CN112643245A

CN112643245A - 一种高温合金焊接用钴基合金焊丝及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112643245A
Application number: CN202110029116.8A
Authority: CN
Inventors: 孙元; 侯星宇; 王龙; 周亦胄
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2041-01-11
Also published as: CN112643245B

Abstract

本发明公开了一种高温合金焊接用钴基合金焊丝及其制备方法和应用，属于高温合金焊材设计制备技术领域。该焊丝化学成分(wt.％)：C 0.01～1.2％，Cr 15.0～35.0％，Ni 6.5～20.5％，W 5.5～10.5％，Mo 0.1～2.5％，Al 0.1～6.5％，Ti 0.01～0.1，Fe 0～3.0％，Ta 0.01～0.8，B 0.01～0.05％，Zr 0.01～0.8％，Co为余量。该焊丝采用机械加工方式制备，用于高温合金焊接。焊接电流为15‑45A，电压为8‑12V。本发明解决了钴基高温合金的焊接修复问题，具有重要的应用价值。

Description

一种高温合金焊接用钴基合金焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及高温合金连接技术领域，具体涉及一种高温合金焊接用钴基合金焊丝及其制备方法和应用，该焊丝适用于高温合金焊接连接。

背景技术

高温合金是指能够在600℃以上高温承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基和钴基奥氏体金属材料。高温合金具有良好的高温力学性能、抗氧化性能和抗热腐蚀性能，被广泛地应用到航天航空发动机、工业燃气轮机、核电站核反应堆等关键热端零部件。其中，镍基高温合金因为γ′-Ni₃(Al,Ti)相与基体共格强化而具有稳定的高温力学性能，成为发展最快、应用最广的高温合金。相比而言，钴基高温合金虽然缺乏共格强化相，主要依靠碳化物强化，力学性能低于镍基合金，但是它含有高含量的Cr元素，因此具有优异的抗高温氧化和腐蚀性能，多应用于航天航空、能源和化工等高温低应力环境。直到2006年，在钴基合金中发现稳定的γ′相，且力学性能相比传统钴基合金大幅度提升，揭开了新型沉淀强化钴基高温合金发展的序幕。

高温结构件通常使用条件苛刻，结构复杂，工艺繁复，如叶片、涡轮盘、燃烧室的火焰筒和机匣等高温合金零件不可避免地需要连接、合金表面耐磨层堆焊、微裂纹微孔洞缺陷修复等先进焊接技术，是高温合金生产和修复过程中必不可少的制造技术。

但是，钴基高温合金中通常含有较高的Al、Ti，以及W、Mo等合金元素，在焊接过程以及焊后热处理过程中较易产生热裂纹和再热裂纹，降低焊接接头性能，影响零件的服役可靠性。钴基高温合金的可焊性问题一直制约着钴基高温合金的发展，现有可用的钴基高温合金焊丝品类少，性能差，无法满足钴基高温合金的焊接要求，而且，钴基高温合金高性能焊接用焊丝材料的化学成分与钴基高温合金成分类似，其焊丝具有良好的高温强度与高温抗变形能力，往往不能通过传统的拉拔方式制备成丝材。因此，迫切需要开发一种高温合金焊接用钴基合金焊丝材料满足钴基高温合金零部件焊接要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温合金焊接用钴基合金焊丝材料及制备方法，所制备的焊丝成分与钴基高温合金母材成分相似，可有效解决在苛刻环境应用的钴基高温合金零部件的连接和修复问题，应用价值高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种钴基高温合金焊接用钴基合金焊丝，该焊丝为钴基合金丝材，按重量百分含量计，该焊丝的化学成分如下：

C 0.01～1.2％，Cr 15.0～35.0％，Ni 6.5～20.5％，W 5.5～10.5％，Mo0.1～2.5％，Al 0.1～6.5％，Ti 0.01～0.1％，Fe 0～3.0％，Ta 0.01～0.8％，B0.01～0.05％，Zr 0.01～0.8％，Co为余量。

按重量百分含量计，该焊丝优选的化学成分如下：

C 0.01～0.06％，Cr 15.0～30.0％，Ni 6.5～20.5％，W 5.5～10.5％，Mo0.1～2.5％，Al 0.1～2％，Ti 0.01～0.1％，Fe 0～3.0％，Ta 0.01～0.8％，B0.01～0.04％，Zr0.01～0.8％，Co为余量。

所述焊丝为直径0.8-2.4mm的圆柱形丝材，长度100-200mm。

所述高温合金焊接用钴基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照所述焊丝的化学成分配料，采用真空感应炉熔炼出母合金锭；所述熔炼工艺为：1460～1610℃精炼8-15min，1440～1570℃浇注。

(2)将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度100-200mm，焊丝直径为0.8～2.4mm；

(3)对表面采用打磨机进行打磨抛修，去除氧化皮，即获得所述焊丝产品。

所述高温合金焊接用钴基合金焊丝用于钴基高温合金的熔焊焊接，焊接电流为15-45A，电压为8-12V。

所述焊接连接后，焊缝区成分与所需连接钴基高温合金相似，接头980℃/66MPa条件下的持久寿命≥100h。

本发明设计思想及原理如下：

为解决钴基高温合金的铸造缺陷焊接修复问题，研发一种钴基高温合金用高性能钴基高温合金焊丝材料，该焊丝成分与钴基合金相似，因此具有和钴基高温合金匹配的力学强度和使用性能。但是，针对钴基高温合金焊丝难以满足目前钴基高温合金焊接修复的现状，本发明在焊丝成分设计方面，在一定范围内，增加了Mo元素的含量来增加钴基高温合金的塑性和降低焊缝区域的裂纹敏感性，降低了Al、Ti等元素的含量来降低焊缝区域的裂纹敏感性，此外，降低了B、C等元素提高焊缝区域的塑性、降低裂纹敏感性，从而获得了焊缝强度高，焊接性好的钴基高温合金焊接用丝材。采用线切割机械加工的方式，避免了采用定向凝固法制备出的焊丝中的碳化物数量多，尺寸大的问题，保证了焊丝的工艺稳定性。

本发明的有益效果是：

采用本发明制备的钴基高温合金焊丝及焊接工艺，消除焊接接头裂纹，避免焊接后零部件在高温使役条件下开裂失效现象的发生，同时在焊接过程中对钴基高温合金的基体材料造成的影响小，所形成的焊接接头与钴基高温合金的基体材料相比，其力学性能相近，同时采用线切割法直接制备的焊丝，所得焊丝中碳化物数量较少，尺寸较小，与传统高温焊接材料相比，本发明焊接材料更适宜于钴基单晶高温合金零部件的焊接修复工作。

附图说明

图1为实施例1中直接切割法制备出焊丝的宏观照片。

图2为实施例1中焊后的接头显微组织照片。

图3为对比例1中焊后的接头显微组织照片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

本实施例待焊母材为钴基高温合金DZ40M。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：

C 0.02％，Cr 15.0％，Ni 6.5％，W 5.5％，Mo 1.0％，Al 1.5％，Ti 0.01％，Fe3.0％，Ta 0.8％，B 0.04％，Zr 0.8％，Co为余量，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼工艺为：1590℃精炼15min，1540℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为150mm，焊丝直径为0.8mm，如图1。

焊接方法：焊接前，将固溶态钴基高温合金DZ40M的样品，使用800号砂纸打磨待焊母材，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，焊接时，采用焊接电流为20A，电压为10V。并进行时效处理。焊接连接后，980℃/66MPa持久寿命为137h。

实施例2

本实施例待焊母材为钴基高温合金DZ40M。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：C 0.05％，Cr 25.0％，Ni 16.5％，W 6.5％，Mo1.5％，Al 01.0％，Ti 0.08％，Fe 2.0％，Ta 0.2％，B 0.03％，Zr 0.2％，Co为余量，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1570℃精炼10min，1510℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为150mm，焊丝直径为1.6mm。

焊接方法：焊接前，将固溶态钴基高温合金DZ40M的样品，使用800号砂纸打磨待焊母材，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，焊接时，采用焊接电流为30A，电压为10V。并进行时效处理。焊接连接后，980℃/66MPa持久寿命为122h。

实施例3

本实施例待焊母材为钴基高温合金DZ40M。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：C 0.04％，Cr 20.0％，Ni 12.5％，W 7.0％，Mo2.0％，Al 0.8％，Ti 0.1％，Fe 2.0％，Ta 0.4％，B 0.02％，Zr 0.25％，Co为余量，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1550℃精炼12min，1490℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为150mm，焊丝直径为2mm。

焊接方法：焊接前，将固溶态钴基高温合金DZ40M的样品，使用800号砂纸打磨待焊母材，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，焊接时，采用焊接电流为42A，电压为12V。并进行时效处理。焊接连接后，980℃/66MPa持久寿命为113h。

对比例1

本例待焊母材为钴基高温合金DZ40M。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：C 0.06％，Cr 25.0％，Ni 16.5％，W 6.5％，Mo0.4％，Al 0.6％，Ti 0.08％，Fe 2.0％，Ta 0.2％，B 0.2％，Zr 0.2％，Co为余量，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1570℃精炼10min，1510℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为150mm，焊丝直径为1.2mm。

焊接前，将固溶态钴基高温合金DZ40M的样品，使用800号砂纸打磨待焊母材，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，焊接时，采用焊接电流为39A，电压为12V。并进行时效处理。焊接连接后焊缝区成分与DZ40M合金相似，接头980℃/66MPa持久寿命为60h。

对比例2

本例待焊母材为钴基高温合金DZ40M。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：C 0.3％，Cr 25.0％，Ni 16.5％，W 6.5％，Mo0.4％，Al 0.9％，Ti 0.08％，Fe 2.0％，Ta 0.2％，B 0.02％，Zr 0.2％，Co为余量，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1570℃精炼10min，1510℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为200mm，焊丝直径为2.2mm。

焊接前，将固溶态钴基高温合金DZ40M的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止焊接过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为65A，电压为12V。并进行时效处理。焊接连接后，980℃/66MPa持久寿命为40h。

由上述实施例中可以看出(图2)，焊接接头中不存在裂纹，避免了高温使役条件下发生失效。实施例焊接后的样品焊缝区成分与DZ40M合金相似，接头980℃/66MPa持久寿命大于100h。说明与传统高温合金焊接材料相比，本发明焊接丝更适宜于钴基单晶高温合金的焊接。

由上述对比例中样品焊接接头的显微组织图中(图3)可以看出，相较于实施例，其焊接接头中存在裂纹，这会导致接头的高温性能降低。由对比例中连接后样品力学性能测试结果可以看出，连接后焊接接头的持久寿命无法满足使用要求要求。

Claims

1.一种高温合金焊接用钴基合金焊丝，其特征在于：该焊丝为钴基合金丝材，按重量百分含量计，该焊丝的化学成分如下：

C 0.01～1.2％，Cr 15.0～35.0％，Ni 6.5～20.5％，W 5.5～10.5％，Mo 0.1～2.5％，Al 0.1～6.5％，Ti 0.01～0.1％，Fe 0～3.0％，Ta 0.01～0.8％，B 0.01～0.05％，Zr0.01～0.8％，Co为余量。

2.根据权利要求1所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝，其特征在于：按重量百分含量计，该焊丝优选的化学成分如下：

C 0.01～0.06％，Cr 15.0～30.0％，Ni 6.5～20.5％，W 5.5～10.5％，Mo 0.1～2.5％，Al 0.1～2％，Ti 0.01～0.1％，Fe 0～3.0％，Ta 0.01～0.8％，B 0.01～0.04％，Zr0.01～0.8％，Co为余量。

3.根据权利要求1所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝，其特征在于：所述焊丝为直径0.8-2.4mm的圆柱形丝材，长度100-200mm。

4.根据权利要求1所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)按照所述焊丝的化学成分配料，采用真空感应炉熔炼出母合金锭；

(2)将母合金锭采用线切割的方法直接切出圆柱形焊丝，长度为100-200mm，焊丝直径为0.8～2.4mm；

(3)对焊丝表面采用打磨机进行打磨抛修，去除氧化皮，即获得所述焊丝产品。

5.根据权利要求4所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述熔炼工艺为：1460～1610℃精炼8-15min，1440～1570℃浇注。

6.根据权利要求1所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝的应用，其特征在于：采用所述焊丝进行钴基高温合金的熔焊焊接，焊接电流为15-45A，电压为8-12V。

7.根据权利要求6所述的高温合金焊接用钴基合金焊丝，其特征在于：所述焊接连接后，接头在980℃/66MPa条件下的持久寿命≥100h。