[发明专利]用于超合金结合的保持和冷却过程

说明书

要求优先权

本文是根据35 U.S.C§111(a)提交的发明专利申请，并根据35 U.S.C§119要求于2011年11月7日提交的临时专利申请61/556395的优先权。出于各种目的，前述临时专利申请的全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及超合金部件的修复或结合，且更具体地涉及镍基超合金部件的堆焊，且最具体地涉及包含相对大量的铝和/或钛的镍基超合金部件的焊接。

背景技术

超合金通常被认为是耐高温材料，即便在温度接近材料的熔点时所述超合金仍呈现出良好的抗机械和化学性能劣化。镍基超合金基于镍(Ni)并且通常含有大量的多种其它元素，其中例如铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钴(Co)、钽(Ta)、碳(C)等。耐高温超合金早期被用于航空涡轮发动机中。由于较高的操作温度通常导致增加的燃料效率和降低的碳排放，这使得超合金在基于地面的涡轮系统中的使用也在增加。例如，参见由Roger C.Reed著的《The Superalloys》(Cambridge University Press，2006)，尤其参见第1章。出于各种目的，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。

因而，随着超合金在更大数量的基于空中和地面的涡轮系统中被使用并在更高的温度下操作，增加数量的叶片导叶和其它部件经受开裂以及需要修复的其它形式的材料劣化。重要的是，对这种涡轮部件的修复被有效地执行，以得到修复后的部件，该修复后的部件具有与初始部件尽可能接近的性能。

超合金的经济上的重要性已经产生了在超合金的焊接和修复方面的大量研究。例如，参见由J.N.Dupont、J.C.Lippold、Samuel D.Kiser著的《Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-Base Alloys》(Jhon Wiley&Sons，2009)，尤其参见第4章。出于各种目的，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。

焊接是修复或结合镍基超合金部件的商业上重要的方法。然而，当向超合金中添加Al和/或Ti以提高部件的耐高温强度时，部件的焊接变得困难得多，所述部件通常会遭受到开裂或其它缺陷。因而，本领域中需要一种用于焊接镍基超合金部件、特别是含有相对大量的Al和/或Ti的镍基超合金部件的改进方法。

发明内容

本文描述的过程的一个目的是提供一种结合镍基超合金的过程，该过程通过加热并受控地逐步冷却结合区域以便在该过程的一个冷却和保持部分中产生不大于20％的γ’相来实现。

本文描述的过程在保持和冷却过程期间提供Al和Ti的元素分配，以从Al和Ti消耗γ并且提高焊接能力。

因此并且有利地，如下文详细说明的，根据本发明来实现这些和其它的优点。

附图说明

图1是根据Ti和Al含量而定的一些超合金的焊接能力的图形图示。

图2是根据本发明的一些实施例的保持和冷却过程的其他细节的图形图示，其中：

图2A是从Ni-Al为二元相图的处于完全相平衡的元素分配；

图2B是由于分步冷却和保持过程而产生的TTT(时间-温度-相变)图形的转变；

图2C是在Al和Ti分配期间在每个保持温度下的焊接的预期应力释放；以及

图2D是由于分配而产生的合金247的成分向无裂纹区域的转变。

图3是根据本发明的一些实施例的用于执行保持和冷却过程的典型设备。

具体实施方式

除非另有声明，本文给出的所有百分比都是重量百分比。

将Ti和Al添加到镍基超合金以提高部件的耐高温强度，但付出的代价是显著地增加产生令人满意的焊接的困难。对影响镍基超合金的焊接能力的因素的更认真的研究使得本发明人得出的结论是，存在少于按重量计大约30％的量的γ’相表明有利的焊接能力，大于大约60％的γ’相表明没有焊接能力，在大约30％和大约60％之间的γ’相值通常表明，焊接是困难且昂贵的。

总之，本文描述的焊接过程利用了借助于分步冷却和保持过程将Al和Ti进行元素分配为γ和γ’相。这以受控的方式从Al以及从Ti消耗γ相，并提高了焊接能力，这通常实现低重量百分比的γ’相。当在接头中应力释放γ的Al和Ti含量减少至可焊接的值时，分步冷却和保持过程终止并被替换为常规的焊接氩气冷却。