專利名稱：高溫合金部件和焊接材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫合金材料，其主要用途是制造用于燃?xì)廨啓C(jī)部件和其他高溫合金部件，以及制作焊接鎳基高溫合金部件用的焊接材料。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)高溫結(jié)構(gòu)中的金屬部件的運(yùn)行溫度最高可達(dá)1100至1400攝氏度，這些部件都是由昂貴的高溫合金制成，連接這些部件需要有特殊化學(xué)成份的焊接材料，以保證形成的金屬連體有良好的總體機(jī)械性能。此外，在高溫的運(yùn)行環(huán)境下，各種高溫合金部件會產(chǎn)生一定的損壞，焊接修理是對于更換下來的有損壞的高溫合金部件進(jìn)行修理中很重要的一部分，而焊接修理除了要有合理的焊接工藝外，非常重要的是焊接材料的選擇，錯誤的或不合格的焊接材料將直接導(dǎo)致部件的報廢。
用于制造高溫條件下運(yùn)行的金屬部件和焊接材料的高溫合金是在高溫及嚴(yán)酷運(yùn)行環(huán)境下仍具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。隨著科技事業(yè)的發(fā)展，高溫合金逐漸形成六個較為完整的部分。
一、變形高溫合金變形高溫合金是指可以進(jìn)行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)、韌性指標(biāo)，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強(qiáng)化型合金和時效強(qiáng)化型合金。
1、固溶強(qiáng)化型合金使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達(dá)1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強(qiáng)度為850MPa、屈服強(qiáng)度為350MPa；1000℃拉伸強(qiáng)度為140MPa、延伸率為85％，1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時、延伸率40％。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室、機(jī)匣等部件。
2、時效強(qiáng)化型合金使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機(jī)的渦輪盤與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃，要求具有良好的高低溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。
例如GH4169合金，在650℃的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃，例如GH220合金，950℃的拉伸強(qiáng)度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
二、鑄造高溫合金鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點(diǎn)是1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計(jì)可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使γ’含量達(dá)60％或更高，從而在高達(dá)合金熔點(diǎn)85％的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2.具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、制造出近終形或無余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類第一類在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機(jī)上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15％；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。
第二類在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6％；950℃，200小時的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。
第三類在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。
三、粉末冶金高溫合金采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強(qiáng)度和疲勞性能有較大的提高。
FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強(qiáng)度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時，是當(dāng)前在650℃工作條件下強(qiáng)度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應(yīng)力水平較高的發(fā)動機(jī)的使用要求，是高推重比發(fā)動機(jī)渦輪盤、壓氣機(jī)盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
四、氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)合金是采用獨(dú)特的機(jī)械合金化(MA)工藝，超細(xì)的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強(qiáng)度在接近合金本身熔點(diǎn)的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的主要有三種ODS合金MA956合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)襯。
MA754合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1250℃并保持相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向器蓖齒環(huán)和導(dǎo)向葉片。
MA6000合金 在1100℃拉伸強(qiáng)度為222MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；1100℃，1000小時持久強(qiáng)度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動機(jī)葉片。
五、金屬間化合物高溫材料金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計(jì)、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強(qiáng)化、力學(xué)性能以及應(yīng)用研究方面取得了令人矚目的成就。
Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強(qiáng)度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，可以使結(jié)構(gòu)件減重35～50％。
Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小于600℃)有較高強(qiáng)度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
六、環(huán)境高溫合金在民用工業(yè)的很多領(lǐng)域，服役的構(gòu)件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的高溫合金材料含有鎳鉻鉬鈷鐵鎢錳硅碳等多種合金元素。本發(fā)明通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得了各種元素的最佳配比關(guān)系，證明本發(fā)明高溫合金具有特別有效的高溫金屬融合連接能力并使連接點(diǎn)保持良好機(jī)械性能的特性，特別需要指出的是本發(fā)明具備了持久的抗高溫氧化和高溫腐蝕的能力。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是鎳鉻鉬鈷鐵鎢錳硅碳等多種合金元素嚴(yán)格按照最佳的成分配比在超高溫真空爐中充分融化、融合均勻后通過適當(dāng)冷卻步驟成型，從而使本發(fā)明合金材料成分均勻而且含有盡量少的氧化物。本發(fā)明材料配方中配有在高溫條件下抗氧化抗腐蝕能力很強(qiáng)的金屬成份(鉻和硅等)，以確保材料整體在高溫條件下具有抗氧化抗腐蝕的性能。鎳鉻鉬鈷鎢等元素具有固溶強(qiáng)化作用，0.1％的碳主要形成顆粒狀碳化物分布于晶界，阻止晶界滑動。當(dāng)本發(fā)明高溫合金材料被作為焊接材料用于高溫合金部件的焊接時，合金中的添加的微量合金成份使焊料和合金部件本體之間形成具有良好的總體機(jī)械性能的金屬連體，從而保證了部件的正常運(yùn)行。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的新型高溫合金材料具有持久的抗高溫氧化和高溫腐蝕的能力以及非常容易和其他高溫合金有效融合并保持良好力學(xué)性能的特性，可用于制造燃?xì)廨啓C(jī)熱部件焊接維修所使用的焊接材料。
具體實(shí)施例方式
將多種合金元素嚴(yán)格按照本發(fā)明的成分配比后在超高溫真空爐中充分融化、融合均勻后通過適當(dāng)冷卻步驟成型，制成高溫合金錠材或板材，然后采用鍛造或精密鑄造、半精密鑄造的方法成型高溫合金部件。根據(jù)需要可以在用本發(fā)明制造的高溫合金部件表面用熱噴涂、物理涂層、化學(xué)涂層等方法涂覆高溫合金保護(hù)涂層。
利用先進(jìn)的焊絲生產(chǎn)工藝，在避免本發(fā)明高溫合金材料氧化、夾雜和元素?fù)p失的情況下，生產(chǎn)用于高溫合金部件焊接的焊絲。(注意生產(chǎn)時，金屬的氧化、夾雜和元素的損失都會影響焊絲的質(zhì)量，要特別注意)為了焊接工人使用的方便，所有手工焊接的焊絲長度一律定為91厘米(約36英寸)，同時，在每根焊絲的頭部必須壓制焊絲所用材料的代號名稱，以免在焊接時出現(xiàn)錯誤。焊絲的直徑按實(shí)際的需要選定或制造。其中，在燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的焊接維修中較為常用的焊絲直徑有0.9毫米(約0.035英寸)，1.6毫米(約1/16英寸)和2.4毫米(約3/32英寸)等。
權(quán)利要求
1.一種高溫合金材料，具體成分如下鎳余量；鉻21.0％～23.0％；鉬8.5％～9.5％；鈷1.2％～1.8％；鐵18.0％～19.0％；鎢0.5％～0.7％；錳0.4％～0.6％；硅0.4％～0.6％；碳0.05％～0.15％；其他全部雜質(zhì)＜0.30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金材料可用于制造燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件和其他高溫合金部件，以及用于制作焊接鎳基高溫合金部件所使用的焊接材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金焊接材料，其特征在于用該高溫合金焊料焊接修復(fù)的高溫合金部件具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，高溫抗疲勞性能和其他高溫機(jī)械性能。
全文摘要
燃?xì)廨啓C(jī)高溫結(jié)構(gòu)中的金屬部件的運(yùn)行溫度最高可達(dá)1100至1400攝氏度，這些部件都是由昂貴的高溫合金制成，連接這些部件需要有特殊化學(xué)成份的焊接材料，以保證形成的金屬連體有良好的總體機(jī)械性能。此外，在高溫的運(yùn)行環(huán)境下，各種高溫合金部件會產(chǎn)生一定的損壞，焊接修理是對于更換下來的有損壞的高溫合金部件進(jìn)行修理中很重要的一部分，而焊接修理除了要有合理的焊接工藝外，非常重要的是焊接材料的選擇，錯誤的或不合格的焊接材料將直接導(dǎo)致部件的報廢。
文檔編號B23K35/22GK101037754SQ20061002484
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者鄭效慈 申請人:鄭效慈