CN112453754B - 用于k418b高温合金导向器铸造缺陷的焊料及补焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的焊料及补焊方法；焊料成分及质量百分比为：C：0.03～0.07；Cr：21.5～24.0；Nb：3.2～4.2；Mo：8.5～10.5；Ti：0～0.5；Al：0～0.5；P：≤0.015；S：≤0.015；O：≤0.015；N：≤0.01；Ni：余量；补焊方法采用使用高频脉冲氩弧焊技术，辅以焊前预热、焊后缓冷和焊后焊点喷丸强化，对导向器上的铸造缺陷进行修复，可用于K418B铸造高温合金铸件缩松、缩孔、欠铸、磨损和裂纹等缺陷的补焊；焊料的焊接流动性好，焊缝成形好，补焊接头经荧光和X射线检查无裂纹、未熔合缺陷，补焊接头的室温平均强度达到885MPa，优于零件材料标准的技术要求。

Description

用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的焊料及补焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的焊料及补焊方法。

背景技术

K418B合金，是K418改型的铸造镍基高温合金。与K418合金相比，其碳和钛含量较低，室温塑性和冲击韧性有明显提高，组织稳定性更好。该合金成分较简单，价格较便宜。在900℃以下具有较高的蠕变强度、热疲劳和抗氧化性。适合于制作900℃以下工作的燃气涡轮导向叶片和转子叶片以及整铸涡轮，也可做截面较大的其他高温下用的大型铸件。但是，大尺寸且形状复杂的零件在铸造过程中，极易出现缩松、缩孔、欠铸及裂纹等缺陷，需要采用焊接技术对缺陷进行补焊。由于该合金中Al+Ti含量（wt.%）高达6.8%左右，使其铸造和焊接的凝固过程易生成（γ+γ′）共晶组织。因此在铸件焊接或补焊过程中，焊缝因易生成低熔点共晶相而具有高的结晶裂纹敏感性，同时HAZ因原始铸造组织晶界存留的共晶相易发生重熔而具有大的液化裂纹倾向。在铸态铸件的焊接加热过程中焊缝发生熔化、热影响区发生不同程度的固溶，在冷却过程及焊后热处理时焊缝和热影响区会发生时效脆化，在焊接残余应力的作用下，容易发生应变时效裂纹。即使经过均匀化处理的铸件，在焊接热作用下，焊缝和热影响区也存在发生时效脆化的倾向。

为改善K418B高温合金导向器铸件补焊时的裂纹敏感性，基于K418B合金的化学成分以及各元素在焊缝金属中的作用，设计优化了修复用焊料的成分。

另一方面，导向器为环形封闭结构，自身拘束度大，会造成大的补焊热应力和残余应力，增加焊接热裂纹和应变失效裂纹产生倾向。导向器结构复杂，包含叶片和内、外环，叶片进、排气边尺寸差异大，叶片与内、外环过渡连接处存在截面突变，不仅会造成铸件组织、成分不均匀，还会造成应力集中，增加补焊时的裂纹产生倾向。

铸件补焊裂纹的影响因素多，焊接材料、工艺参数、热处理状态、补焊部位等对裂纹的产生均有影响，不同因素之间的相互作用复杂。因此铸造高温合金导向器精铸件的补焊裂纹控制难度大，是决定补焊合格率和铸件成品率的技术关键。

研究表明喷丸强化使得裂纹的闭合水平显著增强。采用弹丸以一定速度不断撞击构件表面，使材料发生塑性变形，同时在构件表层形成残余压应力，次表层形成与之平衡的残余拉应力。垂直于裂纹扩展方向的残余压应力对裂纹的扩展起阻滞作用，采用焊后及时焊点喷丸强化有效防止裂纹扩展或者再生裂纹，提高铸件成品的合格率。

发明内容

本发明的目的是：针对以上缺陷补焊过程中的无合适焊丝可用、裂纹扩展及再生裂纹的难题，提出一种用于K418B铸造高温合金导向器缺陷的补焊方法，对应的合金补焊接头的室、高温强度高，补焊焊缝质量好且工艺实施性好。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一方面，提供一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的焊料，所述焊接材料为Ni-Cr-Nb-Mo-Ti-Al系镍基合金焊料，成分及质量百分比为：C：0.03~0.07%；Cr：21.5~24.0%；Nb：3.2~4.2%；Mo：8.5~10.5%；Ti：0~0.5%；Al：0~0.5%；P：≤0.015%；S：≤0.015%；O：≤0.015%；N：≤0.01%；余量为Ni。

进一步地，所述焊料成分及质量百分比为：C：0.03~0.07%；Cr：22.0~24.0%；Nb：3.2~4.0%；Mo：9.0~10.5%；Ti：0~0.5%；Al：0~0.5%；P：≤0.015%；S：≤0.015%；O：≤0.015%；N：≤0.01%；余量为Ni。

优选地，所述焊料成分及质量百分比为：C：0.03~0.07%；Cr：21.5~23.5.0%；Nb：3.3~4.2%；Mo：8.7~10.5%；Ti：0~0.3%；Al：0~0.3%；P：≤0.015%；S：≤0.015%；O：≤0.015%；N：≤0.01%；余量为Ni。

另一方面，提供一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的补焊方法，所述补焊方法包含以下步骤：

步骤一、焊前预热：使用陶瓷电阻加热垫对K418B铸造高温合金导向器进行局部预热，预热温度450~500℃，具体操作为：将陶瓷电阻加热垫置于导向器待焊处下方，加热垫可完全覆盖导向器待焊处，将测温电偶置于待补焊部位表面，然后将导向器待补焊部位外用石棉覆盖，采用智能温控箱进行控温；

步骤二、补焊：待预热温度达到450~500℃，然后采用高频脉冲氩弧焊设备，将焊材和基材同时熔化，逐层堆积，直至填满缺陷；

步骤三、补焊后采用石棉包裹零件，使K418B铸造高温合金导向器补焊后缓慢冷却，冷却降温速度为5~10 K/min。

所述步骤二在焊材为Φ1.0-1.4mm焊丝。

优选地，所述的补焊方法还包括预热前对表面清理的步骤：

采用手持电枪打磨去除裂纹，荧光检查清理干净，并用钢丝轮光表面，打磨面平滑过渡，最后用丙酮擦洗干净。

所述补焊过程中具体参数：脉冲电流70~85A，脉冲频率1.6Hz；连续施焊时间不超过10s，防止过热产生热裂纹；

所述的补焊方法还包括补焊后对焊点喷丸的操作。

所述焊后焊点喷丸具体参数为：弹丸材料为不锈钢弹丸，直径0.5 mm，喷嘴到试样表面的距离100 mm，喷丸压力为0.5 MPa，喷丸时间为10 min。

本发明的有益效果是：

本发明焊料的成分设计思路如下：

Al和Ti：对于铸造镍基高温合金，Al、Ti元素的添加，能够促进γ′相的形成，从而有助于提高合金的高温性能，但也导致了严重的焊接裂纹敏感性，故焊料中Al、Ti含量均不宜超过0.5%。

Cr：Cr元素在合金中的存在，对于镍基高温合金的抗氧化、抗腐蚀性能有着非常重要的作用。一定的Cr含量可以使镍基高温合金表面形成致密而粘附性好的Cr₂0₃保护膜。Cr的存在，可以引起γ相基体的晶格畸变，使弹性应力场强化，从而提高合金的室高温强度，达到固溶强化的目的。同时，Cr的加入，还能降低Ni的层错能，随着层错能的减小，蠕变速度降低，蠕变抗力增加，从而提高合金的蠕变持久性能，故在焊料中提高Cr含量至21.5~24.0%。

Mo：Mo属于难熔元素。Mo是对镍基合金的高温强度有益的元素之一，与其他难熔金属如Re相比具有密度小、成本低的优势。Mo属于固溶强化元素，不但能强化γ相，还能有效强化γ′相。Mo在γ相和γ′相中都有较高的固溶度，且Mo的熔点高，高温下在γ和γ′中的扩散系数小，Mo的添加可提高合金的高温组织稳定性，故在焊料中提高Mo含量至8.5~10.5%。

Nb：Nb也属于难熔元素，Nb元素既能进入γ′相，又进入γ基体，约80~90%进入γ′相，改变矿相的组成，提高γ′相数量和γ′相的溶解度，增大γ相和γ′相的晶格错配度，并增加γ′相的反向畴界能，相应提高合金的抗蠕变性能；Nb溶入γ奥氏体，可以使Cr、Co和Mo的溶解度增大，使合金的组织稳定性增大，同时由于其原子半径比Ni大，形成的弹性应力场对位错运动构成更大的阻力，降低γ相的堆垛层错能，使γ相的蠕变性能明显提高，而且Nb能明显改善抗氧化抗腐蚀性能，故在焊料中提高Nb含量至3.2~4.2%。

（1）本发明的技术方案中关于Ni-Cr-Nb-Mo-Ti-Al系合金焊料，Al为α稳定元素，起到固溶强化作用，使焊料具有α钛合金的热强性和良好的焊接性，但过多的Al含量会形成Ti-Al金属间化合物导致材料变脆，中性元素Zr和β稳定元素Mo和V使得焊料具有良好的工艺塑性，因此该焊料具有优良的室温塑性，可实现K418B合金铸件的良好补焊，焊后接头的室温平均强度达到885MPa，优于零件材料标准的技术要求；

（2）本技术方案的焊料熔化后流动性良好，焊接过程中无飞溅，焊缝成型良好、美观，脉冲氩弧焊补焊工艺性好；

（3）采用高频脉冲氩弧焊技术，相对于常规氩弧焊可有效防止因热输入过大导致瞬时温度梯度过大而造成的应力开裂；

（4）采用焊点喷丸强化，材料发生塑性变形，同时在构件表层形成残余压应力，有效抑制内部裂纹扩展。

（5）补焊效果好，补焊区域经过X射线和荧光探伤方法进行无损检测，未发现裂纹和未熔合等缺陷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中用于K418B铸造高温合金导向器缺陷的焊料典型成分如下：

具体成分1（wt%，）：C：0.05；Cr：22.2；Nb：3.7；Mo：9.4；Ti：0.1；Al：0.1；P：0.012；S：0.009；O：0.011；N：0.009；Ni：余量。

具体成分2（wt%，）：C：0.05；Cr：23.1；Nb：3.5；Mo：10.1；Ti：0.1；Al：0.1；P：0.012；S：0.007；O：0.010；N：0.009；Ni：余量。

具体成分3（wt%，）：C：0.05；Cr：22.1；Nb：3.9；Mo：9.8；Ti：0.1；Al：0.1；P：0.011；S：0.007；O：0.010；N：0.009；Ni：余量。具体成分4（wt%，）：C：0.05；Cr：22.7；Nb：3.5；Mo：9.2；Ti：0.1；Al：0.1；P：0.010；S：0.007；O：0.010；N：0.009；Ni：余量。

具体成分5（wt%，）：C：0.05；Cr：22.6；Nb：3.6；Mo：9.1；Ti：0.1；Al：0.1；P：0.010；S：0.007；O：0.010；N：0.009；Ni：余量。

上述各组成分的焊料，补焊后均满足X射线和荧光检测要求，补焊处无未熔合、裂纹缺陷。结合具体成分2的焊料详细描述本发明的补焊方法步骤如下：

（1）制备焊接材料。焊接材料为Ni-Cr-Nb-Mo-Ti-Al系镍基合金焊料，其成份为上述具体成分2。采用真空自耗熔炼方法将此合金原料熔炼成合金锭，再采用锻造-轧制-拉拔工艺制成Φ1.2mm丝材。

（2）修复前表面清理。采用手持电枪打磨去除裂纹，荧光检查清理干净，并用钢丝轮抛光表面，要求打磨面尽可能平整过渡，最后用丙酮擦洗干净。

（3）焊前预热。使用陶瓷电阻加热垫对K418B铸造高温合金导向器进行局部预热，预热温度450~500℃，将陶瓷电阻加热垫置于导向器待焊处下方，加热垫可完全覆盖导向器待焊处，将测温电偶置于待补焊部位表面，然后将导向器待补焊部位外用石棉覆盖，采用智能温控箱进行控温。

（4）补焊。待预热温度达到450~500℃，然后采用高频脉冲氩弧焊设备，将焊丝和基材同时熔化，逐层堆积直至填满缺陷。补焊最佳参数：脉冲电流70~85A，脉冲频率1.6Hz；补焊过程中连续施焊时间不超过10s，防止过热产生热裂纹；补焊后继续采用石棉包裹零件，以使导向器补焊后能够缓慢冷却，以达到5~10 K/min的降温速度为宜。

（5）补焊后采用石棉包裹零件，使K418B铸造高温合金导向器补焊后缓慢冷却。

（6）焊后焊点喷丸。对焊点部位进行喷丸，弹丸材料为不锈钢弹丸，直径0.5 mm，喷嘴到试样表面的距离100 mm，喷丸压力为0.5 MPa，喷丸时间为10 min。

（7）目视检查及测量。裂纹缺陷位置均已补焊，游标卡尺测量留有0.3~0.5mm的加工余量。

（8）打磨加工。采用手工打磨的方式加工补焊区域，目视检查补焊位置与周围基体基本齐平。

（9）无损检测。采用X射线和荧光探伤方法，对补焊区域进行检查；要求无裂纹和未熔合缺陷。

在另一个实施例中，K418B铸造高温合金导向器铸件无损检测可见裂纹的补焊过程如下：

经X射线和荧光检查，发现弧罩上出现4处裂纹缺陷，长度分别为10mm和15mm，且荧光不可见，为内部缺陷。

采用上述具体组分5的Ni-Cr-Nb-Mo-Ti-Al系镍基合金作为焊接材料，修复前使用荧光检测确定裂纹位置，再使用手动打磨枪去除裂纹，随后在450℃整体预热和背部氩气保护条件下，采用脉冲氩弧焊对4处缺陷进行补焊，脉冲电流78A，脉冲时间1.6Hz，补焊完成后在石棉包裹条件下以5~10 K/min的降温速度冷却至室温，随后手工打磨补焊余高，随目视检查与周围基体平齐，后进行焊点喷丸，喷丸后经X射线和荧光检测，补焊处无未熔合、裂纹缺陷。

与现有技术相比，采用本发明技术方案修复的导向器铸件经无损检测无裂纹和未熔合缺陷，且过程操作方便，工艺稳定，重复性好，技术成熟。可进行推广使用。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的焊料，其特征在于：所述焊料为Ni-Cr-Nb-Mo-Ti-Al系镍基合金焊料，成分及质量百分比为：C：0.03~0.07%；Cr：22.6~24.0%；Nb：3.3~3.9%；Mo：9.8~10.5%；0＜Ti≤0.1；0＜Al≤0.1；0.010≤P≤0.015%；0.007≤S≤0.015%；0.010≤O≤0.015%；0.009≤N≤0.01%；余量为Ni。

2.一种用于K418B高温合金导向器铸造缺陷的补焊方法，利用权利要求1所述的焊料，所述补焊方法包含以下步骤：

步骤一、焊前预热：使用陶瓷电阻加热垫对K418B铸造高温合金导向器进行局部预热，预热温度450~500℃，具体操作为：将陶瓷电阻加热垫置于导向器待焊处下方，加热垫可完全覆盖导向器待焊处，将测温电偶置于待补焊部位表面，然后将导向器待补焊部位外用石棉覆盖，采用智能温控箱进行控温；

步骤二、补焊：待预热温度达到450~500℃，然后采用高频脉冲氩弧焊设备，将焊材和基材同时熔化，逐层堆积，直至填满缺陷；

步骤三、补焊后采用石棉包裹零件，使K418B铸造高温合金导向器补焊后缓慢冷却，冷却降温速度为5~10 K/min。

3.根据权利要求2所述的补焊方法，其特征在于：所述步骤二在焊材为Φ1.0-1.4mm焊丝。

4.根据权利要求2所述的补焊方法，其特征在于：所述补焊方法还包括补焊后对焊点喷丸的操作。

5.根据权利要求2所述的补焊方法，其特征在于：所述补焊方法还包括预热前对表面清理的步骤：

采用手持电枪打磨去除裂纹，荧光检查清理干净，并用钢丝轮抛光表面，打磨面平滑过渡，最后用丙酮擦洗干净。

6.根据权利要求2所述的补焊方法，其特征在于：补焊过程中具体参数为：脉冲电流70~85A，脉冲频率1.6Hz；连续施焊时间不超过10s。

7.根据权利要求4所述的补焊方法，其特征在于：焊后焊点喷丸具体参数为：弹丸材料为不锈钢弹丸，直径0.5 mm，喷嘴到试样表面的距离100 mm，喷丸压力为0.5 MPa，喷丸时间为10 min。