用于高温合金的钎焊合金组分及钎焊方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温合金部件的钎焊和修复，特别是用于钎焊燃气涡轮中所使用的高 温合金叶片和轮叶部件的钎焊组分和方法，所述钎焊组分和钎焊过程一直以来使试验样品 均获得了良好的钎焊，其中一些实施方式允许钎焊后焊接且避免了结构特性的显著降低。
【背景技术】
[0002] 用于生产涡轮部件（例如铸造涡轮叶片）的镍基和钴基高温合金材料结构性修复 和新的制造是具有挑战性的，其部分原因是所述高温合金材料的冶金特性。例如，在经受 高温焊接时，铝或钛含量总计超过约6%的高温合金，例如低碳含量的镍基高温合金（例如 CM247)通常比铝-钛含量更低的高温合金（例如X-750)更容易产生凝固裂纹。成品涡轮 叶片中所使用的高温合金通常在铸造后热处理的过程中得到强化，这使得它们在进行后续 的结构性焊接修复时成为困难材料。目前，制造或修复高温合金所使用的焊接过程通常包 括大量熔化毗邻焊接部位的基底，以及全部熔化所添加的焊接填料材料。当使用相同或相 近似的合金对由该种材料构成的叶片进行焊接时，例如用于结构性修复，所述叶片容易在 焊接区域内或其附近产生凝固裂纹（恪融裂纹（aka liquation cracking))。在已经付出 相当多的时间和经费来试图修复高温合金叶片后，具有焊接后凝固裂纹的高温合金叶片和 轮叶常因不可修复而被废弃。因为所提及的高温合金结构性修复焊接的缺点，所以在商业 上可以接受的解决方案通常只有废弃需要结构性修复的被损伤的涡轮叶片，因为过去的经 验表明这样的结构性修复的成功率很低。因此，修复被局限为在过去已被证明可通过美容 性焊接成功修复的那些特定的材料、组成以及结构性损伤类型，所述盖面焊接采用具有降 低的结构强度的更具延展性的焊接填充材料。众所周知的焊后产生凝固裂纹风险很大的需 要焊接结构性修复的叶片通常会被废弃。提供能够经受钎焊后焊接而不产生明显凝固裂纹 或结构、机械或其它特性劣化的钎焊组分和方法，将使得这样的部件能被修复并重新使用， 有着非常重要的经济益处。
[0003] 金属部件（包括高温合金部件）的非结构性修复或制造，通常包括使用结构特性 较低的错配合金材料来替换损伤材料（或接合两个新制造材料的部件），其中局部区域不 需要原基底材料的优秀的结构性能。例如，这种非结构性或"美容性"（"cosmetic"）的修 复可以用于恢复被修复部件的原始几何轮廓。对于修复燃气涡轮部件而言，一个美容性修 复的例子是填充涡轮叶片翼面上的表面凹陷、裂纹或其他空洞以恢复其原始气动轮廓，这 些例子里，对整个叶片的结构完整性来说，叶片上局部外表面的机械特性并不重要。美容性 修复或制造通常通过使用抗氧化焊接或钎焊合金来完成，所述抗氧化焊接或钎焊合金的强 度低于所述叶片主体的高温合金基底，但是具有更高的塑性和不会使所述高温合金基底的 结构或材料特性劣化的较低的应用温度。
[0004] 为了修复或制造，扩散钎焊已被应用于接合高温合金部件，其通过在待接合的高 温合金部件的相邻表面之间放入钎焊合金，并且在炉中加热那些部件（经常在真空下或在 惰性气氛内，以便与环境空气隔绝），直到钎焊合金液化并扩散到待共同接合的部件的基底 内。通过向缺陷中插入钎焊合金并在炉中加热以使钎焊合金液化从而将裂纹填满，扩散钎 焊可以被用于填充高温合金部件中的表面缺陷，例如局部表面裂纹和/或非结构性裂纹。 在一些修复的类型中，使用焊炬而不是炉来作为局部加热源以熔化钎焊合金。通常，钎焊修 复后的高温合金叶片和轮叶将返回以继续使用。
[0005] 在之后的燃气涡轮检查周期中，那些被认定为在之前钎焊修复的表面中存在缺陷 的叶片或轮叶，如果为了修复而再次将部件加热，那么会带来使旧钎焊材料减弱或流失的 风险。通常出于商业上节约成本的原因，会废弃在之前钎焊部分中存在缺陷的叶片，而不会 去冒可能的修复失败的风险，该风险可归因于旧钎焊材料的重熔流失。
[0006] 商品名称为Mar-M-509 ? (Martin Marietta公司的一个注册商标）的钎焊材 料（在市场上可获得，例如，从 Praxair Surface Technologies，Inc. Indianapolis，IN， 在他们那里的名称是CO-222、CO-333)是一种高铬含量的高温合金钎焊材料，该钎焊材料 常用于修复CM247合金涡轮叶片和轮叶部件。从Sulzer Metco处也可以商业购买到具有 相似性能特征的产品Amdry MM509和Amdry MM509B。然而，使用包含CM247的钎焊材料是 较为理想的，其使得钎焊材料和部件基底具有更接近匹配的材料特性。一种用于CM247的 商品名称是MAR-M-247,其一种形式是可从Praxair Surface Technologies获得的其称为 NI-335-5的产品。
[0007] 因此，本领域需要材料特性与那些CM247高温合金部件更接近匹配的钎焊组分， 所述高温合金部件例如是燃气涡轮叶片和轮叶，该钎焊组分可以被重焊，而不会存在从焊 接区的熔化流失，并能够抵抗在焊接界面或周边区域处的凝固裂纹。
【发明内容】
[0008] 本发明的一些实施方式涉及钎焊合金组分，包括以重量计约60%~70%范围的 CM247基材合金以及余量的BRB钎焊合金。在通过扩散钎焊将该组分应用于CM247合金的 基底部件的情况下，在后续焊接修复中进行重焊时，这样的组分不会显著抗熔化（demelt) 和流失。甚至在进行一个焊后固溶周期后，所述钎焊材料在所述焊接界面和周围区域处仍 能抵抗凝固裂纹。
[0009] 这里需要强调的是，不同的钎焊过程可以改善钎焊合金混合物MarM509A/ MarM509B的性能，使其超过现有技术中使用这些材料进行钎焊通常体验的性能。
[0010] 因此，本发明包括适合于改善高温合金部件的钎焊的物质组分和钎焊过程，其中， 依据本发明的一些实施方式，钎焊区域可以进行钎焊后焊接修复，而不会带来明显的凝固 裂纹，并且本发明还包括如此钎焊并之后通过焊接修复的高温合金部件。
[0011] 在任意组合或子组合中，本领域的技术人员可以结合或分别应用本发明的特征。
【附图说明】
[0012] 通过参考下述具体描述并连同附图，可以容易理解本发明的教导，其中：
[0013] 图1 :对依据本发明的一些实施方式进行的一些钎焊试验进行的表格列举；
[0014] 图2 :依据本发明的一些实施方式的典型的真空清洗炉周期；
[0015] 图3 :为钎焊试验制造的典型裂纹的显微照片；
[0016] 图4 :在通过调节活塞后的压缩空气迫使浆料通过应用针将浆料引入为钎焊试验 制造的典型裂纹后该裂纹的显微照片，所述针头用于根据需要将所述浆体注入裂纹。所述 浆料包括与钎焊合金混合在一起的液态粘结剂；
[0017] 图5 :本文中实施的一些钎焊试验所采用的钎焊周期，其表示了典型的钎焊周期， 其中在逐渐上升到钎焊温度的过程中具有多个停止点，在钎焊温度处具有短暂停留，然后 温度下降，并且保持以便合金扩散；
[0018] 图6 :50/50合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0019] 图7 :60/40合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0020] 图8 :70/30合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0021] 图9 :50/50合金混合物MarM509A/B (蚀刻后）的在完成钎焊炉周期后的50x的显 微照片；
[0022] 图10 :60/40合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0023] 图11 :70/30合金混合物MarM509A/B (蚀刻后）的在完成钎焊炉周期后的50x的 显微照片；
[0024] 图12 :重熔评估。完成钎焊炉周期后进行了固溶热处理周期后的显微照片，用来 评估钎焊后可能的正常修复过程对钎焊的影响。描绘了三种MarM/A/B混合物（从左至右）， 70/30,60/40,50/50 ；
[0025] 图13 :对按本发明的一些实施方式进行的一些钎焊试验进行的表格列举；
[0026] 图14 :为钎焊试验在试样上制造的裂纹的显微照片；
[0027] 图15 :在HF清洗前为钎焊试验在试样上制造的裂纹的显微照片；
[0028] 图16 :在FIC清洗和钎焊后为钎焊试验在试样上制造的裂纹的显微照片；
[0029] 图17 :合金应用。向裂纹引入浆料后的为钎焊试验制造的典型裂纹的显微照片， 所述浆料的引入是通过调节活塞后的压缩空气迫使浆料通过应用针来实现的，根据需要所 述应用针被用于将所述浆料作用到裂纹中。所述浆料包括与钎焊合金混合在一起的液态粘 结剂；
[0030] 图18 :本文中一些实施方式所使用的典型的钎焊周期；
[0031] 图19 :60/40合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0032] 图20 :70/30合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0033] 图21 :80/20合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0034] 图22 :60/40合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0035] 图23 :70/30合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0036] 图24 :80/20合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的显微照片；
[0037] 图25 :60/40合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0038] 图26 :70/30合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0039] 图27 :80/20合金混合物MarM509A/B的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片； [0040] 图28 :60/40合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0041] 图29 :70/30合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0042] 图30 :80/20合金混合物CM247/BRB的在完成钎焊炉周期后的50x的显微照片；
[0043] 图31:完成钎焊炉周期后经过固溶热处理周期（2250华氏度）后的立体图 (perspecitve)和截面显微照片，以评估使用IN625填料材料在CM247基底上钎焊CM247/ BRB后进行可能的正常修复过程对钎焊的影响；
[0044] 图32 :完成钎焊炉周期后经过固溶热处理周期（2250华氏度）的显微照片，以评 估使用IN625填料材料在CM247基底上钎焊MarM509/A/B后进行可能的正常修复过程对钎 焊的影响。在附图和说明书中，