CN112872652B - 一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用。本发明的Ni基高温合金焊丝以质量百分含量计，包括C：0.05～0.07％，Cr：20～23％，Co：18.5～19.5％，W：1.8～2.2％，Al：1.4～1.6％，Ti：2.0～2.2％，Ta：1.3～1.5％，B：0.002～0.006％，余量为Ni。本发明通过在焊丝中添加高Al、Ti、Ta这三种强化元素，可以获得足够多的强化相，使得焊接接头的强度显著提高，同时通过和其他元素的配合作用，保证焊丝与镍基铸造高温合金的膨胀系数差异较小，减小裂纹敏感性，进而获得无裂纹或者裂纹数量少的焊接接头。

Description

一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
镍基铸造高温合金具有优异的高温力学性能和耐腐蚀性能，被广泛的用于航空航天发动机和燃气轮机热端部件中。在长期服役后，部件容易出现裂纹和腐蚀坑等缺陷，直接更换零部件会极大的增加设备的成本。
采用焊接的方法对缺陷部位进行修复能够显著降低运行成本，延长设备的使用寿命。但是，镍基铸造高温合金的焊接性较差，现有技术往往通过采用较低强度的焊丝进行焊接以获得没有裂纹的焊接接头，即通过牺牲焊接接头的力学性能来换取没有裂纹的焊接接头。因此，如何确保镍基高温合金的焊接接头没有裂纹、同时力学性能优异，成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用，采用本发明提供的焊丝可以确保镍基铸造高温合金的焊接接头没有裂纹，同时接头力学性能优异。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝，以质量百分含量计，包括C：0.05～0.07％，Cr：20～23％，Co：18.5～19.5％，W：1.8～2.2％，Al：1.4～1.6％，Ti：2.0～2.2％，Ta：1.3～1.5％，B：0.002～0.006％，余量为Ni。
本发明提供了上述方案所述Ni基高温合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：
对应上述方案所述Ni基高温合金焊丝的组成进行配料，然后依次进行真空感应熔炼和真空自耗冶炼，得到铸锭；
将所述铸锭进行切割，得到圆棒；
将所述圆棒进行固溶处理，得到固溶合金；
将所述固溶合金进行冷旋锻，得到盘条；
将所述盘条进行退火处理，得到退火盘条；
将所述退火盘条进行冷拔，得到高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝。
优选的，所述固溶处理的温度为1150～1170℃，保温时间在4h以上，所述固溶处理在空气氛围下进行。
优选的，所述退火处理的温度为1140～1160℃，保温时间在4h以上，冷却方式为空冷；所述退火处理在空气氛围下进行。
优选的，所述冷旋锻之前，还包括对固溶合金进行表面抛光处理。
优选的，所述冷拔之前，还包括对退火盘条进行表面抛光处理。
优选的，所述圆棒的直径为20mm、长度为300mm。
优选的，所述冷旋锻包括三次加工，第一次、第二次和第三次加工后得到的盘条直径分别为15mm、13mm和12.2mm。
优选的，所述冷拔为5道次冷拔，每道次冷拔后的直径依次为10mm、8mm、6mm、4mm和2mm。
本发明提供了上述方案所述Ni基高温合金焊丝或上述方案所述制备方法制备得到的Ni基高温合金焊丝在镍基铸造高温合金焊接中的应用。
本发明提供了一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝，以质量百分含量计，包括C：0.05～0.07％，Cr：20～23％，Co：18.5～19.5％，W：1.8～2.2％，Al：1.4～1.6％，Ti：2.0～2.2％，Ta：1.3～1.5％，B：0.002～0.006％，余量为Ni。本发明通过在焊丝里面添加高Al、Ti、Ta这三种强化元素，可以获得足够多的强化相，使得焊接接头的强度显著提高，同时通过和焊丝中的其他元素的配合作用，保证焊丝与镍基铸造高温合金的膨胀系数差异较小，减小裂纹敏感性，进而获得无裂纹或者裂纹数量少的焊接接头。
附图说明
图1为实施例1焊丝升温时的热分析曲线；
图2为实施例1焊丝降温时的热分析曲线；
图3为实施例1焊丝的物相含量与温度的关系曲线；
图4为实施例1焊丝和现有焊丝作为填充金属对IN939镍基铸造高温合金施焊后焊缝的裂纹长度对比图；
图5为实施例1焊丝焊接IN939高温合金后接头的力学性能与母材性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝，以质量百分含量计，包括C：0.05～0.07％，Cr：20～23％，Co：18.5～19.5％，W：1.8～2.2％，Al：1.4～1.6％，Ti：2.0～2.2％，Ta：1.3～1.5％，B：0.002～0.006％，余量为Ni。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括C：0.05～0.07％，优选为0.055～0.065％，更优选为0.06％。在本发明的实施例中，具体为0.05％、0.06％或0.07％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Cr：20～23％，优选为20.5～22.5％，更优选为21～22％。在本发明的实施例中，具体为20％、22％或23％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Co：18.5～19.5％，优选为18.7～19.2％，更优选为19％。在本发明的实施例中，具体为18.5％、19％或19.5％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括W：1.8～2.2％，优选为1.9～2.1％，更优选为1.95％～2.05％。在本发明的实施例中，具体为1.8％、2.0％或2.2％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Al：1.4～1.6％，优选为1.45％～1.55％，更优选为1.5％。在本发明的实施例中，具体为1.4％、1.5％或1.6％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Ti：2.0～2.2％，优选为2.05～2.15％，更优选为2.1％。在本发明的实施例中，具体为2.0％、2.1％或2.2％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Ta：1.3～1.5％，优选为1.35～1.45％，更优选为1.4％。在本发明的实施例中，具体为1.3％、1.4％或1.5％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括B：0.002～0.006％，优选为0.003％～0.005％，更优选为0.004％。在本发明的实施例中，具体为0.002％、0.004％或0.006％。
以质量百分含量计，本发明提供的Ni基高温合金焊丝包括Ni余量。
本发明提供的Ni基高温合金焊丝还包括其他不可避免的杂质。
本发明通过在焊丝里面添加高Al、Ti、Ta这三种强化元素，可以获得足够多的强化相，使得焊接接头的强度显著提高，同时通过和焊丝中的其他元素的配合作用，保证焊丝与镍基铸造高温合金的膨胀系数差异较小，减小裂纹敏感性，进而获得无裂纹或者裂纹数量少的焊接接头。
本发明提供了上述方案所述Ni基高温合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：
对应上述方案所述Ni基高温合金焊丝的组成进行配料，然后依次进行真空感应熔炼和真空自耗冶炼，得到铸锭；
将所述铸锭进行切割，得到圆棒；
将所述圆棒进行固溶处理，得到固溶合金；
将所述固溶合金进行冷旋锻，得到盘条；
将所述盘条进行退火处理，得到退火盘条；
将所述退火盘条进行冷拔，得到高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝。
本发明对应上述方案所述Ni基高温合金焊丝的组成进行配料，然后依次进行真空感应熔炼和真空自耗冶炼，得到铸锭。本发明对所述配料、真空感应熔炼和真空自耗冶炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的过程即可。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭进行切割，得到圆棒。在本发明中，所述切割优选为线切割。所述圆棒的直径优选为20mm，长度优选为300mm。得到圆棒后，本发明将所述圆棒进行固溶处理，得到固溶合金。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为1150～1170℃，更优选为1160℃；保温时间优选为4h以上，更优选为4h；冷却方式优选为强风冷却；本发明对所述强风冷却没有特殊要求，比空冷的速度快即可，比如用压缩空气吹进行风冷。在本发明中，所述固溶处理优选在空气氛围下进行。在本发明中，所述固溶处理可以降低合金的硬度，使得合金软化，便于后续的冷旋锻加工。
得到固溶合金后，本发明优选先对固溶合金进行表面抛光处理，然后再进行冷旋锻，得到盘条。
本发明对所述表面抛光处理的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的表面抛光处理过程即可。本发明利用表面抛光处理去除固溶合金表面的氧化膜，在冷旋锻过程中，防止氧化膜进入焊丝，同时抛光处理还可以使得棒材表面光滑，防止旋锻过程中粗糙表面发生材料折叠，形成裂纹源。
在本发明中，所述冷旋锻优选包括三次加工，第一次、第二次和第三次加工后得到的盘条直径分别优选为15mm、13mm和12.2mm。
本发明对应焊丝配料的合金塑性较差，普通锻造方法难以加工，在锻造加工过程中会形成开裂；本发明在冷拔之前采用冷旋锻的加工方法能够很好的规避这种塑性差的问题。
得到盘条后，本发明将所述盘条进行退火处理，得到退火盘条。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为1140～1160℃，更优选为1150℃；保温时间优选为4h以上，更优选为4h；冷却方式优选为空冷；所述退火处理优选在空气氛围下进行。冷旋锻之后，盘条表面会形成一层加工硬化层，使得进一步加工变得非常困难，本发明通过热处理退火处理能够消除这种加工硬化层，保证后续顺利加工。
得到退火盘条后，本发明将所述退火盘条进行冷拔，得到高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝。
在进行冷拔前，本发明优选将退火盘条进行表面抛光处理。本发明对所述表面抛光处理的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的表面抛光处理过程即可。本发明利用表面抛光处理去除退火盘条表面的氧化皮，同时使得冷拔后焊丝表面光滑。
在本发明中，所述冷拔优选为5道次冷拔，每道次冷拔后的直径依次为10mm、8mm、6mm、4mm和2mm。即本发明最终制备的Ni基高温合金焊丝的直径为2mm。
本发明提供了上述方案所述Ni基高温合金焊丝或上述方案所述制备方法制备的Ni基高温合金焊丝在镍基铸造高温合金焊接中的应用。在本发明中，所述镍基铸造高温合金可以为但不局限于IN939、GTD222、IN738镍基铸造高温合金。本发明对所述焊接的条件没有特殊要求，采用本领域熟知的焊接条件即可。
下面结合实施例对本发明提供的高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1～3
按照表1的成分进行配料，经过真空感应熔炼和真空自耗冶炼得到铸锭；
利用线切割设备将所述铸锭加工成直径为20mm、长度为300mm的圆棒；
将线切割后的圆棒进行1160℃保温4h固溶处理后空冷，然后对表面进行抛光处理；
采用旋锻设备将抛光后的棒材分3次变形成直径为15mm、13mm、12.2mm的盘条；
将变形后的盘条经1150℃保温4h退火处理后空冷，再对表面进行抛光处理；
将抛光后的盘条经Φ12.2mm-Φ10mm-Φ8mm-Φ6mm-Φ4mm-Φ2mm共5道次冷拔，最终制成直径为Φ2mm的焊丝。
表1实施例1～3焊丝的成分(wt％)
Figure BDA0002859940460000061
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性能测试
图1为实施例1焊丝升温时的热分析曲线；由图1可知，本发明实施例1的焊丝固相线为1338℃。
图2为实施例1焊丝降温时的热分析曲线；由图2可知，本发明实施例1的焊丝液相线为1381℃。
图3为实施例1焊丝的物相含量与温度的关系曲线；根据图3通过理论计算得出，本发明的焊丝在平衡凝固条件下能够获得约为26％的γ＇相，0.08％的σ相。
应用例
将实施例1的焊丝和市售的GH536焊丝和C263焊丝作为填充金属用于IN939镍基铸造高温合金的焊接，焊接条件为：焊接电流70A，焊接电压8V，焊接速度0.9mm/s。
图4为实施例1焊丝和现有焊丝作为填充金属对IN939镍基铸造高温合金施焊后焊缝的裂纹长度对比图，对应的具体数据见表2；由图4和表2可知，本发明实施例1的焊丝施焊后焊缝裂纹长度明显低于GH536和C263焊丝的焊后焊缝裂纹长度，说明本发明可以显著降低IN939镍基高温合金焊接接头的裂纹敏感性。
表2实施例1焊丝和现有焊丝作为填充金属对IN939镍基铸造高温合金施焊后焊缝的裂纹长度(μm)
焊丝种类 裂纹总长度 裂纹平均长度 裂纹最大长度
GH536焊丝 6714 447 883
C263焊丝 3140 448 930
实施例1焊丝 1463 243 542
图5为实施例1焊丝焊接IN939高温合金后接头的力学性能与母材性能对比图，对应的具体数据见表3。
表3实施例1焊丝焊接IN939高温合金后接头的力学性能与母材性能对比(MPa)
Figure BDA0002859940460000071
由图5和表3可知，采用本发明的焊丝获得的接头抗拉强度达到了母材性能的90％以上，屈服强度也达到了70％以上，满足使用要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝，以质量百分含量计，包括C：0.05～0.07％，Cr：20～23％，Co：18.5～19.5％，W：1.8～2.2％，Al：1.4～1.6％，Ti：2.0～2.2％，Ta：1.3～1.5％，B：0.002～0.006％，余量为Ni。
2.权利要求1所述Ni基高温合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：
对应权利要求1所述Ni基高温合金焊丝的组成进行配料，然后依次进行真空感应熔炼和真空自耗冶炼，得到铸锭；
将所述铸锭进行切割，得到圆棒；
将所述圆棒进行固溶处理，得到固溶合金；
将所述固溶合金进行冷旋锻，得到盘条；
将所述盘条进行退火处理，得到退火盘条；
将所述退火盘条进行冷拔，得到高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1150～1170℃，保温时间为4h以上，所述固溶处理在空气氛围下进行。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为1140～1160℃，保温时间为4h以上，冷却方式为空冷；所述退火处理在空气氛围下进行。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述冷旋锻之前，还包括对固溶合金进行表面抛光处理。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述冷拔之前，还包括对退火盘条进行表面抛光处理。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述圆棒的直径为20mm、长度为300mm。
8.根据权利要求2或7所述的制备方法，其特征在于，所述冷旋锻包括三次加工，第一次、第二次和第三次加工后得到的盘条直径分别为15mm、13mm和12.2mm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述冷拔为5道次冷拔，每道次冷拔后的直径依次为10mm、8mm、6mm、4mm和2mm。
10.权利要求1所述Ni基高温合金焊丝或权利要求2～9任一项所述制备方法制备得到的Ni基高温合金焊丝在镍基铸造高温合金焊接中的应用。
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