CN106903453B - 合金、焊接制品及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种合金，所述合金包含以重量计约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽和余量钴。该合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。本发明还公开包括制品和结合到制品的焊接填料沉积物的焊接制品。焊接填料沉积物包括包含合金的焊接填料。本发明还公开一种焊接方法，所述方法包括将焊接填料施加到制品，并形成焊接填料沉积物。
Description
发明领域
本发明涉及合金、焊接制品和焊接方法。更具体地讲，本发明涉及合金、加入合金的焊接制品和使用合金的焊接方法，其中合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。
发明背景
难焊接(HTW)合金，例如镍基超合金和某些铝钛合金，由于其γ'相和各种几何限制，易于发生γ'相应变老化、熔融和热破裂。在γ′相以大于约30%体积分数存在时，这些材料还难以结合，这可在铝或钛含量超过约3%时发生。本文所用“HTW合金”为显示熔融、热和应变老化破裂且因此实际上难以焊接的合金。
这些HTW合金可加入涡轮发动机的组件，例如，翼片、叶片、带冠叶片、导叶、叶冠、施加到带冠涡轮叶片的冠间接触表面(inter-shroud contact surface)的接触垫板(contact pad)、燃烧器、旋转涡轮机组件、轮、密封、具有HTW合金的3d制造组件及其它热气通道组件。本文所用“叶片”(blade)与“动叶”(bucket)同义，“叶轮”(vane)与“导叶”(nozzle)同义。由于通常优良的操作性能，特别是对于经历最极端条件和应力的某些组件，加入这些HTW合金可能合乎需要。
带冠叶片通常由镍基超合金或设计在高温保持高强度的其它高温超合金制成。叶冠和互锁凹口的材料可能缺乏足够硬度，以致于不能经受在涡轮发动机启动和关闭期间在带冠叶片分别扭转到“互锁”和“非互锁”位置时发生的磨损应力和摩擦。由于叶冠和互锁凹口的典型材料的相对低洛氏硬度，互锁可能磨损，在叶冠之间产生缝隙口，从而使翼片扭转并进一步变形，甚至可能在工作期间非常不期望的振动，由此对叶片传递额外较高应力，这可很快引起叶片破裂，随之发生涡轮机故障。可将接触垫板加到互锁凹口的冠间接触表面，以恢复磨损互锁凹口的互锁能力。然而，在接触垫板和冠间接触表面之一或二者加入HTW合金时，使用期望的焊接技术将接触垫板结合到冠间接触表面不切实际，所述焊接技术例如气体钨极弧焊、保护金属极弧焊、等离子弧焊、激光束焊接和电子束焊接。
发明概述
在一个示例性实施方案中，合金包含以重量计约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽和余量钴。该合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。
在另一个示例性实施方案中，焊接制品包括制品和结合到制品的焊接填料沉积物。焊接填料沉积物包括焊接填料。焊接填料包括合金，其中合金包含以重量计约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽和余量钴。
在另一个示例性实施方案中，焊接方法包括将焊接填料施加到制品，并形成包含焊接填料的焊接填料沉积物。焊接填料沉积物结合到制品。焊接填料包括合金，其中合金包含以重量计约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽和余量钴。
通过以下优选实施方案的更详细描述并结合附图，本发明的其它特征和优点将显而易见，这些附图以实例说明本发明的原理。
本发明包括以下方面：
方面1. 一种合金，所述合金以重量计包含：
约13%重量至约17%重量铬；
约16%重量至约20%重量钼；
约1.5%重量至约4%重量硅；
约0.7%重量至约2%重量硼；
约0.9%重量至约2%重量铝；
约23%重量至约27%重量镍；
约0.8%重量至约1.2%重量钽；和
余量钴；
其中合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。
方面2. 方面1的合金，所述合金进一步包含以重量计小于约2.5%重量铁。
方面3. 方面1的合金，所述合金进一步包含以重量计小于约2.5%重量伴随杂质。
方面4. 方面1的合金，其中合金以重量计包含：
约15%重量铬；
约18%重量钼；
约2.5%重量硅；
约1.2%重量硼；
约1.2%重量铝；
约25%重量镍；和
约1%重量钽。
方面5. 方面1的合金，所述合金由以下组成：
约13%重量至约17%重量铬；
约16%重量至约20%重量钼；
约1.5%重量至约4%重量硅；
约0.7 %重量至约2%重量硼；
约0.9%重量至约2%重量铝；
约23%重量至约27%重量镍；
约0.8%重量至约1.2%重量钽；
小于约2.5%重量铁；
小于约2.5%重量伴随杂质；和
余量钴。
方面6. 方面5的合金，所述合金由以下组成：
约15%重量铬；
约18%重量钼；
约2.5%重量硅；
约1.2%重量硼；
约1.2%重量铝；
约25%重量镍；
约1%重量钽；
小于约2.5%重量铁；
小于约2.5%重量伴随杂质；和
余量钴。
方面7. 一种焊接制品，所述焊接制品包括：
制品；和
结合到制品的焊接填料沉积物，所述焊接填料沉积物包括焊接填料，所述焊接填料包含合金，所述合金包含：
约13%重量至约17%重量铬；
约16%重量至约20%重量钼；
约1.5%重量至约4%重量硅；
约0.7%重量至约2%重量硼；
约0.9%重量至约2%重量铝；
约23%重量至约27%重量镍；
约0.8%重量至约1.2%重量钽；和
余量钴。
方面8. 方面7的焊接制品，其中所述制品包括难焊接(HTW)合金。
方面9. 方面8的焊接制品，其中所述HTW合金选自René 108、GTD 111、GTD 444、René N2、René N5、Inconel 738和T800。
方面10. 方面7的焊接制品，其中制品为涡轮机组件。
方面11. 方面10的焊接制品，其中所述焊接填料沉积物为接触垫板，所述涡轮机组件为包括冠间接触表面的带冠涡轮叶片，且所述接触垫板结合到所述冠间接触表面。
方面12. 方面11的焊接制品，其中所述冠间接触表面包括难焊接(HTW)合金。
方面13. 一种焊接方法，所述焊接方法包括：
将焊接填料施加到制品；并且
形成包含焊接填料的焊接填料沉积物，所述焊接填料沉积物结合到制品，所述焊接填料包含合金，所述合金包含：
约13%重量至约17%重量铬；
约16%重量至约20%重量钼；
约1.5%重量至约4%重量硅；
约0.7%重量至约2%重量硼；
约0.9%重量至约2%重量铝；
约23%重量至约27%重量镍；
约0.8%重量至约1.2%重量钽；和
余量钴。
方面14. 方面13的焊接方法，其中将焊接填料施加到制品包括使焊接填料焊接到难焊接(HTW)合金。
方面15. 方面13的焊接方法，其中将焊接填料施加到制品包括使焊接填料焊接到作为制品的涡轮机组件。
方面16. 方面15的焊接方法，其中将焊接填料施加到涡轮机组件包括形成接触垫板，作为焊接填料沉积物的接触垫板结合到作为涡轮机组件的带冠涡轮叶片的冠间接触表面。
方面17. 方面13的焊接方法，其中将焊接填料施加到制品包括使焊接填料在室温施加到制品。
方面18. 方面13的焊接方法，所述焊接方法进一步包括在制品中形成裂缝，所述裂缝由小于约0.03英寸长的微裂缝组成。
方面19. 方面13的焊接方法，其中将焊接填料施加到制品包括选自以下至少一种的焊接技术：气体钨极弧焊、保护金属极弧焊、等离子弧焊、激光束焊接和电子束焊接。
方面20. 方面13的焊接方法，其中将焊接填料施加到制品包括使焊接填料连续多程施加到制品。
附图简述
图1为本公开的一个实施方案的焊接制品的透视图。
图2为本公开的一个实施方案的图1的区域2的放大视图。
只要可能，在整个图中相同的附图标记表示相同的部件。
发明详述
本发明提供示例性合金、焊接制品和焊接方法。与不利用一个或多个本文所公开特征的制品和方法比较，本公开的实施方案减少成本，提高过程控制，提高可修补性，改善机械性能，改善高温性能，提高可焊接性，减少破裂，减少过程时间，提高结合强度或其组合。
在一个实施方案中，合金(也称为“该合金”)包含以重量计约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽和余量钴。该合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。该合金可包含小于约2.5%铁。
硅化钼Laves相包括高耐热性(2840℉熔点)和材料强度，从而在一些HTW合金中得到耐磨性和耐高温性。然而，硅化钼Laves相的硬度和脆度也可贡献一些HTW合金的不良焊接性。
在另一个实施方案中，合金包含小于约2.5%伴随杂质，或者小于约2%，或者小于约1.5%，或者小于约1%，或者小于约0.5%，或者小于约0.25%。本文所用“伴随杂质”是指合金中除铬、钼、硅、硼、铝、铁、镍、钽和钴以外的任何元素的累积内含物。另外，“伴随杂质”不包括由于合金表面氧化在合金上布置的表面氧化层中存在的任何氧。
在另一个实施方案中，合金包含以重量计约14%重量至约16%重量铬、约17%重量至约18%重量钼、约2%重量至约3%重量硅、约1%重量至约1.5%重量硼、约1%重量至约1.5%重量铝、约24%重量至约26%重量镍、约0.9%重量至约1.1%重量钽和余量钴。该合金可包含小于约2%铁。在另一个实施方案中，合金包含小于约2.5%伴随杂质，或者小于约2%，或者小于约1.5%，或者小于约1%，或者小于约0.5%，或者小于约0.25%。
在另一个实施方案中，合金包含以重量计约15%重量铬、约18%重量钼、约2.5%重量硅、约1.2%重量硼、约1.2%重量铝、约25%重量镍、约1%重量钽和余量钴。该合金可包含小于约1.5%铁。在另一个实施方案中，合金包含小于约2.5%伴随杂质，或者小于约2%，或者小于约1.5%，或者小于约1%，或者小于约0.5%，或者小于约0.25%。
在一个实施方案中，合金以重量计由以下组成：约13%重量至约17%重量铬、约16%重量至约20%重量钼、约1.5%重量至约4%重量硅、约0.7%重量至约2%重量硼、约0.9%重量至约2%重量铝、约23%重量至约27%重量镍、约0.8%重量至约1.2%重量钽、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量铁、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量或小于约1%重量或小于约0.5%重量或小于约0.25%伴随杂质和余量钴。
在另一个实施方案中，合金以重量计由以下组成：约14%重量至约16%重量铬、约17%重量至约18%重量钼、约2%重量至约3%重量硅、约1%重量至约1.5%重量硼、约1%重量至约1.5%重量铝、约24%重量至约26%重量镍、约0.9%重量至约1.1%重量钽、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量铁、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量或小于约1%重量或小于约0.5%重量或小于约0.25%伴随杂质和余量钴。
在另一个实施方案中，合金以重量计由以下组成：约15%重量铬、约18%重量钼、约2.5%重量硅、约1.2%重量硼、约1.2%重量铝、约25%重量镍、约1%重量钽、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量铁、小于约2.5%重量或小于约2%重量或小于约1.5%重量或小于约1%重量或小于约0.5%重量或小于约0.25%伴随杂质和余量钴。
参考图1和2，在一个实施方案中，焊接制品100包括制品102和结合到制品102的焊接填料沉积物104。焊接填料沉积物104包括焊接填料106。焊接填料106包括合金，并且可由合金组成。
在一个实施方案中，制品102包括HTW合金。HTW合金可以为任何适合HTW合金，包括但不限于GTD 111、GTD 444、INCONEL 738、René 108、René N2、René N5或T800。
本文所用“GTD 111”指包括以重量计约14%重量铬、约9.5%重量钴、约3.8%重量钨、约4.9%重量钛、约3%重量铝、约0.1%重量铁、约2.8%重量钽、约1.6%重量钼、约0.1%重量碳和余量镍的组成的合金。
本文所用“GTD 444”指包括以重量计约7.5%重量钴、约0.2%重量铁、约9.75%重量铬、约4.2%重量铝、约3.5%重量钛、约4.8%重量钽、约6%重量钨、约1.5%重量钼、约0.5%重量铌、约0.2%重量硅、0.15%重量铪和余量镍的组成的合金。
本文所用“INCONEL 738”指包括以重量计约0.17%重量碳、约16%重量铬、约8.5%重量钴、约1.75%重量钼、约2.6%重量钨、约3.4%重量钛、约3.4%重量铝、约0.1%重量锆、约2%重量铌和余量镍的组成的合金。
本文所用“René 108”指包括以重量计约8.4%重量铬、约9.5%重量钴、约5.5%重量铝、约0.7%重量钛、约9.5%重量钨、约0.5%重量钼、约3%重量钽、约1.5%重量铪和余量镍的组成的合金。
本文所用“René N2”指包括以重量计约7.5%重量钴、约13%重量铬、约6.6%重量铝、约5%重量钽、约3.8%重量钨、约1.6%重量铼、约0.15%重量铪和余量镍的组成的合金。
本文所用“René N5”指包括以重量计约7.5%重量钴、约7.0%重量铬、约6.5%重量钽、约6.2%重量铝、约5.0%重量钨、约3.0%重量铼、约1.5%重量钼、约0.15%重量铪和余量镍的组成的合金。
本文所用“T800”，也称为“TRIBALOY® T-800”，指包括以重量计约16%重量铬、约28%重量钼、约3.4%重量硅、约3%重量镍和铁及余量钴的组成的合金。
焊接制品100可以为任何适合制品，包括但不限于涡轮机组件。燃气涡轮机组件可包括但不限于翼片、叶片、带冠叶片、导叶、带冠涡轮叶片108、燃烧器、旋转涡轮机组件、轮、密封、热气通道组件或其组合。在一个实施方案中(显示于图1和2)，制品102为包括冠间接触表面110的带冠涡轮叶片108，焊接填料沉积物104为接触垫板112，且接触垫板112结合到冠间接触表面110。在另一个实施方案中，冠间接触表面包括HTW合金。
在一个实施方案中，焊接方法包括将焊接填料106施加到制品102，并形成结合到制品102的焊接填料沉积物104。焊接填料沉积物104包括焊接填料106，焊接填料106包含所述合金。在另一个实施方案中，焊接填料106由所述合金组成。
将焊接填料106施加到制品102可包括任何适合焊接技术，包括但不限于以下至少一种：气体钨极弧焊、保护金属极弧焊、等离子弧焊、激光束焊接和电子束焊接。焊接填料106可以相同焊接技术或不同焊接技术连续多程施加。
焊接方法可进一步包括精整焊接填料沉积物104。可应用任何适合的精整技术，包括但不限于加热、抛光、刷、研磨、锤击、化学处理或其组合。
焊接过程可在室温进行，这意味着，不考虑焊接技术本身引起的任何热变化，制品102在约10℃和约35℃之间，或者在约15℃和约30℃之间，或者在约18℃和约25℃之间，且在焊接过程准备中不预热制品102。
在焊接过程期间，可能在制品102中形成裂缝。在一个实施方案中，在焊接过程期间形成的裂缝由小于约0.05英寸长的微裂缝组成，或者小于约0.04英寸长，或者小于约0.03英寸长，或者小于约0.02英寸长，或者小于约0.01英寸长。
虽然已关于优选的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应理解，可在不脱离本发明的范围下进行各种变化，并可用等价物代替其要素。另外，可在不脱离本发明的基本范围下作出很多修改，以使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于预期作为实施本发明的最佳方式而公开的具体实施方案，但本发明应包括落在所附权利要求范围内的所有实施方案。
Claims (10)
1.一种合金，所述合金以重量计包含：
13%重量至17%重量铬；
16%重量至20%重量钼；
1.5%重量至4%重量硅；
0.7%重量至2%重量硼；
0.9%重量至2%重量铝；
23%重量至27%重量镍；
0.8%重量至1.2%重量钽；和钴；
其中合金相对于T800包含减少的硅化钼Laves相出现。
2.权利要求1的合金，所述合金进一步包含以重量计小于2.5%重量铁。
3.权利要求1的合金，所述合金进一步包含以重量计小于2.5%重量伴随杂质。
4.权利要求1的合金，其中合金以重量计包含：
15%重量铬；
18%重量钼；
2.5%重量硅；
1.2%重量硼；
1.2%重量铝；
25%重量镍；和
1%重量钽。
5.一种焊接制品(100)，所述焊接制品(100)包括：
制品(102)；和
结合到制品(102)的焊接填料沉积物(104)，所述焊接填料沉积物(104)包括焊接填料(106)，所述焊接填料(106)包含合金，所述合金包含：
13%重量至17%重量铬；
16%重量至20%重量钼；
1.5%重量至4%重量硅；
0.7%重量至2%重量硼；
0.9%重量至2%重量铝；
23%重量至27%重量镍；
0.8%重量至1.2%重量钽；和钴。
6.权利要求5的焊接制品(100)，其中所述制品(102)包括难焊接(HTW)合金。
7.权利要求5的焊接制品(100)，其中所述焊接填料沉积物(104)为接触垫板(112)，所述制品(102)为包括冠间接触表面(110)的带冠涡轮叶片(108)，且所述接触垫板(112)结合到所述冠间接触表面(110)。
8.一种焊接方法，所述焊接方法包括：
将焊接填料(106)施加到制品(102)；并且
形成包含焊接填料(106)的焊接填料沉积物(104)，所述焊接填料沉积物(104)结合到制品(102)，所述焊接填料(106)包含合金，所述合金包含：
13%重量至17%重量铬；
16%重量至20%重量钼；
1.5%重量至4%重量硅；
0.7%重量至2%重量硼；
0.9%重量至2%重量铝；
23%重量至27%重量镍；
0.8%重量至1.2%重量钽；和钴。
9.权利要求8的焊接方法，所述焊接方法进一步包括在制品(102)中形成裂缝，所述裂缝由小于0.03英寸长的微裂缝组成。
10.权利要求8的焊接方法，其中将焊接填料(106)施加到制品(102)包括选自以下至少一种的焊接技术：气体钨极弧焊、保护金属极弧焊、等离子弧焊、激光束焊接和电子束焊接。
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