CN1426338A - 钎焊方法和由此制得的制品 - Google Patents

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Abstract

一种钎焊不锈钢部件形成复杂形体如叶轮的方法。所述方法包括如下步骤：提供一些由所选的不锈钢合金制成并成形的不锈钢部件：提供具有所选组成并和不锈钢相容的钎焊合金；在控制的时间内加热不锈钢部件和钎焊合金至液相线温度，实现钎焊；冷却不锈钢部件和钎焊合金至充分低于钎焊合金液相线温度的淬火温度，提供在钎焊合金中大于约20Ksi的拉伸强度；在给定时间内将组合件从淬火温度淬火至低于400°F的温度，通过热处理提供不变形和开裂的，在不锈钢部件中具有所需机械性能的钎焊组合件。

Description

钎焊方法和由此制得的制品
技术领域
本发明涉及一种钎焊不锈钢部件，尤其是钎焊复杂形状不锈钢部件的方法。本发明涉及在钎焊之后予以受控冷却和淬火处理，将许多具有复杂几何形状的独立不锈钢部件钎焊形成整体组合件而不开裂的钎焊方法。而且，本发明还涉及由所述方法制得的制品，更适宜为不锈钢叶轮组合件。
背景技术
焊接组合件如叶轮，通常由两个或多个独立部分形成。例如叶轮组合件，其一部分称作轮毂，可以包含或不包含整体切削加工形成或焊接上去的叶片。另一部分称作盖片，可以包含或不包含整体切削加工形成或焊接上去的叶片。这两部分，至少有一部分包含整体切削加工形成或焊接上去的叶片，通常通过钎焊方法连接在一起形成一整体组合件，称作叶轮。因需要所用基材的机械性能，就要求随后进行冷却和淬火处理。
传统的钎焊方法，在仅稍低于钎焊合金液相温度的温度进行淬火处理，能确保基材的机械性能能令人满意。虽然此传统的方法对基材有益，但是有证据显示，钎焊接头在此淬火温度获得的强度不充分，这样有时会导致钎焊接头的开裂。这一点在具有能在冷却时产生热应力的截面厚度有差异的复杂形状如叶轮组合件中，尤其如此。
钎焊接头强度的问题已经可以通过许多途径进行处理。Timsit的美国专利No.5,190,596揭示了一种利用金属和钎焊助焊剂的混合物对金属表面进行钎焊的方法。该混合物中的金属是用来与一个或两个表面金属形成可钎焊低熔体。Castaldo等人的美国专利No.6,112,971揭示了使用Ni-13Cr-2.8B-4Si-4Fe钎焊合金对304L不锈钢部件进行钎焊。Saito等人的美国专利No.6,074,604揭示了一种用于在低温钎焊不锈钢的焊料金属，不会对不锈钢的性能产生不利影响，并使钎焊接头的脆性降至最低。该焊料金属包含5～30重量％的锰或锡、20～70重量％的铜和不可避免存在的杂质，余量为镍。虽然每篇上述引用的参考文献在钎焊接头强度和使用寿命上取得了一定的改进，但是并没有提供高应力用途如叶轮的钎焊接头所需的强度。在这方面特别考虑的问题包括钎焊接头的开裂和热变形的发展，这是个会出现在钎焊叶轮组合件中的问题。
我们的确需要一种能提供具有足够机械性能并不易开裂的钎焊接头的叶轮组合件钎焊方法。
发明内容
本发明的钎焊方法包括如下步骤：将钎料合金置于不锈钢部件之间；由室温加热钎料合金和不锈钢部件5～8小时至钎焊合金的液相线温度，实现所需的钎焊过程；以受控方式冷却钎焊的不锈钢部件至由钎焊合金的固相线温度钎焊合金能获得所需强度的温度(1200～1400°F)，然后接着淬火至低于400°F的温度。之后根据不锈钢部件是马氏体还是沉淀硬化合金，可以回火或进一步加热处理钎焊的制品。在通过钎焊过程中进行的热处理获得不锈钢材料所需的机械性能的同时，本发明的方法可以确保钎焊接头的机械强度足以承受淬火处理产生的应力。
本发明的钎焊方法使用能克服已有技术缺点的钎料组合物，所述钎料组合物包含80～85重量％的金和15～20重量％的镍。优选的钎焊合金通常在1700～2100°F(液相线温度)呈液相状态。
本发明进一步包括可和该钎焊合金一起使用的特定不锈钢基合金组合物和用来形成上述钎焊接头的方法。本发明所发现的优选不锈钢合金材料称为17Cr-4Ni沉淀硬化(“PH″)型不锈钢合金和13Cr-4Ni不锈钢合金。本发明所用的17Cr-4Ni沉淀硬化型不锈钢合金组合物以重量百分数计包含：最高为0.07％的碳、14～17.7％的铬、3.5～5.5％的镍、2.5～5.0％的铜、0.15～0.45％的铌、最高为1.000％的锰、最高为0.004％的磷、最高为0.03％的硫、最高为1.00％的硅、最高为0.05％的氮，余量基本上为铁和伴随的杂质。
本发明所用的13Cr-4Ni不锈钢合金以重量百分数计包含：0.015～0.03％的碳、12～14％的铬、3.5～4.5％的镍、0.3～0.7％的钼、0.3～0.6％的硅、0.5～1％的锰、最高为0.025％的磷、最高为0.005％的硫、0.02～0.05％的氮，余量基本上为铁和伴随的杂质。
本发明的一个优选实施方式中，使用钎焊合金和形成钎焊接头的方法以及优选的不锈钢合金组合物制造完整的叶轮组合件。本文所述的由此钎焊方法制得的叶轮组合件也是本发明的一个方面。
附图说明
图1是本发明典型钎焊热循环的温度与时间的关系图表。
图2是包括载有整体叶片的盖片、轮毂和钎焊接头的完整叶轮组合件的片段侧视图。
图3是沿图2中线III-III截取的，显示盖片、叶片、轮毂和钎焊接头位置的截面图。
图4是根据本发明制造的钎焊接头的最终拉伸强度与温度的关系图表。
具体实施方式
本发明所用的优选钎料合金组合物能提供所得的不锈钢组合件足够的强度。所述钎料合金组合物通常适宜包含80～85重量％、较好为81～84重量％、更好为81.5～82.5重量％的金和15～20重量％、较好为16～19重量％、更好为17.5～18.5重量％的镍。
所述钎料合金的特征是能够在1700～2100°F的液相线温度、适宜在1700～1900°F的液相线温度、较适宜在1740～1840°F的液相线温度、更适宜在1730～1750°F的液相线温度呈液相状态。所述钎焊合金尤其优选的液相温度为1740°F。所述钎料合金进一步的特征是能够在1200～1500°F的温度、较适宜在1200～1400°F的温度、更适宜在1300～1350°F的温度成为具有足够强度的完全固相。此钎焊合金可以是以箔、带、丝、粉末或糊等钎焊技术中所有已知的形式存在。
任何一种不锈钢合金均可和此钎料合金组合物用于本发明的方法中。要进行钎焊的两个不锈钢部件优选具有相同的不锈钢合金组成。不锈钢合金组合物也优选是马氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢合金中的一种，以便在钎焊期间进行的热处理中获得所需的机械性能。通过此方式可获得坚固的具有不开裂钎焊接头的基底金属。能在本发明方法中和此钎料合金组合物共同使用的范围广泛的不锈钢合金组合物，包含最高为0.1重量％的碳、10～20重量％的铬、2～10重量％的镍、最高为1.0重量％的钼、最高为1.5重量％的硅、最高为1.5重量％的锰、最高为0.5重量％的磷、最高为0.1重量％的硫、最高为0.5重量％的铌、最高为5重量％的铜、最高为0.1重量％氮，余量基本上为铁和伴随的杂质。
尤其适合用于本发明的优选不锈钢合金组合物是17Cr-4Ni沉淀硬化型不锈钢。所述不锈钢合金组合物以重量百分数计包含：最高为0.07％的碳、14～17.7％的铬、3.5～5.5％的镍、2.5～5.0％的铜、最高为1.000％的锰、最高为0.004％的磷、最高为0.03％的硫、最高为1.00％的硅、0.15～0.45％的铌、最高为0.05％的氮，余量基本上为铁和伴随的杂质。
用于本发明的另一种优选不锈钢合金组合物是13Cr-4Ni不锈钢合金。所述13Cr-4Ni不锈钢合金以重量百分数计包含：0.015～0.03％的碳、12～14％的铬、3.5～4.5％的镍、0.3～0.7％的钼、0.3～0.6％的硅、0.5～1％的锰、最高为0.025％的磷、最高为0.005％的硫、0.02～0.05％的氮，余量基本上为铁和伴随的杂质。
本发明具体涉及钎焊不锈钢部件生产不锈钢组合件或制品，尤其是叶轮组合件的方法。此钎焊方法通常包括如下步骤：将以重量百分数计包含80～85％、较好为81～84％、更好为81.5～82.5％的金和15～20％、较好为16～19％、更好为17.5～18.5％的镍的钎焊合金置于具有选定组成和形状以便形成制品的不锈钢部件之间；将这些不锈钢部件置于能维持惰性环境或真空环境的受控气氛的炉子中；在5～8小时的时间内以受控的方式将炉子、钎焊合金和不锈钢部件的温度由室温升高至钎焊合金的稳定液相线温度，所述液相线温度适宜在1700～2100°F之间，较适宜在1700～1900°F之间、更适宜在1800～1875°F之间；在30分钟～5小时的时间内以受控的方式将炉子和不锈钢部件的温度由钎焊合金的液相线温度降低至钎焊合金能成为所需强度的完全固相的温度，所述温度适宜在1200～1400°F之间，较适宜在1250～1350°F之间、更适宜在1275～1325°F之间；然后在氩气或氮气等非氧化性气相介质中将钎焊的不锈钢组合件气相淬火至低于400°F。
用于上述方法的钎料合金可以是以箔、带、丝、粉末或糊等的形式存在。所述钎焊合金可以直接置于要连接的不锈钢部件之间的间隙中。部件之间的间隙宜控制在约0.001～0.004英寸以内，但在某些情况下可以高达0.01～0.04英寸。二者择一地或除此之外，钎焊合金也可以用在钎焊接头所需形成的位置或接近它的位置。
在用于形成制品，如已知为具有各种截面的复杂几何形状的完整叶轮组合件时，发现本发明的钎料合金和钎焊方法尤其有用。用本发明的方法制造的叶轮组合件在钎焊接头上出现的开裂比已有技术生产的叶轮组合件要少，而且也证实由于进行了新型的热处理，热变形程度降至最小。因此本发明的方法可以用于制造具有复杂几何形状的高质量不锈钢钎焊组合件如叶轮组合件。
制造完整的叶轮组合件的优选方法包括如下步骤：将以重量百分数计包含81.5～82.5％的金和17.5～18.5％的镍的钎焊合金置于不锈钢部件，适宜为轮毂部件和盖片部件之间，这两个不锈钢部件均具有或17Cr-4Ni沉淀硬化型不锈钢或13Cr-4Ni不锈钢合金的相同组分；将这些不锈钢部件置于能维持惰性环境或真空环境的受控制气氛的炉子中；在5.5～6.5小时的时间内以受控的方式将炉子、钎焊合金和不锈钢部件的温度由室温升高至钎焊合金的稳定液相线温度，通常是在1700～1900°F之间；保持此温度30～90分钟以完全熔解所述钎料合金；在1～3小时内以受控的方式将炉子和所得不锈钢叶轮的温度由钎焊合金的液相线温度降低至1300～1350°F的温度下，此时钎焊合金成为具有约25～30Ksi强度的完全固相；然后在氩气或氮气等非氧化或非碳化气相介质中将钎焊的不锈钢组合件淬火，即使不锈钢叶轮组合件的温度在2小时内从1300～1350°F降至低于400°F。此淬火将导致由奥氏体向马氏体的相转变，用以提高13Cr-4Ni不锈钢合金的强度和硬度。对于马氏体钢如13Cr-4Ni型不锈钢，也可以进行淬火以后的回火步骤，形成回火马氏体结构；对于沉淀硬化钢如17Cr-4Ni沉淀硬化型不锈钢，可以进行淬火后的硬化热处理，为强化/硬化目的产生铜型沉淀。
图1显示了生产本发明完整叶轮组合件的优选方法所用的一个典型热循环。在图1中，在约6小时内，将要钎焊的组合件加热至钎焊合金的液相或液相线温度即约1850°F，并保持此温度约1小时。在约2小时内将这钎焊的组合件冷却至1300°F。然后在约1小时内将已钎焊的组合件气相淬火至约350°F。所述叶轮组合件没有出现热变形，并且所有的钎焊接头完好且没有开裂。
本发明进一步包括通过上述方法制造的完整叶轮组合件。本发明优选的完整叶轮组合件包括轮毂、盖片和叶片，上述部件都是17Cr-4Ni沉淀硬化型不锈钢或13Cr-4Ni不锈钢；轮毂和盖片通过由适宜含有81.5～82.5重量％金和17.5～18.5重量％镍的钎料合金形成的钎焊接头连接在一起。
叶轮组合件包括三个主要部分。这三个部分是叶轮轮毂、叶轮盖片和许多叶轮叶片。在制造叶轮过程中，叶片或者可以是与轮毂或盖片整体切削加工形成，也可以是先单独制造，然后通过焊接和轮毂或盖片结合在一起。叶片和轮毂或盖片结合在一起以后，就通过钎焊将包含叶片的部件的外露的叶片边缘和不包含叶片的部件连接在一起，形成最终的叶轮组合件。在本发明的情况中，最终叶轮组合件是通过本发明钎焊方法获得的。
在图2中，完整的叶轮组合件1包括具有整体叶片3的盖片5和轮毂2。叶片3借助钎焊接头4连接在轮毂2的一个表面。所述钎焊接头是通过将本文所述的钎料合金置于叶片3和轮毂2的外露边缘之间，然后进行本发明的钎焊方法获得的。当然，叶轮组合件包含许多个叶片3需要按照本发明同时进行钎焊。
图3是显示借助钎焊接头4将具有整体叶片3的盖片与连接于轮毂2形成的叶轮组合件1的截面图。
通常，为了获得本发明的最终钎焊的叶轮组合件1，包括如下步骤。将钎料合金的许多小条置于叶片3的外露边缘处。之后使不含有叶片的部件(轮毂或盖片)和叶片的外露边缘接触，并和此后形成钎焊接头4而形成叶轮组合件的钎料合金小条接触。呈糊状或细丝状的额外钎焊合金则沿叶片的边缘放置，以便形成钎焊接头。然后将所述叶轮组合件置于氩气或真空的受控气氛的炉子中，加热至钎焊合金的液相线温度。
使用本发明所提出的不锈钢材料的传统钎焊方法，通常会开始一个恰在钎焊合金液相线温度以下进行的淬火操作。图4显示了代表在各种温度下钎焊接头的强度的曲线，所述数据显示，在恰低于钎焊接头的液相线温度(～1750°F)的温度进行淬火时，钎焊接头的强度很低(约9,000Ksi)。该图也显示，当淬火温度由液相线温度降低时，钎焊接头的强度提高。由于典型叶轮组合件的复杂几何形状，当组合件淬火时在钎焊接头上将引起大量的应力。为了制造不开裂的钎焊组合件，本发明认识到，淬火操作开始时的温度必须是钎焊接头具有足够强度的温度。
图4显示了典型的用于本发明完整叶轮组合件的钎焊接头的最终拉伸强度与淬火温度关系的曲线。所述完整叶轮组合件证实，当钎焊的组合件从约1250°F淬火时，钎焊接头的热变性和开裂最小，这是因为钎焊接头4的拉伸强度差不多为30Ksi。
图4中的数据显示，本发明的钎焊接头在1250～1300°F淬火所得的强度是已有技术在1650°F淬火所得强度的差不多3倍。相反，若淬火开始的温度太低，就不能获得不锈钢基底金属的最终性能，因为本文所揭示的不锈钢金属或者需要固溶体退火条件或者需要气体淬火条件，接着或进行时效硬化或钎焊后进行回火热处理。本发明钎焊步骤和开始淬火步骤所选择的时间和温度参数能满足本文所揭示的优选叶轮基底金属的热处理要求。淬火后的步骤可以是在950～1250°F，或适宜在约950～1120°F下进行的回火步骤，在上述13Cr-4Ni合金中产生回火马氏体结构。淬火后的步骤也可以是在约1100°F进行约1～4小时的热处理步骤，接着空气冷却，在17Cr-4Ni沉淀硬化型合金中产生起硬化/强化作用的铜型沉淀。在大截面部件的情况下，需要缓慢地将炉子冷却至800°F以下，以避免产生热变形。
本发明已经结合一些优选实施方式进行了说明。阅读和理解上述说明以后可以作出明显的修改和替换。本发明可以认为包括所有这些修改和替换，只要它们均在所附的权利要求和其等价内容的范围内。

Claims (20)

1.一种在不锈钢部件之间形成钎焊接头的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供至少两个具有所选组成和形状的不锈钢部件；
(b)提供具有和所述不锈钢部件所选组成相容的钎料合金；
(c)将钎料合金置于由至少两个需要连接的不锈钢部件形成的间隙中或靠近于该间隙的位置；
(d)以受控的方式将所述不锈钢部件和所述钎焊合金由室温加热至所述钎焊合金的液相线温度，制造钎焊的组合件；
(e)以受控的方式将所述钎焊的组合件由所述液相线温度冷却至所述钎焊合金具有所需强度的温度；
(f)将步骤(e)中所述的冷却钎焊组合件淬火至低于400°F的温度。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤(d)中将所述钎焊合金和不锈钢部件加热至1740～2100°F的液相线温度。
3.权利要求2所述的方法，其特征在于在步骤(e)中将所述钎焊的组合件冷却至1200～1400°F。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)中提供的不锈钢部件所选择的组成是17Cr-4Ni沉淀硬化型合金和13Cr-4Ni马氏体合金中的一种，其中步骤(b)中提供的钎料合金包含80～85重量％的金和15～20重量％的镍。
5.权利要求1所述的方法，其特征在于所述钎焊合金以箔、带、丝、粉末或糊的形式存在。
6.权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(c)所述的间隙的宽度为0.001～0.014英寸。
7.一种由权利要求1的方法制造的制品。
8.权利要求7所述的制品，其特征在于所述制品为叶轮组合件形式。
9.一种通过钎焊连接不锈钢部件的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供至少两个具有所选形状和组成的不锈钢部件，所选组成选自17Cr-4Ni沉淀硬化型合金和13Cr-4Ni马氏体合金中的一种；
(b)提供含有80～85重量％金和15～20重量％镍的钎料合金；
(c)将钎料合金置于由至少两个需要连接的不锈钢部件形成的间隙中或靠近于该间隙的位置；
(d)在5～8小时的时间内将所述不锈钢部件和所述钎焊合金由室温加热至1740～2100°F的液相线温度；
(e)在1/2～5小时的时间内，将所述钎焊的组合件由所述液相线温度冷却至1200～1400°F之间；
(f)在不到2小时的时间内，将步骤(e)所述冷却的钎焊组合件由1200～1400°F淬火至低于400°F的温度。
10.权利要求9所述的方法，其特征在于所选的不锈钢组成是17Cr-4Ni沉淀硬化型合金，所述合金以重量百分数计包含：
      14～17.7％的铬；
      3.5～5.5％的镍；
      2.5～5.0％的铜；
      0.15～0.45％的铌；
      最高为0.07％的碳；
      最高为1.000％的锰；
      最高为0.004％的磷；
      最高为0.03％的硫；
      最高为1.00％的硅；
      最高为0.05％的氮；
      余量基本上为铁和伴随的杂质。
11.权利要求9所述的方法，其特征在于所选的不锈钢组成是13Cr-4Ni马氏体合金，所述合金以重量百分数计包含：
      0.015～0.03％的碳；
      12～14％的铬；
      3.5～4.5％的镍；
      0.3～0.7％的钼；
      0.3～0.6％的硅；
      0.5～1％的锰；
      最高为0.025％的磷；
      最高为0.005％的硫；
      0.02～0.05％的氮；
      余量基本上为铁和伴随的杂质。
12.权利要求9所述的方法，其特征在于加热步骤(d)中所述的液相线温度在1800～1875°F之间。
13.权利要求9所述的方法，其特征在于所述的冷却步骤(e)是从液相线温度冷却至1275～1325°F之间的温度，之后再进行所述淬火步骤(f)。
14.一种按权利要求9所述的方法制造的叶轮组合件。
15.一种通过钎焊制造叶轮组合件的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)提供至少两个具有所选形状和组成的不锈钢部件，所选组成选自17Cr-4Ni沉淀硬化型合金和13Cr-4Ni马氏体合金中的一种；
(b)提供含有80～85重量％金和15～20重量％镍的钎料合金；
(c)将钎料合金置于由至少两个需要连接的不锈钢部件形成的间隙中或靠近于该间隙的位置；
(d)在5～8小时的时间内，将所述不锈钢部件和所述钎焊合金由室温加热至1740～2100°F的液相线温度；
(e)在1/2～5小时的时间内，将所述钎焊的组合件由所述液相线温度冷却至1200～1400°F之间；
(f)在2小时内将步骤(e)所述冷却的钎焊组合件由1200～1400°F淬火至低于400°F的温度。
16.权利要求15所述的方法，其特征在于所选的不锈钢组成是17Cr-4Ni沉淀硬化型合金，所述合金以重量百分数计包含：
      14～17.7％的铬；
      3.5～5.5％的镍；
      2.5～5.0％的铜；
      0.15～0.45％的铌；
      最高为0.07％的碳；
      最高为1.000％的锰；
      最高为0.004％的磷；
      最高为0.03％的硫；
      最高为1.00％的硅；
      最高为0.05％的氮；
      余量基本上为铁和伴随的杂质。
17.权利要求15所述的方法，其特征在于所选的不锈钢组成是13Cr-4Ni马氏体合金，所述合金以重量百分数计包含：
      0.015～0.03％的碳；
      12～14％的铬；
      3.5～4.5％的镍；
      0.3～0.7％的钼；
      0.3～0.6％的硅；
      0.5～1％的锰；
      最高为0.025％的磷；
      最高为0.005％的硫；
      0.02～0.05％的氮；
      余量基本上为铁和伴随的杂质。
18.一种完整的叶轮组合件，所述组合件包括：轮毂、盖片和许多叶片，所述叶片和所述轮毂或盖片是一整体，并且每个叶片具有面向盖片或轮毂的外露边缘表面；其中所述轮毂、盖片和叶片由组成基本相同的不锈钢合金形成；许多钎焊接头位于每个叶片的外露边缘表面，所述钎焊接头都由钎料合金形成，所述钎料合金在从低于所述液相线温度的温度进行淬火时具有大于约25Ksi的拉伸强度，能防止所述钎料合金开裂并为不锈钢合金提供所需的机械性能。
19.权利要求18所述的叶轮组合件，其特征在于所述轮毂、盖片和叶片的不锈钢合金是17Cr-4Ni沉淀硬化型合金；其中所述钎料合金包含80～85重量％的金和15～20重量％的镍。
20.权利要求18所述的叶轮组合件，其特征在于所述轮毂、盖片和叶片的不锈钢合金是13Cr-4Ni马氏体合金；其中所述钎料合金包含80～85重量％的金和15～20重量％的镍。
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