CN101405416A - 焊接添加材料和其应用以及焊接方法和构件 - Google Patents

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CN101405416A CNA2007800094308A CN200780009430A CN101405416A CN 101405416 A CN101405416 A CN 101405416A CN A2007800094308 A CNA2007800094308 A CN A2007800094308A CN 200780009430 A CN200780009430 A CN 200780009430A CN 101405416 A CN101405416 A CN 101405416A
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Abstract

本发明涉及一种焊接添加材料、该焊接添加材料的应用、一种焊接方法和一种构件，该发明通过焊接添加材料明显改进了一些镍基超耐热合金的可焊性，并含下列成分(单位为重量％)：18.0％－20.0％铬(Cr)，9.0％－11.0％钴(Co)，7.0％－10.0％钼(Mo)，2.0％－2.5％钛(Ti)，1.0％－1.7％铝(Al)，0.04％－0.08％碳(C)，其余为镍(Ni)。

Description

焊接添加材料和其应用以及焊接方法和构件
本发明涉及权利要求1的焊接添加材料、权利要求7的该材料的应用、权利要求15的焊接方法和权利要求17的构件。
在所有高温材料中基于镍的超耐热合金具有适用于制造飞机和发电厂的燃气轮机的机械特性、耐腐蚀性和可加工性的最佳组合。特别是通过含非常高体积含量的相关γ’-相Ni3(Al-Ti，Ta，Nb)的微粒硬化可以大大提高强度。但含较高γ’含量的合金的可焊接性通常是有条件的。其小的可焊接性是由于：
a)镍合金通常具有较小的导热性和较高的热膨胀系数，其类似于奥氏体钢和共合金的值。因此该引入的焊接热导出较慢，该不均匀的加热导致高的热应力，该应力导致热疲劳，而这仅通过大的耗费才可控制。
b)镍合金易在较高温度范围的快速温度循环交替时产生热裂纹。其原因是由于化学组成的波动(熔析)产生的晶界熔融或低熔融相如硫化物或硼化物的形成。
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γ’-相的含量达40体积％以上。这会产生高强度，但特别在低温和可发生γ/γ’析出过程的温度场范围内也会产生材料的低的可延展性(依合金不同其“失塑(Ductility-Dip)温度范围”或“亚固相失塑”约为700-1100℃)。因此，所出现的应力会较少通过塑性流消失，这通常会增加裂纹形成的风险。
d)镍合金会发生焊后热处理裂纹现象，即称为应变时效裂纹。该裂纹以特征方式在焊接后的第一热处理中由于γ/γ’析出过程而产生于热影响区，或如果该焊接添加料可形成γ’-相，则产生于焊接件中。其原因是在γ’-相析出时由于周围基质的收缩形成的局部应力。应变时效裂纹随形成γ’的合金成分如Al和Ti的含量不断增加而增加，因为由此在结构中的γ’-相的含量也增加。
如果在室温下用通常的焊接方法试验同类焊接(基材和添加料是相同的)，则此时对用于涡轮机叶片的许多工业用Ni基超耐热合金(如IN 738LC、Rene 80、IN 939)均不可避免在热影响区和焊接件上形成裂纹。
现已知多种可改进镍基超耐热合金的可焊接性的方法和方法步骤：
a)带预加热的焊接：
在焊接含高强度添加材料的Ni基超耐热合金(Ni基超耐热合金也同样)时避免裂纹的可能性是减小温度差和由此减小在焊接位和构件其余部位间的应力梯度。这可通过在焊接时对构件进行预加热实现。一个实例是在保护气箱中的手工WIG焊接，其中将焊接位感应(用感应线圈)预热到温度大于900℃。但这使焊接工艺大大复杂化及成本增加。此外由于缺乏可接近性不能对所有待焊区实施这一方法。
b)具有极小的热引入的焊接：
为此使用能确保向基材引入非常小的热的焊接方法。激光焊接和电子束焊接属于此类方法。该两方法是非常昂贵的。此外其还需编程耗费和自动化耗费，这在具有频繁变更的故障形成和故障位的修理性焊接时是不经济的。
由US 2004/0115086A1已知一种含各种添加料的镍合金。
因此，本发明的目的是提供一种焊接添加材料、该焊接添加材料的应用、一种焊接方法和一种构件，从而克服现有技术的问题。
此目的通过权利要求1的焊接添加材料、通过权利要求6的焊接材料的应用、通过权利要求19的焊接方法和权利要求21的构件来实现，所述焊接添加材料含(单位为重量％)：
18.0％-20.0％   铬(Cr)，特别是19％Cr，
9.0％-11.0％    钴(Co)，特别是10％Co，
7.0％-10.0％    钼(Mo)，特别是8.5％Mo，
2.0％-2.5％     钛(Ti)，特别是2.3％Ti，
1.0％-1.7％     铝(Al)，特别是1.4％Al，
0.04％-0.08％   碳，特别是0.06％C，
任选地
0.001％-0.007％ 硼(B)，特别是0.005％B，
最大1.5％       铁(Fe)，特别是最大0.5％Fe，
最大0.3％       锰(Mn)，特别是最大0.15％Mn，
最大0.15％      硅(Si)，特别是最大0.1％Si，
其余为镍。
在从属权利要求中列出有利的方案，这些方案可以有利的方式任意相互组合。
本发明提出一种焊接添加材料和该材料的应用，该材料使得能在室温下通过手工或自动焊接来修复焊接由镍基超耐热合金制成的燃气轮机叶片和其它热气部件。该焊接添加材料也是一种γ’-硬化的镍基超耐热合金，但特别是不同于待修构件的基底材料。该焊接修理使低周期强度(LCF，低周期疲劳)成为可能，该强度相应于基材特性的约50％以上(该焊接保持50％的该基材的LCF周期)。
下面将详述本发明。
附图中：
图1示出可与本发明的添加材料相焊接的材料的组成列表，
图2示出燃气轮机，
图3示出涡轮机叶片的透视图，
图4示出燃烧室部件的透视图。
本发明提出一种用于焊接由镍基超耐热合金制成的构件如热气部件138、155(图3，4)和涡轮机叶片120、130(图2)的焊接工艺，其优选具有下列特征：
·焊接前的热处理，其目的是增大镍基超耐热合金构成的基材的γ’-相(见EP 1428897A1)。这种也称为过时效的热处理增加了基材的延展性和从而提高了基材的可焊性。
·用通常手工焊接方法如WIG焊接或等离子体粉末焊接进行的无预热焊接(室温下)或同样在室温下用自动方法进行的其它焊接如激光粉末焊接或自动化等离子体粉末焊接。
·无需应用焊接时将整个构件引入其中以防氧化的封闭的保护气箱或真空箱。同样也不需要焊接时其中通过较大量保护气体以保护构件的流通箱。
·对特别是在焊接时极易形成热裂纹和/或极易氧化的基材，建议应用保护气，其含抑制热裂纹的氮气和/或减少氧化的氢气(在EP04011321.9中公开了该保护气，其中也公开了该保护气的组成)。
·用于基材和焊接添加材料均质化的焊后热处理：固溶退火。该固溶退火温度应由基材确定。固溶退火温度必须高于焊接添加材料的固溶退火温度但低于其固相线温度。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在热气部件处理过程中稍后进行。
该焊接添加材料分为基础合金即合金SC 60和其变体即合金SC60+。
SC 60
该焊接添加材料在室温下有较好的焊接特性。为此在合金中的Al和Ti含量的选择要对应变时效裂纹产生非常小的敏感性。选择Al含量小于1.7％，Cr含量为18-20％，以便该合金形成耐腐蚀的Cr2O3覆层，并含在运行条件下用于再生该层的足够的贮量。
SC 60+
与SC 60相比，优选可有下列变化。
铁：铁优选限制最大为0.5重量％，以改进合金的耐氧化性，并减小形成脆性TCP相的风险(TCP＝构形上的密堆积)。
硅：硅优选限制最大为0.1重量％，以使热裂纹可能性最小。
在制备构件和焊接时，在晶界上会形成氧化物和特别是硫化物。该含硫和含氧的薄的晶间低共熔体一方面会使晶界变脆，另一方面有低的熔点，其通过晶界的局部熔融导致极易产生晶界裂纹。
与氧脆化相反，通过加入Hf导致的晶界化学组成的局部变化是特别有益的，该Hf在晶界上离析并由此抑制氧的晶界扩散，这样抑制了由氧引起的晶界脆化。此外，铪进入γ’-相并增加其强度。
下表综述两个实施例(数据单位为重量％)。
  元素   SC 60   变体Sc 60+   作用
  Cr   18.0-20.0   18.0-20.0   防腐，增加耐硫化性，混晶硬化
  Co   9.0-11.0   9.0-11.0   降低堆集缺陷能，由此增加抗蠕变性，改进可固溶退火性
  Mo   7.0-10.0   7.0-10.0   混晶硬化，增加E模数，降低扩散系数
  Ti   2.0-2.5   2.0-2.5   取代γ’中的Al，增加γ’体积含量
  Al   1.0-1.7   1.0-1.7   γ’-形成，唯一的有效长期防氧化＞约950℃，强混晶硬化
  Fe   最大1.5   最大0.5   有助TCP相形成，恶化耐氧化性
  Mn   最大0.3   最大0.15
  Si   最大0.15   最大0.1   有助TCP相形成，增加热裂纹性
  C   0.04-0.08   0.06   碳化物形成
  B(任选)   0.003-0.007   最大0.001   晶界有效元素(大原子)，增加晶界内聚力，降低裂纹风险，提高延展性和持久强度，阻止晶界上的碳化物膜形成，降低氧化风险
  Ni   余量   余量
应用实例是合金Rene 80的焊接，特别是运行负荷下，通过手工WIG焊接和等离子体粉末涂覆焊接进行。不排除其它焊接方法和修理应用。焊接修理部位的特性是可在涡轮机叶片的过渡半径叶片平台或叶片中进行“结构性”修理。
也可按γ’-相含量的多少选用其它镍基添加料，即优选γ’-相含量在优选给定的75体积％的最大上限时为大于等于35体积％。
优选将材料IN 738、IN 738LC、IN 939、PWA 1483SX或IN 6203DS与本发明的焊接添加材料焊接。
图2示例性示出燃气轮机100的纵向截面图。该燃气轮机100的内部具有绕旋转轴102旋转安装的带轴101的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿转子103依次为进气壳体104；压缩机105；例如为环形的燃烧室110，特别是圆环状燃烧室，该燃烧室带有多个同轴安装的燃烧器107；涡轮机108和排气壳体109。圆环状燃烧室110与例如环形热气体通道111相通。那里例如4个串联的涡轮机级112构成涡轮机108。每个涡轮机级112例如由2个叶片环构成。按工作介质113的流向看，在导向叶片排115的热气体通道111中接着是由工作叶片120构成的排125。
导向叶片130固定在定子143的内部壳体138上，而排125的工作叶片120例如借助于涡轮机盘133安装在转子103上。在转子103上连接有发电机或做功机械(Arbeitsmashine)(未示出)。
燃气轮机100运行时，通过进气壳体104由压缩机105吸入并压缩空气135。在压缩机105的涡轮机侧端提供的压缩空气被导入燃烧器107，并在其中与燃料混合。然后该混合物在燃烧室110中燃烧并形成工作介质113。该工作介质113从那里沿热气体通道111流经导向叶片130和工作叶片120。工作介质113在工作叶片120上冲量转移式(impulsübertragend)膨胀，使得工作叶片120驱动转子103，并且转子103又带动在其上连接的做功机械。
在燃气轮机100运行中处于热工作介质113作用下的构件经受热负荷。除加衬圆环状燃烧室110的热屏蔽部件之外，按工作介质113的流向看的第一个涡轮机级112的导向叶片130和工作叶片120经受最大的热负荷。为耐受那里所处的温度，可用冷却剂对其进行冷却。构件的基底同样可具有取向的结构，即其为单晶(SX-结构)或仅具有纵向取向的晶粒(DS-结构)。使用例如铁基、镍基或钴基的高温合金作为构件，特别是涡轮机叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949中已知这类高温合金，这些文献中有关合金化学组成的公开内容为本公开的一部分。
导向叶片130具有面向涡轮机108的内部壳体138的导向叶片根(这里未示出)和与导向叶片根相对设置的导向叶片头。该导向叶片头面向转子103并固定在定子143的固定环140上。
图3以透视图示出涡轮机的工作叶片120或导向叶片130，其沿纵轴121伸展。所述涡轮机可以是飞机或发电站用于发电的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿纵轴121依次具有固定区400、与其相邻接的叶片平台403以及叶片页(Schaufelblatt)406和叶片尖415。叶片130在其叶片尖415上可具有另一平台(未示出)作为导向叶片130。
在固定区400中形成叶根183，该叶根用于将工作叶片120、130固定在轴或盘上(未示出)。叶根183例如设计成锤头形。也可设计成冷杉树形根基或燕尾形根基。针对流过叶片页406的介质，叶片120、130具有流入边409和流出边412。
在通常的叶片120、130情况下，在叶片120、130的所有区城400、403、406中使用例如实心金属材料，特别是高温合金。例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949中已知这类高温合金；这些文献中有关合金化学组成的公开内容为本公开的一部分。叶片120、130可通过铸造法、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来制备。
具有单晶结构的工件可用作在运行中经受高机械负荷、热负荷和/或化学负荷的机器的构件。这类单晶工件的制备例如可通过熔体的定向凝固实现。其涉及浇铸法，在该法中液态金属合金凝固为单晶结构，也即凝固为单晶工件，或者经定向凝固。这时树枝状晶体沿热流取向，并形成棒晶晶粒结构(柱状，即在工件整个长度上延伸的晶粒，按通常说法在此称为定向凝固)或单晶结构，即整个工件由单一晶体构成。在此方法中，必须避免过渡到球状(多晶)凝固，因为通过非定向生长必定形成横向和纵向的晶界，这就破坏了定向凝固构件或单晶构件的优良特性。如果一般性论及定向凝固结构，则既指不含晶界或最高含小角度晶界的单晶，也指含纵向走向的晶界但不含横向晶界的棒晶结构。在该两种晶体结构情况下均称也为定向凝固结构。由US-PS 6024792和EP0892090A1中已知这类方法，这些文献有关凝固方法的内容也是本公开的一部分。
叶片120、130也可以具有抗腐蚀或抗氧化涂层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素，并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。从EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1中已知这类合金，这些文献有关合金化学组成的内容是本公开的一部分。密度优选为理论密度的95％。在MCrAlX层(作为中间层或最外层)上形成保护性的氧化铝层(TGO＝热生长的氧化物层)。
在MCrAlX上还可存在绝热层，其宜为最外层，该绝热层例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，即其未经、部分经或完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。该绝热层覆盖整个MCrAlX层。通过合适的涂覆方法如电子束蒸发(EB-PVD)可在绝热层中产生棒状晶粒。也可应用其它涂覆方法如大气等离子体喷射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。该绝热层可含多孔的、伴随有微观裂纹或宏观裂纹的颗粒以改进耐热冲击性。因此，该绝热层优选比MCrAlX层的孔更多。
叶片120、130可设计成中空或实心的。如果该叶片120、130应被冷却，则其为中空的，并且视需要还具有膜冷却孔418(由虚线示出)。
图4示出燃气轮机100的燃烧室110。该燃烧室110例如被设计成所谓环形燃烧室，其中许多在外周方向上绕旋转轴102旋转安装的用于产生火焰156的燃烧器107接入共同的燃烧室154中。为此，该燃烧室110总体上构造为圆环状结构，该燃烧室围绕旋转轴102定位。
为达较高的效率，该燃烧室110设计成适于约1000-1600℃的较高工作介质M温度。为了在这种对材料不利的操作参数的条件下也有较长的使用寿命，在燃烧室壁153的面对工作介质M的一侧配置有由热屏蔽部件155构成的内衬。
由于燃烧室110的内部的高温，所以对热屏蔽部件155或其固定件可另外配置冷却***。该热屏蔽部件155例如是中空的，并在燃烧室腔154中还具有流入用冷却孔(未示出)。
合金制的每个热屏蔽部件155的工作介质侧均配置有特别耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)或由耐高温材料(实心陶瓷砖)制成。该保护层可类似于涡轮机叶片，即例如为MCrAlX：M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素，其代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf)。从EP 0486489B1、EP0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1中已知这类合金，这些文献有关合金化学组成的内容为本公开的一部分。
在MCrAlX上还可存在例如陶瓷绝热层，该绝热层例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，即其未经、部分经或完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。
通过合适的涂覆方法如电子束蒸发(EB-PVD)可在绝热层中产生棒状晶粒。也可应用其它涂覆方法如大气等离子体喷射法(APS)、LPPS、VPS或CVD。该绝热层可含多孔的、伴随有微观裂纹或宏观裂纹的颗粒以改进耐热冲击性。
再处理(整修)意指涡轮机叶片120、130、热屏蔽部件155在其使用后视需要必须去除保护层(例如通过喷砂)。随后去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。视需要还要修复涡轮机叶片120、130或热屏蔽部件155中的裂纹。之后再对涡轮机叶片120、130、热屏蔽部件155进行再涂覆并重新使用涡轮机叶片120、130或热屏蔽部件155。

Claims (28)

1.焊接添加材料，其含(单位为重量％)：
18.0％-20.0％铬(Cr)，特别是19％Cr，
9.0％-11.0％钴(Co)，特别是10％Co，
7.0％-10.0％钼(Mo)，特别是8.5％Mo，
2.0％-2.5％钛(Ti)，特别是2.3％Ti，
1.0％-1.7％铝(Al)，特别是1.4％Al，
0.04％-0.08％碳，特别是0.06％C，
Fe，其最大为0.5重％Fe，
任选地
0.001％-0.007％硼(B)，特别是0.005％B，
最大0.3％锰(Mn)，特别是最大0.15％Mn，
最大0.15％硅(Si)，特别是最大0.1％Si，
其余为镍。
2.权利要求1的焊接添加材料，其含最大0.15重量％的锰(Mn)。
3.权利要求1或2的焊接添加材料，其含最大0.1重量％的硅(Si)。
4.权利要求1、2或3的焊接添加材料，其含最大0.001重量％的硼(B)。
5.权利要求1、2、3或4的焊接添加材料，其由镍、铬、钴、钼、钛、铝、碳和任选性的成分铁、锰、硅、硼组成。
6.焊接添加材料用于焊接镍基材料的应用，其中应用含下列成分(单位为重量％)的焊接添加材料：
18.0％-20.0％铬(Cr)，特别是19％Cr，
9.0％-11.0％钴(Co)，特别是10％Co，
7.0％-10.0％钼(Mo)，特别是8.5％Mo，
2.0％-2.5％钛(Ti)，特别是2.3％Ti，
1.0％-1.7％铝(Al)，特别是1.4％Al，
0.04％-0.08％碳，特别是0.06％C，
任选地
0.001％-0.007％硼(B)，特别是0.005％B，
最大1.5％铁(Fe)，特别是最大0.5％Fe，
最大0.3％锰(Mn)，特别是最大0.15％Mn，
最大0.15％硅(Si)，特别是最大0.1％Si，
其余为镍。
7.权利要求6的应用，其含最大0.5重量％的铁(Fe)。
8.权利要求6或7的应用，其含最大0.15重量％的锰(Mn)。
9.权利要求6、7或8的应用，其含最大0.1重量％的硅(Si)。
10.权利要求6、7、8或9的应用，其含最大0.001重量％的硼(B)。
11.权利要求6、7、8、9或10的应用，其由镍、铬、钴、钼、钛、铝、碳和任选性的成分铁、锰、硅、硼组成。
12.权利要求6或11的应用，其中所述镍基材料含≥35体积％的γ’-相。
13.权利要求12的应用，其中γ’-相的含量最大为75体积％。
14.权利要求6或13的应用，其中所述镍基材料含IN 738或IN 738LC。
15.权利要求6或13的应用，其中所述镍基材料含Rene 80。
16.权利要求6或13的应用，其中所述镍基材料含IN 939。
17.权利要求6或13的应用，其中所述镍基材料含PWA 14835X或IN 6203DS。
18.权利要求6的应用，其中所述镍基材料与所述焊接添加材料不同。
19.用于焊接构件(1，120，130，138，155)的方法，其中使用权利要求1-5中一项或多项的焊接添加材料。
20.权利要求19的方法，其中所述构件(1，120，130，138，155)在焊接前经过时效热处理。
21.含焊接添加材料的镍基构件(1，120，130，138，155)，该焊接添加材料含(单位为重量％)：
18.0％-20.0％铬(Cr)，特别是19％Cr，
9.0％-11.0％钴(Co)，特别是10％Co，
7.0％-10.0％钼(Mo)，特别是8.5％Mo，
2.0％-2.5％钛(Ti)，特别是2.3％Ti，
1.0％-1.7％铝(Al)，特别是1.4％Al，
0.04％-0.08％碳，特别是0.06％C，
任选地
0.001％-0.007％硼(B)，特别是0.005％B，
最大1.5％铁(Fe)，特别是最大0.5％Fe，
最大0.3％锰(Mn)，特别是最大0.15％Mn，
最大0.15％硅(Si)，特别是最大0.1％Si，
其余为镍。
22.权利要求21的构件，其中所述镍基材料含≥35体积％的γ’-相。
23.权利要求21或22的构件，其中γ’-相的含量最大为75体积％。
24.权利要求21或23的构件，其中所述镍基材料含IN 738或IN 738LC。
25.权利要求21或23的构件，其中所述镍基材料含Rene 80。
26.权利要求21或23的构件，其中所述镍基材料含IN 939。
27.权利要求21或23的构件，其中所述镍基材料含PWA 1483SX或IN 6203DS。
28.权利要求21的构件，其中所述镍基材料与焊接添加材料不同。
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PB01 Publication
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