CN101037738A

CN101037738A - 高温合金部件和焊接材料

Info

Publication number: CN101037738A
Application number: CN 200610024845
Authority: CN
Inventors: 郑效慈
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-19

Abstract

燃气轮机高温结构中的金属部件的运行温度最高可达1100至1400摄氏度，这些部件都是由昂贵的高温合金制成，连接这些部件需要有特殊化学成份的焊接材料，以保证形成的金属连体有良好的总体机械性能。此外，在高温的运行环境下，各种高温合金部件会产生一定的损坏，焊接修理是对于更换下来的有损坏的高温合金部件进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艺外，非常重要的是焊接材料的选择，错误的或不合格的焊接材料将直接导致部件的报废。

Description

高温合金部件和焊接材料

所属技术领域

本发明涉及一种高温合金材料，其主要用途是制造用于燃气轮机部件和其他高温合金部件，以及制作焊接镍基高温合金部件用的焊接材料。

背景技术

用于制造高温条件下运行的金属部件和焊接材料的高温合金是在高温及严酷运行环境下仍具有良好的机械强度，抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。随着科技事业的发展，高温合金逐渐形成六个较为完整的部分。

一、变形高温合金

变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。

1、固溶强化型合金

使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85％，1000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40％。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。

2、时效强化型合金

使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253～700℃，要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。

例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。

变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。

二、铸造高温合金

铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是：

1.具有更宽的成分范围

由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金，可通过调整成分使γ’含量达60％或更高，从而在高达合金熔点85％的温度下，合金仍能保持优良性能。

2.具有更广阔的应用领域

由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。

根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类：

第一类：在-253～650℃使用的等轴晶铸造高温合金

这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650℃拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15％；650℃，620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。

第二类：在650～950℃使用的等轴晶铸造高温合金

这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金，950℃时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6％；950℃，200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。

第三类：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金

这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金，1100℃、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。

随着精密铸造工艺技术的不断提高，新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的CA技术等都使铸造高温合金水平大大提高，应用范围不断提高。

三、粉末冶金高温合金

采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。

FGH95粉末冶金高温合金，650℃拉伸强度1500MPa；1034MPa应力下持久寿命大于50小时，是当前在650℃工作条件下强度水平最高的一种盘件粉末冶金高温合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。

四、氧化物弥散强化(ODS)合金

是采用独特的机械合金化(MA)工艺，超细的(小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中，而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持，具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能。

目前已实现商业化生产的主要有三种ODS合金：

MA956合金在氧化气氛下使用温度可达1350℃，居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。

MA754合金在氧化气氛下使用温度可达1250℃并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。

MA6000合金在1100℃拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa；1100℃，1000小时持久强度为127MPa，居高温合金之首位，可用于航空发动机叶片。

五、金属间化合物高温材料

金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来，对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。

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)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点，可以使结构件减重35～50％。

Ni₃Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。Fe₃Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能，在中温(小于600℃)有较高强度，成本低，是一种可以部分取代不锈钢的新材料。

六、环境高温合金

在民用工业的很多领域，服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。为满足市场需要，根据材料的使用环境，归类出系列高温合金。

发明内容

本发明的高温合金材料含有镍铬钼铌铁铝钛锰硅碳等多种合金元素。本发明通过反复实验获得了各种元素的最佳配比关系，证明本发明高温合金具有特别有效的高温金属融合连接能力并使连接点保持良好机械性能的特性，特别需要指出的是本发明具备了持久的抗高温氧化和高温腐蚀的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：镍铬钼铌铁铝钛锰硅碳等多种合金元素严格按照本发明的成分配比在超高温真空炉中充分融化、融合均匀后通过适当冷却步骤成型，从而使本发明合金材料成分均匀而且含有尽量少的氧化物。本发明材料配方中配有在高温条件下抗氧化抗腐蚀能力很强的金属成份(铬、铝和硅等)，以确保材料整体在高温条件下具有抗氧化抗腐蚀的性能。本合金中加入的铝、钛和铌等元素形成的金属化合物可起到很强的时效沉淀强化作用。当本发明高温合金材料被作为焊接材料用于高温合金部件的焊接时，合金中的添加的微量合金成份使焊料和合金部件本体之间形成具有良好的总体机械性能的金属连体，从而保证了部件的正常运行。

本发明的有益效果是：本发明的新型高温合金材料具有持久的抗高温氧化和高温腐蚀的能力以及非常容易和其他高温合金有效融合并保持良好力学性能的特性，可用于制造燃气轮机热部件焊接维修所使用的焊接材料。

具体实施方式

将多种合金元素严格按照本发明的成分配比后在超高温真空炉中充分融化、融合均匀后通过适当冷却步骤成型，制成高温合金锭材或板材，然后采用锻造或精密铸造、半精密铸造的方法成型高温合金部件。根据需要可以在用本发明制造的高温合金部件表面用热喷涂、物理涂层、化学涂层等方法涂覆高温合金保护涂层。

利用先进的焊丝生产工艺，在避免本发明高温合金材料氧化、夹杂和元素损失的情况下，生产用于高温合金部件焊接的焊丝。(注意：生产时，金属的氧化、夹杂和元素的损失都会影响焊丝的质量，要特别注意)

为了焊接工人使用的方便，所有手工焊接的焊丝长度一律定为91厘米(约36英寸)，同时，在每根焊丝的头部必须压制焊丝所用材料的代号名称，以免在焊接时出现错误。焊丝的直径按实际的需要选定或制造。其中，在燃气轮机热部件的焊接维修中较为常用的焊丝直径有：0.9毫米(约0.035英寸)，1.6毫米(约1/16英寸)和2.4毫米(约3/32英寸)等。

Claims

1.一种高温合金材料，具体成分如下：镍：余量；铬：20.5％-22.5％；钼：8.5％-9.5％；铌：3.2％-4.0％；铁：2.1％-2.9％；铝：0.15％-0.25％；钛：0.15％-0.25％；锰：0.15％-0.25％；硅：0.15％-0.25％；碳：0.04％-0.06％；其他全部杂质＜0.30％。

2.根据权利要求1所述的高温合金材料可用于制造燃气轮机热通道部件和其他高温合金部件，以及用于制作焊接镍基高温合金部件所使用的焊接材料。

3.根据权利要求2所述的高温合金焊接材料，其特征在于用该高温合金焊料焊接修复的高温合金部件具有优良的高温强度，高温抗疲劳性能和其他高温机械性能。