CN101363090A - 具有增强的抗氧化性的钎焊合金组合物及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有增强的抗氧化性的钎焊合金组合物及其使用方法。具体而言，本发明涉及钴基钎焊合金组合物，含有22－24.75wt％的铬，9－11wt％的镍，6.5－7.6wt％的钨，3－4wt％的钽，0.55－0.65wt％的碳，0.3－0.6wt％的锆，0.15－0.3wt％的钛，1.5－2.6wt％的硼，1－10wt％的硅，和钴。还提供所述组合物的使用方法。
Description
技术领域
本发明涉及可以在升高的温度具有增强的抗氧化性的钎焊合金组合物。
背景技术
在高温或极端环境中的部件，如燃气轮机中的热风气翼，可能经历退化或可能存在有关耐久性的问题。一种修补这种超合金的方法可能涉及基于钎焊合金和/或超合金金属粉的预烧结的预成型体。
本发明涉及钎焊合金，该钎焊合金可以与超合金金属粉混合以形成预烧结的预成型体(PSP)。PSP可以在各种补救和/或修补应用中使用，如那些包括对参与高温应用的部件的修补和/或重建。
钎焊粉料在本领域内已被广泛了解。Mar M 509B是一种钎焊粉料。Mar M509B具有硼添加剂的钴基钎焊合金。
在图1中示出了利用Mar M 509B钎焊合金的PSP板的方案。如图所示，将表面加硬用合金粉(框150)和Mar M 905B(框152)混合(框154)，然后烧结(框156)，采用水力喷射(water-jet)成型(框158)。成型后，预成型体被临时点焊(tack weld)(框160)在如叶片上，然后施加热处理循环(框162)。含有Mar M 509B钎焊粉的PSP可以含有重量百分比约为50％ Co、10％ Ni、24％Cr、4％ Ta、0.25％ Ti、8％ W、0.5％ C和2.7％ B。在具体实施方案中，本发明涉及含有较大重量百分比硅和硼的钎焊粉。硅含量在本发明组合物的具体实施方案中可以提供有利的抗氧化性能。硅和硼的升高的含量有利于使组合物的熔点降低。硼含量在发明组合物的具体实施方案中可以有利于PSP和超合金硬件在钎焊过程中的结合。
在本发明的具体实施方案中，使用特殊钎焊合金组合物的方法可以容易地应用并且可能在钎焊之前需要最小量的表面处理和在表面加硬操作后需要最小量的机加工。
在具体实施方案中，采用该钎焊合金的PSP可被制成近净形状(near-netshape)，并钎焊到叶片上。这可以提供牢固性、可重复性和可再现性，同时可能减少表面加硬后机加工的程度。
发明内容
在实施方案中，提供了钴基钎焊合金组合物，其包括：22-24.75wt％的铬，9-11wt％的镍，6.5-7.6wt％的钨，3-4wt％的钽，0.55-0.65wt％的碳，0.3-0.6wt％的锆，0.15-0.3wt％的钛，1.5-2.6wt％的硼，1-10wt％的硅，和钴。
在另一个实施方案中，提供了修补或重建超合金部件的方法，包括以下步骤：通过混合表面加硬用合金粉(hardface alloy powder)和钴基钎焊合金而形成预烧结的预成型体，所述钴基钎焊合金包括：22-24.75wt％的铬，9-11wt％的镍，6.5-7.6wt％的钨，3-4wt％的钽，0.55-0.65wt％的碳，0.3-0.6wt％的锆，0.15-0.3wt％的钛，1.5-2.6wt％的硼，1-10wt％的硅，和钴；烧结所述预烧结的预成型体以制备烧结的部件；将该烧结的部件成型；将该烧结的部件焊接到超合金部件上以形成结合体；然后对结合体施加热处理循环。所述预烧结的预成型体含有60-90wt％的表面加硬用合金粉和10-40wt％的钴基钎焊合金组合物。
附图说明
图1是制备和应用预烧结的预成型体中所涉及的工艺步骤的流程图。
图2是根据本发明实施方案中应用PSP修补的热气体通道侧面叶片翼(hotgas path side bucket angel wing)的示例。
图3是根据本发明实施方案应用PSP修补的热气体通道叶片顶部(hot gaspath bucket tip)的示图。
具体实施方式
本发明一般涉及在升高的温度可以具有增强的抗氧化性的钎焊合金组合物
在具体实施方案中，提供了钎焊合金组合物，其在升高的温度具有增强的抗氧化性。作为示例性的起点，市售Mar M 509B钎焊粉可以作为开发本发明实施方案的钎焊合金的基础组合物(baseline composition)。如果与Mar M 509B相比，可以具有附加的硅(如5％)和附加的硼(如2％)含量。硅含量在本发明组合物的具体实施方案中可以提供有利的抗氧化性。提高的硅和硼含量可以利于使组合物的熔点降低。硼含量在本发明组合物的具体实施方案中可以利于预烧结的预成型体(PSP)和超合金硬件之间在钎焊过程中的结合(bonding)。
在实施方案中，钎焊合金可以和超合金金属粉混合形成PSP。PSP可以用于，如补救和/或修补如燃气轮机中的热气体通道部件。使用本发明实施方案的钎焊合金时，可以通过热处理循环实现PSP与超合金硬件之间的良好结合。
在实施方案中，PSP可以还含有呈粉状的Tribaloy T800。T800是钴基表面加硬用合金，由加拿大，安大略，贝勒维尔的Deloro Stellite Inc.生产。合适的PSP可以从Morgan Advanced Ceramics(Wesgo Metals Division)，2425 WhippleRoad，Hayward，CA 94644获得。T800具有下列近似重量百分比的成分：
| 组分 | 重量百分比 |
| Co | 余量 |
| Mo | 27.00-30.00 |
| Cr | 16.50-18.50 |
| Si | 3.00-3.80 |
| Fe | 1.50(最大) |
| Ni | 1.50(最大) |
| O | 0.15(最大) |
| C | 0.08(最大) |
| P | 0.03(最大) |
| S | 0.03(最大) |
表1：T800的组成
在一些实施方案中，可应用于超合金应用的PSP可以包括60-90wt％(及其全部子范围)的T800或CM64粉，和40-10wt％(及其全部子范围)的钎焊合金组合物(如本文中所述)。Coast Metal(CM)64粉可以从Morgan AdvancedCeramics(Wesgo Metals Division)获得。CM64具有下列近似重量百分比的成分：
| 成分 | 重量百分比 |
| Co | 余量 |
| Cr | 26-30 |
| W | 18-21 |
| Ni | 4-6 |
| C | 0.7-1.0 |
| V | 0.75-1.25 |
| Fe | 3(最大) |
| Si | 1(最大) |
| Mn | 1(最大) |
| B | 0.05(最大) |
| Mo | 0.5(最大) |
表2：CM64的组成
商业上可获得的粉状形式钎焊材料Mar M 509B可被使用。M 509B是含硼添加剂的钴基钎焊合金，具有如下近似重量百分比的组成：
| 成分 | 重量百分比 |
| Co | 余量 |
| Cr | 22.00-24.75 |
| Ni | 9.00-11.00 |
| W | 6.50-7.60 |
| Ta | 3.00-4.00 |
| B | 2.60-3.16 |
| C | 0.55-0.65 |
| Zr | 0.30-0.60 |
| Ti | 0.15-0.30 |
| Fe | 1.30(最大) |
| Si | 0.40(最大) |
| Mn | 0.10(最大) |
| S | 0.02(最大) |
表3：Mar M 509B的组成
在示例性实施方案中，存在在升高的温度具有增强的抗氧化性的钎焊合金组合物。在示例性实施方案中，所述合金含有大约5％的硅和2.5％的硼，具有与Co含量低大约5％的Mar M 509B相似的化学组成。根据其它示例性实施方案，硅的重量百分含量可以从1％到10％变化，及其全部子范围，从2.5％到7.5％变化，及其全部子范围，或从4％到6％变化，及其全部子范围。根据典型的实施方案，硼的重量百分含量可以从1.5％到2.6％变化，及其全部子范围，或从2％到2.6％变化，及其全部子范围，或从2.45％到2.55％变化，及其全部子范围。
在具体实施方案中，该超合金中的硅可以提高抗氧化性。硅和硼两者的存在可以有效降低熔点，从而使PSP和超合金硬件间具有良好的结合。在实施方案中，钎焊合金可以是钴基钎焊合金，其含有较少的硼添加剂和较多的硅添加剂，其大致重量百分含量如下(所有指定范围包括其全部子范围)：
| 组分 | 重量百分比 |
| Co | 余量 |
| Cr | 22.00-24.75 |
| Ni | 9.00-11.00 |
| W | 6.50-7.60 |
| Ta | 3.00-4.00 |
| B | 1.50-2.60 |
| C | 0.55-0.65 |
| Zr | 0.30-0.60 |
| Ti | 0.15-0.30 |
| Fe | 1.30(最大) |
| Si | 1.00-10.00 |
| Mn | 0.10(最大) |
| S | 0.02(最大) |
表4：本发明示例性实施方案的组成
使用钎焊合金的PSP板的方案包括将表面加硬用合金粉(如T800)和本发明示例性实施方案的组合物混合。然后烧结和成型该混合物，如使用水力喷射成型。成型后，预成型体被临时点焊到潜在需要修补的部件上，然后施加热处理循环。
在实施方案中，下列热处理循环可以被用于热空气通道部件上，采用了含钎焊合金的PSP。热处理可以包括加热循环子步骤和冷却循环子步骤。加热循环子步骤可以包括将具有预成型体的超合金部分放置在处于室温如，大约21℃(70℉)的钎焊炉中。为了利于该结合过程，可以根据本领域技术人员熟知的方法在炉子内提供非氧化性气氛并且提供了在表面加硬预成型体上诱导压力的方法。使用的炉子可以是真空炉，并且最小真空要求可以是0.5×10-3Torr。
将炉子以大约14℃/分钟(25℉/分钟)的速度加热到大约650℃(1200℉)。一旦达到大约650℃(1200℉)时，保温大约30分钟。然后炉子温度可以以大约14℃/分钟(250℉/分钟)的速度增加到大约980℃(1800℉)。一旦达到大约980℃(1800℉)，可以保温大约30分钟。然后将炉子以大约19℃/分钟(35℉/分钟)的速度提高到大约1204-1218℃(2200-2225℉)。一旦达到大约1204-1218℃(2200-2225℉)，可以保温大约20分钟。然后可以将炉子冷却到约1120℃(2050℉)并保持约60分钟，然后进一步将炉子冷却到815℃(1500℉)。然后炉子可以被冷却到大约室温的任何温度。
下面的表概述了氧化实验的结果，氧化实验是PSP在2000℉进行500小时，其中PSP是由T800和或者Mar M 509B或根据本发明实施方案制备的钎焊合金制成。氧化实验在空气炉中进行。试样先被放置于空气炉中，在2000℉保温500小时(～21天)。500小时后，试样从炉中取出，然后在空气中冷却。应用金相分析检查试样的抗氧化性；试样经过切片，抛光，和蚀刻以检测氧化层厚度。这些检测结果显示了增强的抗氧化性。
| PSP(钎焊合金) | 组成 | 硬度(Rc) | 氧化深度@2000℉/500hr | 钎焊温度(20min)，范围 |
| Mar M 509B(2.6％B) | 85/15 | 51-59 | ～3mil | 2175-2225℉(2200℉) |
| 钎焊合金的实施方案(2％B；5％Si) | 85/15 | 53-56 | ～2.5mil | 2175-2225℉(2200℉) |
| 焊接金属 | 100 | 55-62 | ～5mil | NA |
表5：T800 PSP(有15％ Mar M 509B钎焊合金的PSP vs有15％根据示例性实施方案的钎焊合金的PSP)抗氧化性比较
在示例性实施方案中，该钎焊合金在PSP的使用可被制成近净形状，并钎焊在叶片上，由此提供牢固性、重复性和可再现性并同时减少了表面加硬后机加工的程度。进一步，预成型体钎焊操作可与典型涂层热处理结合进行，以减少现有制造程序。
在示例性实施方案中，本发明可用于修补和/或重建燃气轮机中的部件，例如，在美国专利No.6506016和6890150中给出的那些，所述专利通过参考结合到这里。
例如，图2描述了使用根据本发明实施方案的PSP修补的热气体通道侧面叶片翼的例子。在图2中，示出了具有轴向凸出的机翼密封件210和212的柄部202(位于或接近叶片根部，未显示)。机翼密封件已经根据本发明实施方案进行修补。类似地，图3示出了根据本发明实施方案的PSP修补的热气体通道叶片顶部。图3中，叶片顶部304包含已经修改的刀齿330。这种新开发的钎焊合金可被用于制造PSP或被用于制造和/或修补/维修叶片。所以，应用可广泛并跨越多条生产线。
尽管结合被认为是最实际的优选实施方案描述了本发明，但应当知道本发明并不只限于公开的实施方案，相反的，旨在覆盖包括在附加权利要求的精神和范围内的各种变形和等价设置。
进一步，本文中描述的和要求保护的所有数字和数字范围均为近似性的，无论是否清楚指明，均包括一定的变化。
Claims (10)
1、钴基钎焊合金组合物，含有：
22-24.75wt％的铬；
9-11wt％的镍；
6.5-7.6wt％的钨；
3-4wt％的钽；
55-0.65wt％的碳；
3-0.6wt％的锆；
15-0.3wt％的钛；
1.5-2.6wt％的硼；
1-10wt％的硅；和
钴。
2、如权利要求1所述的钴基钎焊合金组合物，进一步含有：
至多1.3wt％的铁；
至多0.10wt％的锰；和
至多0.02wt％的硫。
3、如权利要求1所述的钴基钎焊合金组合物，进一步含有：
2-2.6wt％的硼；和
2.5-7.5wt％的硅。
4、如权利要求1所述的钴基钎焊合金组合物，进一步含有：
2.45-2.55wt％的硼；和
4-6wt％的硅。
5、如权利要求1所述的钴基钎焊合金组合物，由下列物质组成：
22-24.75wt％的铬；
9-11wt％的镍；
6.5-7.6wt％的钨；
3-4wt％的钽；
55-0.65wt％的碳；
3-0.6wt％的锆；
15-0.3wt％的钛；
1.5-2.6wt％的硼；
1-10wt％的硅；
至多1.3wt％的铁；
至多0.10wt％的锰；和
至多0.02wt％的硫；和
钴。
6、一种修补或重建超合金部件的方法，包括以下步骤：
形成预烧结的预成型体，所述预烧结的预成型体由表面加硬用合金粉和钴基钎焊合金组合物混合而成，该钴基钎焊合金组合物包含22-24.75wt％的铬，9-11wt％的镍，6.5-7.6wt％的钨，3-4wt％的钽，0.55-0.65wt％的碳，0.3-0.6wt％的锆，0.15-0.3wt％的钛，1.5-2.6wt％的硼，1-10wt％的硅，和钴；其中，所述预烧结的预成型体含有60-90wt％的表面加硬用合金粉和10-40wt％的钴基钎焊合金组合物；
烧结所述预烧结的预成型体以制备烧结的部件；
将该烧结的部件成型；
将该烧结的部件焊接到该超合金部件上以形成结合体；
和
使该结合体进行热处理循环。
7、如权利要求6所述方法，其中所述热处理循环包括加热循环子步骤和冷却循环子步骤。
8、如权利要求6所述方法，其中所述超合金部件包括燃气轮机的部件。
9、如权利要求6所述方法，其中所述超合金部件是叶片翼或叶片顶部。
10、如权利要求6所述方法，其中所述热处理循环包括如下步骤：以14℃/分钟的速度将炉子加热到650℃；在650℃保温30分钟；以14℃/分钟的速度将炉子加热到980℃；在980℃保温30分钟；以19℃/分钟的速度将炉子加热到1204-1218℃；在1204-1218℃的温度保温20分钟；将炉子冷却到1120℃；在1120℃保温30分钟；将炉子冷却到815℃。
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