CN102272342A

CN102272342A - 焊接添加材料以及其应用和构件

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Publication number: CN102272342A
Application number: CN2009801536051A
Authority: CN
Inventors: N.阿贾基内
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-12-07
Also published as: RU2011122656A; RU2505616C2; EP2182084A1; WO2010052049A1; EP2347022A1; EP2347022B1; US20110274579A1; JP2012507624A

Abstract

本发明涉及一种焊接添加材料、焊接添加材料的应用、焊接方法和构件，其通过焊接添加材料明显改进一些镍基超耐热合金的可焊性，并具有下到组分：10.0%－20.0%铬(Cr)，5.0%－15.0%钴(Co)，0.0%－10.0%钼(Mo)，0.5%－3.5%钽(Ta)，0.0%－5.0%钛(Ti)，1.5%－5.0%铝(Al)，0.3%－0.6%硼(B)，其余为镍(Ni)。

Description

焊接添加材料以及其应用和构件

本发明涉及权利要求1的焊接添加材料、权利要求15的这种焊接添加材料的应用和权利要求16的构件。

所有高温材料中，镍基超耐热合金具有适于飞机和电站的燃气轮机制造的机械特性、耐腐蚀特性和可加工性的最有利的组合。特别是通过含有极高体积含量的相干γ’相Ni₃ (Al-Ti, Ta, Nb)的颗粒硬化可大大提高其强度。但含较高γ’含量的合金通常看作是仅在一定条件下是可焊接的。该差的可焊接性是由于：

a) 镍合金通常具有较低的导热性和较高的热膨胀系数，该值类似于奥氏体钢和Co合金的值。因此引入的焊接热消除得较慢，且该非均匀加热导致高的热应力，后者又导致热疲劳，其需用高耗费才能控制。

b) 镍合金在较高温度范围的快速温度循环交变时极宜产生热裂纹。其原因是由于化学组成的波动产生晶界熔融(熔析)或形成低熔点相如硫化物或硼化物。

c) 镍合金在γ基质中通常具有高含量的γ’相。在用于涡轮机构件的镍基超耐热合金中该γ’相的含量高达40体积%以上。这产生高强度，但特别在低温和可发生γ/γ’析出过程的温度场范围内也造成材料的低延展性(“延展性下降温度范围”或也称为“亚固相线延展性下降”，依合金不同约为700－1100℃)。因此，所出现的应力可较少地通过塑性流动而分解，这通常增加了形成裂纹的危险。

d) 镍合金易产生焊后热处理裂纹现象，也称为应变时效开裂。从特性上看，该裂纹在焊接后的第一次热处理中通过热影响区中的γ/γ’析出过程产生，或如果该焊接添加剂可形成γ’相，则该裂纹也可在焊接件中产生。原因是在析出γ’相时由于周围基质的收缩而产生的局部应力。该对应变时效开裂的敏感性随形成γ’的合金组分如 Al和Ti的含量的增加而加大，因为由此也增加了在结构中的γ’相的含量。

如果在室温下用常规焊接方法检验同类型的焊接(基材和添加材料是相同的)，则目前对于用于涡轮机轮叶的很多工业用Ni基超耐热合金(如IN 738 LC，Rene 80，IN 939)而言，在热影响区和焊接件中形成裂纹是不可避免的。

当前已知多种方法和工艺步骤可用于改进Ni基超耐热合金的可焊接性：

a) 带预热的焊接：

对于含高强度添加材料(也是Ni基超耐热合金)的Ni基超耐热合金，用于避免形成裂纹的一种可能性是降低温差，由此降低了构件的焊接部位和其余部分间的应力梯度。一个实例是在保护气箱中进行的手工WIG焊接，其中焊接部位通过感应(借助于感应线圈)预热到高于900℃的温度。但这使焊接工艺明显复杂化且大大增加成本。此外，由于缺乏可接近性不可对所有待焊区进行焊接。

b) 采取特别低的热引入的焊接

为此，使用确保向基材引入非常低的热的焊接方法。激光焊和电子束焊属于此类方法。该两方法是非常昂贵的。此外，需要编程化和自动化的耗费，这对具有频繁交替的损伤形成和损伤部位的维修焊接是不经济的。

由US 2004/0115686 A1已知一种含各种不同添加剂的镍合金。

因此，本发明的目的在于提供一种焊接添加材料、该焊接添加材料的应用、一种焊接方法和构件，由此克服现有技术所存在的问题。

本发明的目的是通过权利要求1的焊接添加材料、通过权利要求15的该焊接添加材料的应用和权利要求16的构件实现的。

在从属权利要求中列出有利的方案，其可以有利的方式任意相互组合。

提供一种焊接添加材料和该焊接添加材料的应用，该焊接添加材料可在室温下通过手工或自动化焊接对由镍基超耐热合金制成的涡轮机叶片和其它高温燃气部件进行维修焊接。该焊接添加材料也是一种γ’淬火的镍基超耐热合金，但其特别与待维修的构件的基底材料有区别。该焊接维修能产生低周期强度(LCF，即低周期疲劳)，其相应于约50%或更高的基材特性(该焊接保持50%的基材LCF周期)。

下面详述本发明。

附图简介：

图1示出可用本发明的添加材料焊接的材料的组成表，

图2示出燃气轮机，

图3示出涡轮机轮叶的透视图，和

图4示出燃烧室部件的透视图。

按本发明，提出了增加作为合金元素的硼含量。该硼合金含量应为0.3－0.6重量%。在同类的以及类似的添加材料情况下，这种增加应改进抗热裂纹性。这种添加材料可在室温下通过手工或自动化焊接对由镍基超耐热合金制成的燃气轮机叶片和其它高温燃气部件进行维修焊接。

该改进抗热裂纹性的机理为：

如果在温度范围即所谓的BTR（脆化温度范围）或TIS（脆性温度区间）的局部可变形性太低，不能吸纳焊接导致的膨胀，则就会出现热裂纹。与常规的其硼含量最大限制为0.03重量%的Ni基超耐热合金相比，该硼低共熔混合物完全包围晶界，在凝固时起到“阻尼器”或“缓冲器”的作用，并吸收所产生的形变力。该低共熔混合物的熔点应低于温度Tu，即低于从该温度起变形能力P再增加的温度。

基材不应过热。因此建议应用低电流强度的焊接参数和具有小直径的添加剂材料。

此外，增加硼合金含量可在同时提高在侵蚀性介质中的耐氧化性情况下改进持久强度和耐热性。

建议了对由镍基超耐热合金制成的构件如热燃气部件138，155 (图3, 4)和涡轮机叶片120, 130 (图2)进行焊接的焊接工艺，其优选具有下列特性：

·· 焊接前的热处理，目的在于增大镍基超耐热合金基材中的γ’相 (参见EP 1428897 A1)。该也称为过度时效的热处理可增加延展性，并由此增加基材的可焊接性。

· 用常规手工焊接方法如WIG焊接或等离子体焊接的无预热(室温下)的焊接，或也在室温下的带自动化方法的焊接如激光焊接或自动化激光焊接。

· 不需应用焊接时将整个构件置于箱中以防氧化的密封的保护气箱或真空箱。也不需其中通过较大量的保护气流过以保护焊接时的构件的流过式箱。

· 对焊接时特别易形成热裂纹和/或氧化的基材，建议使用保护气，该保护气含用于抑制热裂纹率的氮和/或用于降低氧化的氢(参见EP 04011321.9)。

· 焊接后进行热处理以实现基材和焊接添加材料的匀质化：固溶退火。该固溶退火温度应由基材决定。该固溶退火温度必需高于焊接添加材料的固溶退火温度，但低于该焊接添加材料的固相线温度。用于调节所需γ’形态(大小、形状、分布)的一步或多步时效硬化可紧接着进行或稍后在热燃气部件加工时进行。

该焊接添加材料在室温下具有较好的焊接性能。为此，应选择合金中的Al和Ti的含量，使得对应变时效裂化有非常低的敏感性。铬含量的选择要使该合金形成耐腐蚀的Cr₂O₃覆层，并含有在运行条件下足以再生该层的贮量。

铁：铁优选限制在最大1.5重量%，以改进合全的抗氧化性和降低脆性TCP相的形成危险(TCP = 拓朴密堆积)。

硅：硅优选限制在最大0.5重量%，以尽可能降低热开裂。

此外，对任选成分C、Fe、Mn、S、P、Hf、La、Si或Zr确定其在不利和有利影响之间的最佳化的限值。

在制备构件和焊接时，在晶界上可能形成氧化物和特别是硫化物。这种含硫和含氧的薄的中间结晶性低共熔混合物一方面使晶界变脆。另一方面其有低的熔点，后者通过晶界局部熔融导致高的晶界开裂灵敏度。

特别是通过加入Hf局部改变晶界的化学组成有助于防止氧脆化，在晶界处Hf熔析并由此使氧的晶界扩散难以进行，由此阻止了由氧引起的晶界脆化。此外，还可将铪引入γ’相中并提高其强度。

下表描述本发明(数据单位为重量%)

元素		效果
			Cr	10.0－20.0	防腐蚀，提高耐硫化作用，固溶硬化
Co	5.0－15.0	降低堆叠缺陷能，由此提高蠕变强度，改进固溶退火性
			Mo	0.0－10.0	固溶硬化，提高E-模量，降低扩散系数
Ta	0.0－3.5
			Ti	0.0－5.0	在γ’中取代Al，增加γ’体积份额
Al	0.0－5.0	γ’形成，＞约950℃下的唯一有效的长期防氧化，强固溶硬化
			Fe	最大1.5	促进TCP相形成，恶化抗氧化性
Mn	最大0.1
			Si	最大0.5	促进TCP相形成，增加热开裂性
C	最大0.25	碳化物形成
			B	0.3－0.6	晶界有效元素(大原子)，增加晶界内聚力，降低裂纹风险，提高延展性和特久强度，防止在晶界上形成碳化物膜，降低氧化风险
Zr	0.0－0.1	结合S和C，提高抗开裂性
			Hf	0.0－0.5	降低浇注时的热开裂性，进入γ’中，增加其强度，改进抗氧化性
La	0.0－0.1	结合S，提高热开裂性
			S	最大0.015	冶金杂质，增加热开裂性
P	最大0.03	冶金杂质，有损焊接性
			Ni	余量

应用实例是用人工WIG焊和等离子体粉末堆焊焊接合金Rene 80，特别是当其经受过运行应力的情况下。不排除其它的焊接法和维修应用。该焊接维修部位的特点是，在转轮叶片平台过渡半径中的“结构”维修或在涡轮叶片的转轮叶片中的“结构”维修。

其它镍基添加剂可按γ’相含量有多大来选择，即在优选给定的最大上限为75体积%情况下优选大于等于35体积%。

材料IN 738、IN 738 LC、IN 939、PWA 1483 SX或IN 6203 DS优选用本发明的焊接添加材料焊接。

图2示例性示出呈纵向载面的燃气轮机100。

该燃气轮机100在内部具有绕转动轴102呈旋转安装的带轴101的转子103，该转子也称为涡轮机转轮。

沿转子103依次是抽吸外壳104，压缩机105，例如为环式的燃烧室110，特别是环形燃烧室，其带有多个同轴安装的燃烧器107，涡轮108和排气外壳109。

环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。其中例如4个串接的涡轮级112形成涡轮108。

每个涡轮级112例如是由两个轮叶环构成。按工作介质113的流向看，在导向轮叶系列115的热气通道111中接着是由转轮轮叶120形成的系列125。

导向轮叶130固定在定子143的内壳138上，而系列125的转轮轮叶120例如借助于涡轮机盘133安装在转子103上。

在转子103上连接有发电机或发动机(未示出)。

在燃气轮机100运行时，压缩机105通过抽吸壳104抽吸空气135，并将其压缩。将在压缩机105的涡轮机侧端上己备好的经压缩的空气导入燃烧器107，并在那里与燃烧介质混合。该混合物在燃烧室110中燃烧形成工作介质113。该工作介质113由那里流出并沿热气通道111在导向轮叶130和转轮轮叶120上流过。该工作介质113在转轮轮叶120上呈脉冲传送减压，以致转轮轮叶120驱动转子103，并且转子驱动连接其上的发动机。

在燃气轮机100的运行中，经受热工作介质113的构件受热应力作用。按工作介质113的流向看的第一个涡轮机级112的导向轮叶130和转轮轮叶120除包覆环形燃烧室110的热屏蔽部件外均经受最大的热负荷。

为保持那里存在的温度，可借助于冷却剂对其进行冷却。

该构件的基底也可具有定向的结构，即其可为单晶形(SX结构)或仅具有纵向取向的晶粒(DS结构)。作为该构件，特别是涡轮机轮叶120, 130和燃烧室110的构件的材料例如应用铁基超耐热合金、镍基超耐热合金或钴基超耐热合金。

例如由EP 1204776 B1、EP 1306454、EP 1319729 A1、WO 99/67435或WO00/44949已知这类超耐热合金。

该导向轮叶130具有面向涡轮机108的内壳138的导向轮叶根部(未示出)和

背向导向轮叶根部的导向轮叶端部。该导向轮叶端部面向转子103，并固定在该定子143的固定环140上。

图3示出一种涡轮机的转轮轮叶120或导向轮叶的透视图，其沿纵轴121延伸。

该涡轮机可以是飞机或发电厂用于发电的燃气轮机、蒸汽涡轮机或压缩机。

该轮叶120, 130沿纵轴121相继具有固定区400、与其紧邻的轮叶平台403以及轮叶片406和轮叶顶端415。

该轮叶130在其轮叶顶端415上可具有另一平台作为导向轮叶130 (未示出)。

在固定区400中构成轮叶根部183，其用于将转轮轮叶120, 130固定在轴或盘上 (未示出)。

该轮叶根部183例如设计成锤头。另外的方案也可设计成枞树根或燕尾根形。

该轮叶120, 130具有进气棱409和排气棱412用于在轮叶片406上流过的介质。

在常规轮叶120, 130情况下，在该轮叶120, 130的所有区域中例如使用实心金属材料，特别是超耐热合金。

该轮叶120, 130可通过浇注法，也可借助于定向凝固，通过锻造法，通过铣削法或这些方法的组合制造。

可使用含单晶结构的工件作为运行中经受高的机械负荷、热负荷和/或化学负荷的机器的构件。

这种单晶工件的制造例如通过熔体的定向凝固实现。其是一种浇注方法，在该方法中液态金属合金凝固成单晶结构，即凝固成单晶工件，或者定向凝固。

树枝状晶体沿热流排列，并形成杆状晶粒结构(柱状，即在工件的整个长度上分布的晶粒，按通常的惯用语称为定向凝固)，或形成单晶结构，即整个工件由唯一的晶体组成。在此方法中，必需避开向球状(多晶形)凝固过渡，因为通过非定向生长必定形成横向和纵向晶界，其使定向凝固的构件或单晶形构件的优良特性消失。

如果通常论及定向凝固结构，则意指不具有晶界或最多具有小角晶界的单晶以及其虽然具有呈纵向分布的晶界但无横向晶界的杆状晶体结构。该第二种所述的晶形结构也称为定向凝固结构。

由US-PS 6024792和EP 0892090 A1已知这类方法。

该轮叶120, 130也可具有防腐蚀或防氧化的涂层，例如(MCrAlX；M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的至少一种元素，X是一种活性元素，其是钇(Y)和/或硅和/或选自稀土或铪(Hf)的至少一种元素)。从EP 0486489 B1、EP 0786017 B1、EP 0412397 B1或EP 1306454 A1中已知这类合金。

密度优选为理论密度的95%。

在该MCrAlX层上(作为中间层或作为最外层)形成保护性氧化铝层(TGO = 热生长氧化物层)。

在MCrAlX上还可存在隔热层，其优选为最外层，且例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即其未经或部分经或完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定。

该隔热层覆盖整个MCrAlX层。

通过合适的涂覆方法如电子束蒸发法(EB-PVD)可在隔热层中产生杆状晶粒。

也可用其它涂覆方法，如大气等离子体喷射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。该隔热层可具有多孔型的带微裂纹的或带大裂纹的晶粒以改进抗热冲击性。该隔热层因此优选比MCrAlX层更具多孔性。

该轮叶120, 130可以是中空的或实心的。如果该轮叶120, 130应经冷却，则其为中空型，并任选地还具有膜式冷却孔418 (虚线示出)。

图4示出该燃气轮机100的燃烧室110。该燃烧室110例如设计成所谓的环形燃烧室，在此情况下，多个围绕旋转轴102呈圆周方向排列的燃烧器107通入共用的燃烧室腔154中，产生火焰156。为此该燃烧室110整体设计成围绕旋转轴102定位的环形结构。

为达较高的效率，该燃烧室110设计成适于工作介质M的约为1000－1600℃的较高温度。也为了在这种不利于材料的运行参数下能有较长的运行时间，在燃烧室壁153的面向工作介质M的侧面上提供有由热屏蔽部件155所构成的内衬。

此外，由于在燃烧室110的内部的高温，为该热屏蔽部件155或其固定部件提供冷却系统。该热屏蔽部件155例如是中空的，并任选地还具有通入燃烧室腔154的冷却孔(未示出)。

在由合金制成的每个热屏蔽部件155的工作介质侧还配置有特别耐热的防护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)，或每个热屏蔽部件155由耐高温材料(实心陶瓷块)制成。

该保护层可类似于涡轮机轮叶，即例如是MCrAlX：M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的至少一种元素，X是一种活性元素，其是钇(Y)和/或硅和/或选自稀土或铪(Hf)的至少一种元素。从EP 0486489 B1、EP 0786017 B1、EP 0412397 B1或EP 1306454 A1中已知这类合金。

在MCrAlX上还可例如有陶瓷热隔热层，该层例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即其未经或部分经或完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定。

也可用其它涂覆方法，如大气等离子体喷射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。该隔热层可具有多孔型的带微裂纹的或带大裂纹的晶粒以改进抗热冲击性。

再处理(整修)意指，涡轮机轮叶120, 130、热屏蔽部件155经使用后任选地必需去除保护层(如通过喷砂)。之后去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。任选地还修复在涡轮机轮叶120, 130或热屏蔽部件155中的裂纹。然后对涡轮机轮叶120, 130、热屏蔽部件155进行再涂覆，并重新使用该涡轮机轮叶120, 130或热屏蔽部件155。

Claims

1. 焊接添加材料，其包含(按重量%)：

10.0%－20.0% 铬(Cr)，特别是12%－18% Cr，

5.0%－15.0% 钴(Co)，特别是7%－13% Co，

0.0%－10.0% 钼(Mo)，特别是0.5重量%－10重量% Mo，尤其是2%－8% Mo，

0.5%－3.5% 钽(Ta)，特别是0.5%－2.5% Ta，

0.0%－5.0% 钛(Ti)，特别是0.5重量%－5重量% Ti，尤其是1.0%－4% Ti，

1.5%－5.0% 铝(Al)，特别是2%－4% Al，

0.3%－0.6% 硼(B)，特别是0.4%－0.5% B，

任选地，

最大0.30% 碳(C)，特别是最大0.25% C，

最大1.8% 铁(Fe)，特别是最大1.5% Fe，尤其是最大1.0% Fe，

最大0.15% 锰(Mn)，特别是最大0.1% Mn，

最大0.03% 硫(S)，特别是最大0.015% S，

最大0.06% 磷(P)，特别是最大0.03% P，

最大0.7% 铪(Hf)，特别是最大0. 5% Hf，

最大0.2% 镧(La)，特别是最大0.1% La，

最大0.7% 硅(Si)，特别是最大0. 5% Si，

最大0.2% 锆(Zr)，特别是最大0.1% Zr，

余量为镍。

2. 权利要求1的焊接添加材料，其含至少0.01重量%，特别是至少0.05重量%碳(C)。

3. 权利要求1或2的焊接添加材料，其含至少0.1重量%，特别是至少0.35重量% 铁(Fe)。

4. 权利要求1, 2或3的焊接添加材料，其含至少0.01重量%，特别是至少0.05重量% 锰(Mn)。

5. 权利要求1, 2, 3或4的焊接添加材料，其含至少0.005重量%，特别是至少0.01重量% 硫(S)。

6. 权利要求1, 2, 3, 4或5的焊接添加材料，其含至少0.005重量%，特别是至少0.01重量% 磷(P)。

7. 权利要求1, 2, 3, 4, 5或6的焊接添加材料，其含至少0.05重量%，特别是至少0.01重量% 铪(Hf)。

8. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6或7的焊接添加材料，其含至少0.01重量%，特别是至少0.05重量% 镧(La)。

9. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7或8的焊接添加材料，其含至少0.05重量%，特别是至少0.1重量% 硅(Si)。

10. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8或9的焊接添加材料，其含至少0.05重量%锆(Zr)。

11. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9或10的焊接添加材料，其由镍、铬、钴、钼、钛、钽、铝、硼和任选成分碳、铁、锰、硅、锆、铪和镧组成。

12. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9或10的焊接添加材料，其由镍、铬、钴、钼、钛、钽、铝、硼以及选自碳、铁、锰、硅、锆、铪和镧中的至少两种元素组成。

13. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9或10的焊接添加材料，其由镍、铬、钴、钼、钛、钽、铝、硼及选自碳、铁、锰、硅、锆、铪和镧中的至少三种元素组成。

14. 权利要求1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9或10的焊接添加材料，其由镍、铬、钴、钼、钛、钽、铝、硼、碳、铁、锰、硅、锆、铪和镧组成。

15. 权利要求1－13之一或多项的焊接添加材料在镍基材料，特别是在与该焊接添加材料不同的镍基材料中的应用。

16. 含有权利要求1－14之一或多项的焊接添加材料的镍基构件（1, 120, 130, 155），特别是其中所述镍基材料与所述焊接添加材料不同的镍基构件。

17. 权利要求16的构件，其中所述镍基材料具有≥ 40体积%的γ’相，特别是最大75体积%的γ’相。

18. 权利要求16或17的构件，其中该构件的镍基材料含IN 738或IN 738 LC、Rene 80或IN 939以及PWA 1483 SX或IN 6203 DS。