CN103252593B - 抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊用焊丝 - Google Patents
抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊用焊丝 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种适合于抗氧化低膨胀高温合金焊接用焊丝。该焊丝的化学组成成分的重量百分比为C0.01-0.08，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.0-3.0，Al5.0-6.0，Mo2.5-4.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co。本发明焊丝用于焊接GH783低膨胀高温合金提高焊缝热裂纹抗力，改善接头塑性，经焊后热处理获得与母材相当的室、高温拉伸和持久性能。适合于航空工业及其他工业领域抗氧化低膨胀高温合金的气体保护焊。
Description
技术领域
本发明属于涉及一种用于GH783及其他抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝。
背景技术
高推重比发动机对核心机部位的材料提出了更高要求，同时要求在结构上能降低燃气损耗，提高热效率。而低膨胀高温合金构件可实现主动间隙控制，大大降低燃气损失，降低油耗，提高性能。低膨胀高温合金是以Fe-Ni-Co为基添加Nb、Al、Ti等元素形成金属间化合物沉淀得到强化的，具有高强度、低膨胀系数和稳定的弹性模量。早期的低膨胀高温合金Incoloy903、Incoloy907、Incoloy909，为了控制线膨胀系数都不添加Cr，因此合金的抗氧化性能较差。为满足高性能发动机的需求，相继开发出了抗氧化的低膨胀高温合金EXP4005、Inconel783（GH783）合金，这类合金添加2.5%～3.5%Cr和5.0%～6.0%Al，Cr、Al的加入提供了氧化抗力，尤其是高Al含量使奥氏体基体在晶内和沿晶界析出β相，显著提高了合金对应力加速晶界氧化脆化的抗力。其中Inconel783合金650℃抗氧化性与Inconel718相当，650/100℃氧化速率达到完全抗氧化。因此Inconel783合金在涡轮发动机机匣、涡轮外环等需要高温间隙控制的构件选材上更具竞争力。
由于抗氧化低膨胀高温合金为沉淀强化型高温合金，合金元素多，尤其是偏析元素Nb、Ti的加入，致使合金焊接容易出现焊缝凝固裂纹。另外，Si、S、P、等元素偏析，会在晶界上形成低熔点化合物或低熔点共晶，改变液膜的润湿性并扩大液相凝固区间，因而导致合金的裂纹敏感性提高。
发明内容：本发明的目的是提供一种用于GH783合金焊接的既可保持焊缝室温、高温力学性能又能提高焊缝热裂纹抗力的抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝。本发明的技术解决方案是，焊丝成分的重量百分比为：C0.01-0.08，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.0-3.0，Al5.0-6.0，Mo2.5-4.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co；焊丝的制备方法是：
（1）采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa,精炼温度1560～1580℃，精炼时间20～25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入Al、Ti及稀土Y，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1410～1420℃；
（2）采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa，电压20～35V，电流密度150～200A/cm2，熔炼速度5.0～10.0cm/min；
（3）将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为：1160℃±10℃×4hr，空冷；
（4）将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为：加热温度1141℃±10℃，保温20～60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量；
（5）将自由锻后的棒材热轧成细棒材，热轧前预热，预热规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min；
（6）将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝；
（7）焊丝酸洗，首先采用HCl+HNO3+H2SO4水溶液定径，再用25%～30%HNO3水溶液光亮处理。
上述本发明的技术原理为：
GH783合金发达的焊缝枝晶组织及枝晶间低熔点组分的存在是造成其高热裂纹敏感的主要原因。枝晶间低熔点组分主要包括Laves相、碳化物和γ’等与γ相的共晶。Nb、Ti、Si、S、P等元素向晶界和凝固亚结构边界的偏析，促进低熔共晶的形成。焊缝成分对低熔共晶的种类、构成和数量具有影响。
本发明通过降低Nb、Si、Ti、Cu元素含量和增加C、B元素含量减少Laves/γ共晶的形成。利用C元素在焊缝凝固时先与Nb形成NbC/γ共晶的作用，抑制共晶点更低的Laves/γ共晶的形成，降低焊缝热裂纹敏感性。通过添加Mo元素提高合金的抗裂性。利用B和稀土Y元素对晶界的净化作用，提高焊缝热裂纹抗力。另外，利用Y减少P向晶界的偏析，促进晶界析出相由ε相转变为H相，提高合金的氧化抗力和应力断裂强度。通过适当提高Co/Ni比、降低Cr元素含量弥补Mo元素 添加所造成的线膨胀系数增加。
采用真空自耗重熔提高焊丝纯净度，降低焊丝气体含量和S、P、Si含量，降低和弥散焊丝中的夹杂，以此控制焊缝凝固偏析和晶间低熔点液态膜，从而提高焊缝抗热裂纹能力。同时也有利于保持焊缝的韧塑性。
本发明具有的优点和有益效果：采用本发明的焊丝焊接GH783低膨胀高温合金焊接性良好，裂纹敏感性指数控制在5%以下，能有效防止焊接热裂纹的发生；接头室温和高温强度及持久性能得到保持，接头强度系数达到90%以上，韧塑性得到改善；焊丝的线膨胀系数与GH783合金的线膨胀系数比较接近，可减轻因焊缝与母材线膨胀系数差异而造成的热应力，提高构件使用的可靠性。
具体实施方式：
选取焊丝合金成分（wt%）：C0.01-0.08，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.0-3.0，Al5.0-6.0，Mo2.5-4.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co。
焊丝的制备方法是：
（1）炉料配比
根据各元素的目标含量和熔炼烧损系数，确定各原料的配比。
（2）采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa,精炼温度1560～1580℃，精炼时间20～25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入Al、Ti及稀土Y，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1410～1420℃；
（3）采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa，电压20～35V，电流密度150～200A/cm2，熔炼速度5.0～10.0cm/min；
（4）将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为：1160℃±10℃×4hr，空冷；
（5）将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为：加热温度1141℃±10℃，保温20～60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量；
（6）将自由锻后的棒材热轧成细棒材，热轧前预热，预热规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min；
（7）将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min，水冷，直至将其拉拔为焊丝；
（8）焊丝酸洗，首先采用HCl+HNO3+H2SO4水溶液定径，再用25%～30%HNO3水溶液光亮处理。
实施例：
分别制备3个焊丝，焊丝组成分别采用表1中的组份。
表1焊丝成分(wt.%)
（1）炉料配比
根据各元素的目标含量和熔炼烧损系数，确定各原料的配比。
（2）采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa,精炼温度1560～1580℃，精炼时间20～25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入Al、Ti及稀土Y，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1410～1420℃；
（3）采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa，电压20～35V，电流密度150～200A/cm2，熔炼速度5.0～10.0cm/min；
（4）将重熔后的铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为：1160℃±10℃×4hr，空冷；
（5）将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为：加热温度1141℃±10℃，保温20～60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量；
（6）将自由锻后的棒材热轧成细棒材，热轧前预热，预热规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min；
（7）将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝；
（8）焊丝酸洗，首先采用HCl+HNO3+H2SO4水溶液定径，再用25%～30%HNO3水溶液光亮处理。
首先对测量3个焊丝的线膨胀系数。然后按照不锈钢和高温合金熔焊裂纹倾向性试验方法对3个焊丝的裂纹倾向进行评定。之后进行焊接接头性能研究。采用自动钨极氩弧焊工艺对厚度为δ3.0mm的GH783合金进行对接。焊接规范为：不开坡口，焊接起始端和结束端分别留0.8mm和1.0mm的间隙，在夹具中施焊，焊接电流I=158～170A，焊接速度v=200～220mm/min，送丝速度为0.5～0.8m/min，氩气流量为10～12L/min。
焊后进行热处理，规范为：固溶—1120℃，1h，AC；β时效—840℃，4h，AC；γ'时效—720℃，8h，AC。
3个焊丝的裂纹倾向性、线膨胀系数及焊接GH783合金的接头力学性能测试结果由表2给出。3个焊丝的线膨胀系数与GH783合金母材的线膨胀系数比较接近（12.87E-6/K），裂纹倾向性均低于5%，焊接GH783合金接头的室温和650℃强度 系数均大于90%，同时具备较高的塑性。接头650℃持久性能也达到了设计要求（持续时间≥23h）。
表23个焊丝的裂纹倾向性、线膨胀系数及焊接GH783合金的接头力学性能
。
Claims (4)
1.一种抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝，其特征在于，焊丝成分的重量百分比为：C0.01-0.08，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.0-3.0，Al5.0-6.0，Mo2.5-4.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co；焊丝的制备方法是：
（1）采用真空感应炉冶炼焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa,精炼温度1560～1580℃，精炼时间20～25分钟，停止加热，冻结至熔液暗红，加入Al、Ti及稀土Y，再精炼5分钟，最后浇注，浇注温度1410～1420℃；
（2）采用真空自耗电弧炉重熔焊丝合金，其工艺条件：真空度0.1～1.0Pa，电压20～35V，电流密度150～200A/cm2，熔炼速度5.0～10.0cm/min；
（3）将重熔后的焊丝合金铸锭去缩孔、车表皮后，进行均匀化处理，均匀化处理规范为：1160℃±10℃×4hr，空冷；
（4）将均匀化处理后的铸锭锻造成圆棒，锻造规范为：加热温度1141℃±10℃，保温20～60min，保温时间随棒材横截面的减小而缩短，锻造时先锻非帽口端，第一火每锤的变形量要小，试探着锻，使其变形性能逐渐提高，第二、三火及后续火次逐渐增大每锤的变形量；
（5）将自由锻后的棒材热轧成细棒材，热轧前预热，预热规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min；
（6）将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，对细棒材进行中间退火处理，退火规范为：加热温度1100℃±10℃，保温15～20min，水冷，直至将其拉拔为目标尺寸的焊丝；
（7）焊丝酸洗，首先采用HCl+HNO3+H2SO4水溶液定径，再用25%～30%HNO3水溶液光亮处理。
2.根据权利要求1所述的抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝，其特征在于：焊丝成分的重量百分比为：C0.04-0.08，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.4-3.0，Al5.0-6.0，Mo2.5-3.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co。
3.根据权利要求1所述的抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝，其特征在于：焊丝成分的重量百分比为：C0.01-0.04，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.4-3.0，Al5.0-6.0，Mo3.5-4.5，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co。
4.根据权利要求1所述的抗氧化低膨胀高温合金气体保护焊的焊丝，其特征在于：焊丝成分的重量百分比为：C0.03-0.06，Si≤0.20，Mn≤0.10，P≤0.015，S≤0.005，Cu≤0.10，Cr2.4-3.2，Ni24.0-28.0，Fe24.0-27.0，Nb2.0-2.5，Al5.0-6.0，Mo2.5-3.2，Ti0.1-0.3，B0.006-0.012，Y0.01-0.05，余为Co。
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