[发明专利]用于镍基超合金的焊接填料

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于镍基超合金的焊接填料，并且具体地涉及一种在焊接修复区域中产生高体积率的γ'(gamma prime)相的镍基焊接填料金属。

背景技术

位于燃气涡轮发动机的高温段中的部件典型地由包括镍基超合金的超合金形成。燃气涡轮发动机的高温段包括涡轮段。在一些类型的涡轮发动机中，高温段可包括排气段。发动机的不同热段可经历不同情况，从而要求构成不同段中的部件的材料具有不同性能。

发动机涡轮段中的涡轮轮叶或翼附接至涡轮机叶轮，并且在发动机涡轮段所排出的热燃烧废气中以非常高的速度旋转。涡轮机叶轮与它们的轮叶构成涡轮级，并且从热燃烧废气提取能量。涡轮发动机具有至少一个涡轮级，但更典型地包括各自从热燃烧废气提取能量的多个涡轮级。在经过一个涡轮级之后并且在进入一个下游涡轮级之前，热废气被安排路线通过有时称为叶片的固定喷嘴，所述固定喷嘴重定向废气的流动以便适当地冲击下一个涡轮级。由于这些喷嘴与轮叶或翼型经历相同的环境，这些喷嘴理想地应与轮叶或翼具有许多相同的材料性能。例如，这些部件在燃气涡轮机排气中所经历的升高温度下维持机械性能如抗蠕变性和抗疲劳性的同时，必须同时是抗氧化和抗腐蚀的。因为喷嘴是固定的，它们并不经历涡轮级所经受的所有负载。喷嘴所经历的大部分应力是由于高热应力，并且较小程度地是由于机械应力，如气动负载。因此，喷嘴必须具有对热疲劳的卓越抵抗性以及抗蠕变性，特别是对于它们的大小和重量使得它们易于蠕变的大型多翼后级喷嘴。在操作温度下，喷嘴至少支撑它们自己的重量。

由于镍基超合金能提供满足涡轮段环境的苛刻条件的所需性能，镍基超合金已经典型地被用来生产用于在发动机热段中使用的部件。这些镍基超合金具有耐高温能力，同时由析出强化机制(包括相连贯的γ'析出物的产生)获得强度。合金如和被用来制造在1500℉和更高温度下工作的后级喷嘴。长期暴露于这些温度和机械力使热位置如喷嘴前缘倾向于蠕变，而在冷却孔附近可能经历热机械疲劳。

这种喷嘴常常包含大量的战略元素，如镍、铬、钴和钽。此外，制造这种喷嘴的成本是高的。所以在缺陷出现之后延长喷嘴的寿命是有成本效益的选项，并且已经展开修复程序以移除缺陷，从而延长喷嘴的寿命同时避免替换成本。当前采用通过使用填料材料来混合以及随后堆焊以移除喷嘴中的缺陷来恢复喷嘴的结构完整性。然而，已经反复证明利用广泛使用的填料如Nimonic 263进行的焊接修复在返回服务后经历过早缺陷。

需要的是一种包含焊接修复合金的焊接修复，所述焊接修复在高温环境下并不同样易于在焊接修复区域中破裂，同时是抗腐蚀和高温氧化的。

发明内容

提出一种镍基焊接填料材料，所述镍基焊接填料材料在焊接后热处理(PWHT)之后在焊接区中产生至少27％(按体积计)的γ'相。如本说明书使用的焊接修复包括焊接区，在焊接区中，焊接填料材料被沉积并且邻近所沉积焊接填料的一些基材被熔融。焊接修复包括邻近所沉积焊接区的热影响区(HAZ)，以及邻近HAZ的未受影响的基底金属基底金属。焊接区的特征在于从基材延伸至焊件中间的柱状晶粒，其进而在预先确定的PWHT之后析出出最高可达30体积％的γ'相。焊接区微结构的特征进一步在于不存在η(eta)相。像典型的那样，HAZ表现出一些晶粒生长。

本说明书下文称为NiFillerX^TM的镍基焊接填料材料包含按重量百分比计：0.03％至0.13％C、22.0％至23.0％Cr、18.5％至19.5％Co、1.8％至2.2％W、0.7％至1.4％Nb、2.2％至2.4％Ti、1.3％至2.0％Al、0.005％至0.040％Zr、0.002％至0.008％B、不高于0.15％Mo、不高于0.35％Fe、不高于0.10％Mn、不高于0.10％Cu、不高于0.10％V、不高于0.15％Hf、不高于0.25％Si以及余量Ni和附带杂质。镍基焊接填料材料的特征在于不存在Ta。

有利地，镍基焊接填料材料提供即使在高应力区域中也抗破裂的结构焊接修复。

使用镍基焊接填料材料允许修复并且继续使用在延长的服务之后出现缺陷的复杂和昂贵的部分。使用这种镍基焊接填料材料还允许修复在铸造期间但在服务之前、如在喷嘴的薄后缘中出现缺陷的新镍基物品，或允许移除需要堆焊的下游制造操作中的缺陷。

因为镍基焊接填料材料无Ta，所述材料比它所替换的填料材料更便宜，Ta是在北美具有有限可获得性的战略材料。