專利名稱：焊接超級合金產品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于難以焊接的超級合金產品的焊接方法。
隨著噴氣發(fā)動機部件的發(fā)展，由于噴氣發(fā)動機中的部件需要在高溫環(huán)境下工作，因此人們對提高其經受高溫的能力的要求越來越高。今天的高壓渦輪機葉片和輪葉經受極端惡劣的高溫環(huán)境(例如，高于2000°F)。這些噴氣發(fā)動機部件可能在部件制造過程中或者在了解發(fā)動機操作后需要焊接并且由于出現(xiàn)磨損和裂紋而需要修補。
由于存在高溫要求，因此這些部件通常是由包含一種γ相的超級合金制成的。諸如R′80的γ相淀積硬化合金所具有的一個特別的問題是，不能在不遇到裂紋和不產生很多次品的情況下將這些合金焊接或者鍍覆在同樣的或者類似的合金上。
由于焊接溫度以及所涉及的應力，因此合金會遇到收縮、應力裂紋等。由于難以對這些特殊的超級合金進行焊接，因此需要一種能夠在不產生裂紋的情況下相容地將γ相淀積硬化合金與類似地或者母體金屬合金焊接在一起的方法。美國專利US 5,106,010和US 5,374,319披露了這樣一種方法，其中將焊接區(qū)域和與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域預熱到一個可延展溫度并且在焊接和凝固過程中維持這樣的溫度。美國專利US 5,554,837披露了一種能夠使再生產性能達到最大并且使次品和廢品達到最少同時能夠提高被焊接部件的產量的交互式激光焊接方法。盡管這些方法能夠使在許多合金中的裂紋最小化，但是人們需要對這樣的方法進行改進。
發(fā)明概述概括地講，本發(fā)明提供一種用于焊接鎳和/或鈷基超級合金產品的方法，該方法包括將該產品的整個焊接區(qū)域和與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域預熱到一個最大可延展溫度范圍并且在焊接和焊縫凝固過程中維持這樣的溫度；以及使被焊接的產品溫度升至應力消除溫度，隨后最好以每分鐘至少100°F(55℃)的冷卻速度將被焊接的產品冷卻到γ相淀積硬化范圍以下以使γ相淀積最小化。
附圖的簡要說明

圖1示出了可用于實施激光焊接方法的激光焊接系統(tǒng)。
圖2是表示IN 738 LC的廷展性(δ)相對于溫度的高溫抗張強度數(shù)據(jù)。
圖3是表示Rene 80的廷展性(δ)相對于溫度的高溫抗張強度數(shù)據(jù)。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供一種焊接超級合金產品的方法，所述超級合金產品特別涉及氣輪機部件，包括葉片、輪葉和轉子。所述超級合金是難以用現(xiàn)有技術的方法進行焊接的鎳和/或鈷基超級合金。這些超級合金包括γ相鎳基淀積硬化合金和碳化物強化鈷基合金的等軸、定向凝固的和單晶的合金。通常，γ相淀積強化超級合金包含總量至少為5％的鈦和鋁。適合的超級合金包括R′80、DSR′80h、R′108、IN 738 LC、R′125 Hf、DSR′142、R′N4、R′N5、Mar-M-247DS、In 792Hf、CMSX-4和In738LC。在表1中列出了一些這樣的超級合金的公稱成分。
在定向凝固(DS)合金中，加入作為晶界增強劑的微量元素。所述晶界增強劑一般包括碳化物和硼化物，通常包括鎢和鉭。當用常規(guī)工序對這些合金進行激光焊接時，具有在晶界處形成微裂紋的常見問題。晶界的金相成分能夠使它們在比基底材料的殘余部分低的溫度下熔化。如果接著過于迅速地使晶界冷卻，它們會開裂。焊接試樣的金相評價已顯示，用常規(guī)的CO2激光器參數(shù)焊接的零件在晶界處會出現(xiàn)微裂紋。在某些情況中所述微裂紋是小的。但在其他情況中，所述微裂紋斷裂開并完全貫穿新的焊縫。較大的裂紋通?？杀粏为毿扪a。但是，經驗表明，通常在一個特定的部件上焊接的次數(shù)越多，產生附加的裂紋的可能性越大。裂紋的可能性增大是由初始激光焊接工序導致的，初始激光焊接工序在晶界處產生微裂紋。即使微裂紋初始沒有擴散，但是它們作為裂紋初始位置而存在并且在后面的焊接或者熱處理操作中使微裂紋擴大的可能性非常大。
最好利用一種感應加熱線圈對超級合金產品(例如，輪葉或者葉片)進行預熱。在該預熱階段，利用感應加熱線圈將超級合金產品的整個焊接區(qū)域和與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域加熱到一個最大延展溫度范圍。一種特定的合金在最大延展溫度范圍具有最大的延展性并且最大延展溫度范圍高于時效溫度但低于起始熔化溫度。通過評估高溫抗張強度試驗數(shù)據(jù)確定每一種特定的合金的最大延展溫度范圍，所述最大延展溫度范圍是這樣一個溫度范圍，即，合金在該溫度范圍的延展性遠大于該合金在環(huán)境溫度下的延展性?？衫谩癎leeble”型試驗設備測量該數(shù)據(jù)，“Gleeble”型試驗設備是由Dynamic System Inc.制造的，在由N.Czech等人撰寫的“Evaluationof the Weldability of the Gas Turbine Blade Materials In738LC andRene 80”的文章(Proceedings from Materials Solutions′97 onJoining and Repair of Gas Turbine Components，15-18 September1997，pages 7-10)中對“Gleeble”型試驗設備進行了概述。該方法關鍵在于，在焊接過程中將部件溫度嚴格地控制在該溫度范圍內。在圖2中，IN 738 LC的高溫抗張強度數(shù)據(jù)表示了該合金的最大可延展溫度范圍為1800°F至1900°F(980℃至1040℃)，在圖3中的數(shù)據(jù)表示Rene 80的最大可延展溫度范圍為1925°F至2100°F(1050℃至1150℃)。圖2和圖3中的數(shù)據(jù)是根據(jù)N.Czech等人的文章得到的。圖2和圖3中的高溫抗張強度數(shù)據(jù)驗證了，在低于或者高于該最佳范圍的溫度下，合金的延展性會大大地降低。發(fā)現(xiàn)該最大可延展溫度范圍通常在1400°F至2100°F(760℃至1150℃)的范圍內。
該方法關鍵在于，在進行焊接/鍍覆之前、過程中和之后保持熱平衡，使穿過焊接/相鄰基底金屬的熱梯度不太嚴重，從而減少了殘余應力和接著可能出現(xiàn)的裂紋。熱梯度的減小降低了由于在熱影響區(qū)上的焊接所產生的熱沖擊，即，該方法對熱影響區(qū)進行“重新設置”使之遠離熔合線。由于整個焊接區(qū)域和相鄰區(qū)域被預熱到淀積硬化溫度以上，因此這能夠產生一種均勻的熱分布，從而能夠消除收縮以及所產生的殘余應力，殘余應力通常集中在較弱的熱影響區(qū)上。整個焊接區(qū)域和相鄰區(qū)域經受熱收縮，這是由于時效反應以及由時效反應所產生的殘余應力分布在相當大的區(qū)域上，不是僅僅集中在焊點中。
利用感應加熱將整個焊接區(qū)域和與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域加熱到延展溫度。與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域至少大到足以包圍熱影響區(qū)的程度，最好大于熱影響區(qū)。熱影響區(qū)被定義為，基底金屬中還沒有熔化的部分，但是其機械性能或者微觀結構已經在焊接熱量的作用下發(fā)生改變(見Metals Handbook Ninth Edition，Volume 6，ASM，1983)。該被加熱的相鄰區(qū)域與焊縫之間的距離一般至少在0.25英寸，最好為0.5英寸至1英寸的范圍內。
在產品被預熱到所需溫度后，提供激光器和粉末供給源以準備焊接。來自于激光器的輻射形成一個小基體熔池，來自于粉末供給源的粉末分散在熔池上并且利用激光束使所述粉末被焊接(鍍覆)在部件上。利用激光束的輻射、由感應線圈所提供的熱能以及激光束和產品之間的相對移動來精密地控制凝固過程以控制熱量和所產生的應變和應力，從而在凝固過程中和之后形成無裂紋焊縫。在操作過程中，產品焊接區(qū)域被一種惰性氣體(例如，氬或氦)包圍以便在加熱和焊接過程中使基底超級合金和填充金屬合金粉末的氧化和氧化物雜質達到最少。
不管來自于激光束的附加熱量，在整個過程中仍然利用帶有用于控制感應加熱器的反饋電壓回路(inferometer)的光學高溫計控制焊接區(qū)域的溫度。該部件在最大延展溫度范圍中被預熱并且不管局部焊接熱量輸入在焊接和凝固過程中使該部件保持在該溫度范圍中。另外，inferometer(反饋回路)在焊接之前控制溫度上升速度(加熱速度)以及在完成焊接之后的溫度下降速度(冷卻速度)。該預熱過程減少了用于焊接所產生的應力和裂紋并且利用一種粉末合金供給源使基底超級合金產品被激光焊接(鍍覆)，所述粉末合金供給源也包括一種超級合金，即，一種γ相淀積強化超級合金。最好，可使用一種與超級合金產品的合金基本上相同的粉末合金。當利用一種γ相強化合金焊接一種定向凝固超級合金時，由于容易沿著晶界產生裂紋，因此特別需要減少由此產生的應力和裂紋。
在焊接工序完成后但在冷卻之前，焊接區(qū)域被加熱至高到足以完全消除應力的溫度。應力消除溫度通常在1900°F至2100°F(1040℃至1150℃)的范圍內，視特定的合金而定。焊接區(qū)域在足以使所有的殘余焊接應力消除的一段時間內保持該較高溫度。
對冷卻進行控制以減少由未經控制的冷卻所產生的應力，這樣的應力能夠產生裂紋。在消除高溫應力之后，將焊接區(qū)域快速地冷卻到在γ相淀積硬化范圍以下的溫度，通常在1500°F至1650°F(815℃至900℃)的范圍內?？焖倮鋮s能夠使附加γ相淀積最小化和/或防止附加γ相淀積，附加γ相淀積能夠在焊接區(qū)域上增加附加的應力。冷卻速度通常為每分鐘至少100°F(每分鐘至少55℃)，最好為每分鐘至少116°F(每分鐘至少46℃)。
對于每一種合金，通常以實驗的方法利用繪制時間-溫度變化曲線來確定用于防止附加γ相淀積的冷卻速度。需要多個相同材料的試樣，每一個試樣處于固溶熱處理的狀態(tài)下。通常，固溶熱處理的溫度在2200°F至2300°F的范圍內。為了準備這些試樣，在由制造者規(guī)定的時間內使試樣保持在所述固溶溫度下。為了形成時間-溫度變化曲線，接著必須使每一個試樣在氬氣中被急冷至一個中間溫度，通常在1400°F和2000°F之間。在將試樣急冷到室溫之前，在一定的時間內使試樣保持在該溫度下。在工序中分別利用不同的中間溫度和保溫時間對多個試樣進行處理以形成對應于每一種合金的“圖”。在完成熱處理后，以金相的方式評價每一個試樣的γ相存在情況。該信息被轉換成溫度相對于時間的圖，其中所示的時間-溫度變化曲線作為在圖中的表示γ相和不表示γ相的區(qū)域之間的邊界。時間-溫度變化曲線用于確定每一種合金的臨界冷卻速度，即，使合金在產生γ相淀積的范圍以外以防止附加γ相淀積所產生的應力所需的冷卻速度，附加γ相淀積所產生的應力能夠在合金中產生裂紋。
圖1示出了一種用于實施本發(fā)明的激光焊接系統(tǒng)，其中的部件沒有被接合，該設備包括帶有粉末供給源12的激光器11、帶有感應加熱線圈14的感應加熱器13以及運動裝置15，產品20被固定在運動裝置15上。利用一種夾具以一種非常精確的方式將所述產品(所示的是一種渦輪機葉片)安裝在一個臺16上以使所述產品被固定，這是一種常規(guī)的方式。圖中還示出了高溫計17和帶有惰性氣體供給管線19和氣體擴散器21的惰性氣體套(罩)18。
利用計算機數(shù)字控制(CNC)裝置控制產品的激光焊接，計算機數(shù)字控制(CNC)裝置能夠控制激光器、粉末供給源和其上固定有所述產品的運動裝置。為了進行沒有裂紋的金相牢固的熔化接，需要由金相分析來確定大量的編程和參數(shù)?？刂蒲b置包括用于使產品結構數(shù)字化的觀察系統(tǒng)以驅動在聚焦的激光束和收斂的粉末供給源下方的用于固定產品的運動裝置。
控制系統(tǒng)能夠有效且經濟地操作該方法并且能夠焊接各種復雜的結構。所用的觀察系統(tǒng)為激光焊接系統(tǒng)設定了一個精確的路徑，這對于被焊接的特定產品的焊接區(qū)域是各不相同的。通過使用一種用于產品的程序以及由觀察系統(tǒng)設定的精確的路徑的計算機數(shù)字控制完成焊接。在產品被固定在其夾具上后，檢查高度以確定在焊接(鍍覆)過程中所需的堆焊。接著在設定焊接區(qū)域的對比度后，觀察系統(tǒng)的攝像機觀察(即獲取圖像)焊接區(qū)域并且利用被數(shù)字轉換的多個點描繪周邊使周邊被數(shù)字化，從而為激光器跟隨產品的特定焊接區(qū)域提供一個精確的輪廓路徑。在設定該路徑后，仍然在其夾具中的產品接著被設置在激光焊接設備的運動裝置上，其中為該產品精確地設定激光路徑。由于特定產品的路徑被精確設定，因此在焊接過程中出現(xiàn)的廢品很少并且減少了為了去除多余的焊接部分而需要隨后進行的機加工(例如，磨削、拋光)。作為一個特別的優(yōu)點，還可利用相同的夾具以及由用于激光焊接的觀察系統(tǒng)所初始設定的特定產品的控制參數(shù)精確地控制后面的機加工。這減少了對后面的測量和控制的要求，從而提高了該方法的效率。
其路徑由控制系統(tǒng)設定的運動裝置為至少3軸、最好為4或者5軸運動裝置以為各種復雜的焊接區(qū)域表面提供所需的具體運動。3軸運動應該是沿著X、Y和Z方向，用于更復雜的平表面的4軸運動將X、Y和Z方向與轉動結合(見圖1)，而用于曲線表面的5軸運動將X、Y和Z方向與轉動和傾斜結合。
適合的激光器包括本領域普通技術人員已知的那些激光器，包括CO2激光器。該激光器的功率密度可在105瓦/平方英寸和107瓦/平方英寸之間，并且激光束點尺寸在0.040英寸至0.150英寸的范圍內。粉末合金供給源能夠以5至15克/分鐘的速度輸送目數(shù)通常在-120至+400之間的合金顆粒流。在激光焊接速度小于每分鐘10英寸的情況下，最好為每分鐘2至4英寸，所用的激光器功率在104瓦/平方英寸和106瓦/平方英寸之間，粉末合金供給速度從2至6克/分鐘。
實例1對第二級高壓渦輪機葉片進行處理以進行修補。該葉片是用Inconel 738LC合金鑄造的。利用化學的方法去除外部涂層并且對內腔進行清潔。該葉片通過常規(guī)真空預焊接應力消除循環(huán)。從葉片的頂部磨去被腐蝕的材料，留下一個清潔的平表面。在人工壓模研磨機中利用碳化物磨具對在葉片的頂部處露出的內腔以及被焊接區(qū)域的周邊進行清潔和拋光。該葉片被放置在一個清潔箱中以使其可被完全浸沒在一種保護性氬氣氛圍中。一個感應加熱線圈被設置在葉片頂部周圍。根據(jù)拋光數(shù)據(jù)，Inconel 738LC的最佳焊接預熱范圍被確定為1800°F至1900°F(980℃至1040℃)的范圍內。在該范圍以上或者在該范圍以下的溫度將大大地降低合金的延展性。用于試樣葉片的設定值為1850°F+/-25°F(1010℃+/-15℃)。葉片頂部被加熱到1850°F(1010℃)，并且使其在該溫度下穩(wěn)定。接著利用Inconel 738LC桿以人工的方式TIG焊接葉片頂部。在完成焊接后，將葉片頂部的溫度升高至2050°F(1107℃)，該溫度足以完全消除焊接區(qū)域以及其相鄰區(qū)域的應力。在2050°F(1107℃)溫度下使葉片頂部保持15分鐘。接著使葉片頂部冷卻到室溫。在大約6分鐘的時間內完成從2050°F(1107℃)到1200°F(650℃)的初始冷卻。接著通過交互式激光焊接和感應預熱修復葉片頂部輪廓。進行最終的焊后真空熱處理。進行焊縫和相鄰區(qū)域的熒光滲透檢測以及對葉片頂部進行x射線檢測。接著對葉片頂部磨片以進行金相分析，在任何一個檢測過程中都沒有在焊縫或者基底合金中發(fā)現(xiàn)裂紋。
實例2對第一級高壓渦輪機葉片進行處理以進行修補。該葉片是用Inconel 738LC合金鑄造的。利用化學的方法去除外部涂層并且對內腔進行清潔。該葉片通過常規(guī)真空預焊接應力消除循環(huán)。被腐蝕的材料從葉片頂部被磨去，留下清潔的平表面。在葉片頂部處的翼壁上的熱疲勞裂紋被開切口。對切口區(qū)域進行熒光滲透檢測以確保裂紋被去除。在人工壓模研磨機中利用碳化物磨具對切口區(qū)域進行清潔以準備焊接。接著該葉片被放置在一個清潔箱中以使其可被完全浸沒在一種保護性氬氣氛圍中。一個感應加熱線圈被設置在葉片頂部周圍。根據(jù)拋光數(shù)據(jù)，Inconel 738LC的最佳焊接預熱范圍被確定為1800°F至1900°F(980℃至1040℃)的范圍內。在該范圍以上或者在該范圍以下的溫度將大大地降低合金的延展性。用于試樣葉片的設定值為1850°F+/-25°F(1010℃+/-15℃)。葉片頂部被加熱到1850°F(1010℃)，并且使其在該溫度下穩(wěn)定。接著利用Inconel 738LC桿以人工的方式TIG焊接葉片頂部。在完成焊接后，將葉片頂部的溫度升高至2050°F(1107℃)，該溫度足以完全消除焊接區(qū)域以及其相鄰區(qū)域的應力。在2050°F(1107℃)溫度下使葉片頂部保持15分鐘。接著使葉片頂部冷卻到室溫。在大約6分鐘的時間內完成從2025°F(1107℃)到1200°F(650℃)的初始冷卻。接著通過激光焊接和感應預熱的交互作用修復葉片頂部輪廓，隨后進行常規(guī)的真空焊后應力消除循環(huán)。進行焊縫和相鄰區(qū)域的熒光滲透檢測以及對葉片頂部進行x射線檢測。接著對葉片頂部磨片以進行金相分析。在任何一個檢測過程中都沒有在焊縫或者基底合金中發(fā)現(xiàn)裂紋。
權利要求
1.一種用于焊接鎳和/或鈷基超級合金產品的方法，該方法包括將該產品的整個焊接區(qū)域和與焊接區(qū)域相鄰的區(qū)域預熱到一個最大延展溫度范圍并且在焊接和焊縫凝固過程中維持這樣的溫度，所述最大延展溫度范圍高于時效溫度但低于起始熔化溫度；使被焊接的產品溫度升至應力消除溫度，以及以一定的冷卻速度將被焊接的產品冷卻到γ相淀積硬化范圍以下以使附加γ相淀積最小化。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述超級合金產品是從包括包含組合量至少為5％的鈦和鋁的γ相淀積強化超級合金的材料組中選擇的。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，以每分鐘至少100°F的速度對所述產品進行冷卻。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述最大延展溫度范圍在1400°F至2100°F的范圍內。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，利用粉末合金進行焊接，該粉末合金為包含組合量至少為5％的鈦和鋁的γ相淀積強化鎳基超級合金。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述超級合金產品和粉末合金包括基本相同的合金。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述超級合金產品是燃氣輪機的一個部件。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述產品是渦輪機葉片、渦輪機輪葉或者渦輪機轉子。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對已焊接的產品進行機加工。
10.如權利要求5所述的方法，其特征在于，以每分鐘至少116°F的速度對所述產品進行冷卻。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述超級合金是In738LC，并且所述最大延展溫度范圍在1800°F至1900°F的范圍內。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述超級合金是R′80，并且所述最大延展溫度范圍在1925°F至2100°F的范圍內。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于焊接鎳和/或鈷基超級合金產品的方法，該方法包括將該產品的整個焊接區(qū)域預熱到一個最大延展溫度范圍，并且在焊接和焊縫凝固過程中維持這樣的溫度，使被焊接的產品溫度升至應力消除溫度，以及以一定速度冷卻以使γ相淀積最小化。
文檔編號B23K9/23GK1455714SQ01806716
公開日2003年11月12日 申請日期2001年2月21日 優(yōu)先權日2000年3月17日
發(fā)明者M·福斯特, K·厄普德格羅夫 申請人:鉻合金氣體渦輪公司