨电极维持电弧并使用惰性气体防止空气接近的焊接方 法。
[0052] 焊粉-在产生焊接接头或被覆熔接时添加的粉末形式的焊接材料。
[0053] 焊条-切割成标准长度的焊丝。
[0054] 焊丝-在产生焊接接头或被覆熔接时添加的线材形式的焊接材料。
[0055] 大间隙钎焊合金-含有在钎焊温度下熔化的组分和在相同温度下部分熔化或不 熔化的组分的合金。该合金允许在构件之间产生"桥"。
[0056] 大间隙钎焊层-提供基材上的材料覆盖物
[0057] 发明详述
[0058] 本发明的合金可以以焊丝和焊粉的形式使用，也可以以通过浇铸、压延、热压成形 和冷成形制造的各种制品并在修复期间通过替换损坏的部分而并入这些制品的形式使用。
[0059] 焊丝和焊粉形式的焊接材料是本发明合金的主要应用，因此，将在下文更详细地 讨论。
[0060] 关于制造焊丝，直径为0. 5-3英寸的铸锭（也称为坯料）采用标准感应、电弧熔化 和再熔化技术和设备在真空或氩气中生产出。然后将坯料通过使用预热进行拉延或挤压而 减少至所需直径、随后通过标准的表面精加工。因此，初始铸造材料的高延性对于最小化用 于通过挤压和拉延成功制造焊丝的工艺温度是必要的。
[0061] 在最终加工期间，使线材经过标准的严密清洗程序，这确保采用该线材制造的焊 丝和焊接不受污染。
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