用于燃氣渦輪部件修復(fù)的ni-ti-cr近三元共晶合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了Ni、Ti、Cr的近三元共晶合金，其具有大約1230℃或更低的相對低的熔融溫度，適用于在修復(fù)過程中融合渦輪葉片和葉輪中的裂紋而沒有開裂的巨大風險。這種合金適用于渦輪葉片的低溫接合或修復(fù)，因為其包含與典型的渦輪葉片和葉輪相同的組分而不含外部元素來降低修復(fù)后的材料的熔點或不利地影響修復(fù)后的部件的機械性能。不含硼消除了脆的硼化合物的形成，這對于修復(fù)或接縫的性能是有害的。
【專利說明】用于燃氣渦輪部件修復(fù)的N1-? -CR近三元共晶合金
[0001]主張優(yōu)先權(quán)
這是根據(jù)35 U.S.C.§ 111(a)提交的實用專利申請，并且根據(jù)35 U.S.C.§119要求2011年11月3日提交的臨時專利申請61/555，113的優(yōu)先權(quán)。前述臨時專利申請的整個內(nèi)容通過引用并入本文用于所有目的。
[0002]發(fā)明背景
1.發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及超級合金部件的修復(fù)，并且特別地涉及在燃氣渦輪中使用的超級合金部件，并且最特別地涉及用于實現(xiàn)這種修復(fù)的N1-T1-Cr近三元共晶合金。
[0003]2.背景和相關(guān)技術(shù)
通常，超級合金被認為是甚至在接近該材料的熔點的溫度時仍然顯示出優(yōu)異的耐機械和化學損壞性能的高溫材料。Ni超級合金基于鎳(Ni)并且通常包含顯著量的多種其它元素例如鉻(Cr)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈷(Co)、鉭(Ta)、碳(C)等。最早超級合金應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動機上。因為更高的操作溫度通常導(dǎo)致增加的燃料效率和更低的碳排放，導(dǎo)致超級合金也越來越多地應(yīng)用于陸基潤輪系統(tǒng)。例如，參見The supperalloy(超級合金),RogerC.Reed著(劍橋出版社，2006，特別是第一章)。該參考文獻的整個內(nèi)容通過引用并入本文用于所有目的。
[0004]因此，由于超級合金在更大量的空中和路基渦輪系統(tǒng)中使用并且在更高的溫度下操作，越來越多的葉片葉輪和其它部件經(jīng)受開裂和其它形式的材料損壞而需要修復(fù)。有效進行這種渦輪部件的修復(fù)以使得修復(fù)后的部件具有與原始部件盡可能相近的性能是很重要的。
[0005]超級合金的經(jīng)濟重要性導(dǎo)致在它們的焊接和修復(fù)方面已經(jīng)產(chǎn)生了大量的研究。參見例如，Welding Metallurgy and ffeldability of Nickel-Base Alloys, J.N.Dupont,J.C.Lippold, Samuel D.Kiser (John Wiley & Sons, 2009),特別是第 4 章。該參考文獻的整個內(nèi)容通過引用并入本文用于所有目的。
[0006]盡管有了大量的研究，在接合或修復(fù)超級合金部件中仍然會出現(xiàn)問題。通常，其它方法的缺點包括在修復(fù)期間或修復(fù)之后開裂，修復(fù)后部件短的使用壽命，增加的脆性等。因此，在本領(lǐng)域存在改進修復(fù)超級合金渦輪部件的方法和材料的需求。
[0007]發(fā)明概述
本文描述的填料合金利用了 N1-T1-Cr的近三元共晶組合物，其使得修復(fù)能夠在相對低溫下進行，從而降低或消除了在修復(fù)過程期間開裂的問題。此外，通過本文描述的填料合金的某些實施方案，基礎(chǔ)材料的溶液熱處理在也導(dǎo)致修復(fù)區(qū)域均質(zhì)化的溫度下發(fā)生。此外，硼不以有害量存在于本文描述的填料合金中，從而消除了通常與形成脆的硼化合物有關(guān)的脆性等問題。 [0008]在本發(fā)明的某些實施方案中，調(diào)節(jié)近三元共晶的組成以允許在部件的溶液熱處理溫度下發(fā)生修復(fù)區(qū)域的均質(zhì)化。用JMarPro-4.0 (來自Sente Software Ltd., SurryTechnology Centre, UK)進行的計算表明該三元合金具有大約如在式I中所給出的組成:Ni (X)-Ti (y)-Cr (z)式-1
當基本在以下范圍(以重量百分數(shù)計)選擇X，1，z時，熔點接近1175°C,
55% ≤X ≤ 65%，(Ia)
15% ≤ y ≤ 25%,(Ib)
15% ≤ z ≤ 25%。(Ic)
在(la，lb，lc)中和在貫穿本文給出的范圍不旨在為固定的和嚴格的界限，而是提供對組成的基本上精確的描述，在具體情況下可以進行適度調(diào)整，如可以通過常規(guī)實驗所決定的。
[0009]該合金(式I)在圖1中由區(qū)域101表明。作為具有商業(yè)應(yīng)用的一個實例，我們已經(jīng)展示了式-1具有修復(fù)由合金247C制備的部件的能力。
[0010]其它實施方案采用近三元共晶和基礎(chǔ)材料的混合物來進行修復(fù)。
[0011]因此并且有利地，根據(jù)以下詳細描述的本發(fā)明實現(xiàn)了這些和其它優(yōu)點。
[0012]附圖簡要說明
圖1:描繪在1277°C下的Cr-N1-Ti等溫投影的三元相圖；
圖2和圖3:采用本文描述的材料和步驟的代表性釬焊接頭(braze joint)的顯微照片。圖2是窄間隙釬焊的實例而圖3是大間隙釬焊的實例。
[0013]發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及一種Ni+Cr+Ti的近三元共晶填料合金了，其用于制備高強度修復(fù)接頭，典型地用于燃氣渦輪部件的接合和修復(fù)。
[0014]典型的現(xiàn)有技術(shù)填料合金包含硼(B)作為填料合金的組分。這往往會降低修復(fù)的部件的機械性能和壽命，因為B傾向于與通常在燃氣渦輪部件中存在的元素形成脆的硼化物。在修復(fù)過程期間和修復(fù)過程之后，開裂也是現(xiàn)有技術(shù)焊接填充材料存在的一個問題。
[0015]本文描述的填料合金采用了近三元共晶組合物，其使得修復(fù)能夠在相對低的溫度下進行，從而減少或消除了在修復(fù)過程期間開裂的問題。此外，本文通過描述的填料合金的某些實施方案，溶液熱處理被用于修復(fù)之后的均質(zhì)化。此外，硼不以有害的量存在于本文描述的填料合金中，從而消除了通常與形成脆的硼化合物有關(guān)的脆性等問題。
[0016]在本發(fā)明的某些實施方案中，調(diào)節(jié)近三元共晶的組成以允許在部件的溶液熱處理溫度下發(fā)生修復(fù)區(qū)域的均質(zhì)化。
[0017]圖1顯示了在1277°C下的三元N1-Cr-Ti相圖的等溫部分。液相由區(qū)域101表明。本合金組合物的特別關(guān)注的組成由區(qū)域100表示。這些組成預(yù)期在大于約1175°C的溫度下為液體，并且對于渦輪部件的修復(fù)是有利的。因此，以上在式I中給出了有利的組成:
Ni (X)-Ti (y)-Cr (z)式 I
其中:55% ≤ X ≤ 65%, 15% ≤y ≤ 25%, 15% ≤ z ≤ 25%
熔點接近1175°C。該合金(式I)由圖1中的區(qū)域100表示。
[0018]作為具有商業(yè)應(yīng)用的一個實例，我們已經(jīng)展示了式-1具有修復(fù)由合金247C制備的部件的能力。
[0019]表-1顯示了葉片的組成，合金247，修復(fù)的接頭的組成(二者均以重量百分數(shù)給出)以及在修復(fù)后計算的差異，Λ。表-1表明修復(fù)接頭的組成與247基礎(chǔ)材料的組成相似。然而，預(yù)期這將僅在那些其中溶液熱處理溫度基本將修復(fù)位置均質(zhì)化的情況下(例如該實施例)發(fā)生。[0020]圖2和圖3是使用混有合金247粉末的式-1的近三元共晶物(x=60%, y=20%, z=20%)在真空爐中于1240°C溶液處理2小時之后的代表性釬焊接頭的顯微照片。圖2中的釬焊接頭僅包含代表窄間隙釬焊的近共晶合金。圖3中的釬焊接頭包含代表大間隙釬焊的247粉末與釬焊粉末的混合物。
[0021]總之，式-1的組合物(計算的熔融溫度在約1150-約1230°C的范圍)被顯示為有利的填料材料，特別是對于在1230°C下溶液熱處理的合金247。因此，當該式-1的填料材料被應(yīng)用于合金247部件中的張開的裂紋時，其將在有利的溫度下熔融并且填充該裂紋。此外，以下還顯示了對合金247的2小時溶液熱處理將使修復(fù)的區(qū)域均質(zhì)化。
[0022]一種使用本文描述的填料材料的典型的修復(fù)方法如下進行:
a)清潔部件的修復(fù)區(qū)域并且用近三元共晶填料以及基礎(chǔ)材料填充，它們通常呈粉末、線或箔的形式。
b)所述近三元共晶填料合金具有在修復(fù)的部件的溶液熱處理溫度以下的熔融溫度。
c)調(diào)節(jié)添加到修復(fù)區(qū)域的近三元共晶填料和基礎(chǔ)材料的相對分數(shù)以響應(yīng)在熱處理后的完全均質(zhì)化。
d)在該近三元共晶填料的熔點以上熱處理該在修復(fù)位置具有近三元共晶填料和基礎(chǔ)材料的混合物的部件以實現(xiàn)完全熔合。
e)近三元共晶物熔融并且其元素由于進行修復(fù)的部件與基礎(chǔ)材料之間的組成差異而在熱處理操作期間擴散到基礎(chǔ)材料中。
f)該溶液熱處理步驟還起均質(zhì)化處理的作用。
[0023]相比之下，典型的焊接方法可能使用相同組成的填料材料，但涉及更高的溫度(通常在1450°C左右)，在冷卻期間往往會發(fā)生開裂。
[0024]以上考慮的具體實施例采用了合金247，預(yù)期本文描述的材料和方法也可以與其它合金(典型地，溶液熱處理溫度高于約1200°C的合金)一起使用。
[0025]雖然本文已經(jīng)展示并且詳細描述了結(jié)合了本發(fā)明的教導(dǎo)的多種實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地想到也結(jié)合了這些教導(dǎo)的其它各種各樣的實施方案。
【權(quán)利要求】
1.一種三兀合金，其包含鎳、鈦和鉻并且具有低于約1230°C的熔融溫度,適用于燃氣渦輪部件的低溫接合或修復(fù)。
2.包含鎳、鈦和鉻的三元合金，其中鎳以大約55wt%至大約65wt%的量存在，鈦以大約15wt%至大約25wt%的量存在，且鉻以大約15wt%至大約25wt%的量存在。
3.權(quán)利要求2的三元合金，其中鎳以大約60wt%的量存在，鈦以大約20wt%的量存在，且鉻以大約20wt%的量存在。
4.權(quán)利要求2的三元合金，其中在所述合金中基本不存在硼。
5.修復(fù)或接合燃氣渦輪部件的方法，包括: a)清潔所述部件的待修復(fù)區(qū)域并用填充材料和基礎(chǔ)材料的混合物填充所述待修復(fù)區(qū)域； 其中所述填充材料具有低于所述基礎(chǔ)材料的溶液熱處理溫度的熔融溫度；和其中所述混合物包含使得在熱處理所述部件之后獲得完全均質(zhì)化的相對分數(shù)的所述填充材料和所述基礎(chǔ)材料； b)在所述填充材料的熔點之上溶液熱處理所述部件和所述混合物，由此獲得熔合和均質(zhì)化。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述填料是包含N1、T1、Cr的近三元共晶合金。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述填料基本上具有以重量百分數(shù)計的以下組成:Ni(X)，Ti (y)，Cr (z)，其中選擇x，y，z使其總和基本上為100%并且各自基本在以下范圍內(nèi):55% ≤ X ≤ 65%, 15% ≤ y ≤ 25%, 15% ≤ z ≤ 25%。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述填料基本具有以下組成(以重量百分數(shù)計):Ni(60%)+Ti (20%) +Cr (20%)。
9.權(quán)利要求5的方法，其中所述基礎(chǔ)材料是合金247。
【文檔編號】F01D5/00GK103889645SQ201280052221
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月3日
【發(fā)明者】K.奧茲貝薩爾 申請人:西門子能源公司