NO147262B - Tilsatsmateriale av nikkelsuperlegering i form av traad for minskning av sprekkdannelse ved wolframbuesveising - Google Patents

Abstract

Tilsatsmateriale av nikkelsuperlegering. i form av tråd for minskning av sprekkdannelse ved wolframbuesveising.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et tilsatsmateriale av nikkelsuperlegering for minskning av sprekkdannelse ved wolframbuesveising av gjenstander av nikkelsuperlegeringer, hvor tilsatsmaterialet herder ved eldning ved utfelling av enten

a) r<1->fase hvorved det inneholder 14-22 vekt% Cr, 5-15 vekt% Co, 0-5 vekt% Fe, 0-8 vekt% Mo, 0,5-3 vekt% Mn, 0-0,1 vekt%

C, 0-0,05 vekt% B, 0-0,10 vekt% Zr, samt Al, Ti, Nb og Ta mens resten er Ni, eller

b) "r"-fase, som eventuelt omfatter noe Y'-fase, hvorved

det inneholder 14-22 vekt% Cr, 0-5 vekt% Co, 7-18 vekt% Fe,

0-8 vekt% Mo, 0,5-3 vekt% Mn, 0-0,1 vekt% C, 0-0,05 vekt% B, 0-0,03 vekt% Zr, samt Al, Ti, Nb og Ta, mens resten er Ni.

Nikkelsuperlegeringer anvendes i stor utstrekning på tek-nologisk høyt utviklete områder, f.eks. i gassturbinmotorer.

I visse tilfeller er det nødvendig å sammenføye gjenstander som består av nikkelsuperlegeringer ved forskjellige sveiseprosesser. Det har derved bydd på store vanskeligheter å smeltesveise nikkelsuperlegeringer, og disse vanskeligheter består ofte i sprekkdannelse under eller etter selve sveiseprosessen. Sprekkdannelsen opptrer vanligvis både i smeltesveisingsområdet og i grunnmaterialet nærmest sveisen, dvs. i området som er berørt av oppvarmingen. Kjente løsninger av sprekkdannelsesproblemet ved sveising av superlegeringer har for det meste vært basert på anvendelse av sprekkhemmende sveisetrådlegeringer som imidlertid har forholdsvis lave fasthetsverdier. Tilsetning av slike stoffer til det smeltede sveisegods kan med godt resultat minske omfat-ningen av sprekkdannelse i det smeltede sveisemetall. Derimot er det ikke sikkert at sprekkdannelse hindres i det tilstøtende grunnmaterialeområde som er berørt av oppvarmingen. Denne løsning har også den åpenbare ulempe at sveiseområdet alltid får dårligere fasthetsegenskaper enn de superlegeringsmetaller som sam-menføyes ved hjelp av sveisen. Nikkeltilsatslegeringene, som hittil er blitt anvendt og som har mindre fasthet, har vanligvis ikke vært av den eldningsherdbare type, dvs. at de tidligere anvendte sveisetrådlegeringer generelt har hatt lavt innhold av aluminium, titan, tantal og niob. Typisk for disse tidligere kjente legeringer er den som er kjent fra US-patentskrift 3.113.021. Denne legering inneholder i vekt% ca. 20% krom, ca.

1% jern, ca. 2,5% niob, ca. 3% mangan, ca. 1,2% silisium, ca. 0,35% titan og ca. 0,03% karbon samt resten hovedsakelig nikkel. De sammenlagte mengder aluminium, titan, tantal og niob er mindre enn 3 vekt%, og denne legering vil ikke ha noen vesentlig grad av eldningsherdbarhet. Liknende sveisetrådlegeringer på nikkél-basis er kjent fra "Metals Handbook", 6, side 284, men heller ikke disse legeringer er eldningsherdbare i noen vesentlig grad. Mangan er ikke en vanlig legeringstilsetning til eldningsherdbare nikkelsuperlegeringer, selv om dette metall kan inngå i visse legeringer i mindre mengder, vanligvis bare som en foru-rensning.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et tilsatsmateriale av eldningsherdbare sveisetrådlegeringer på nikkelbasis, som nedsetter sprekkdannelsen i grunnmetallet ved smeltesveising av høyfaste nikkelsuperlegeringer.

Tilsatsmaterialet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at i a) er Al-innholdet 0,7-3 vekt%, Ti-innholdet 0,5-4 vekt%

og Ta- + Nb-innholdet 0-6 vekt%, hvorved summen Al + Ti er større enn 3 vekt%, mens i b) er Al-innholdet 0,5-1,5 vekt%, Ti-innholdet 0-2 vekt% og Nb-innholdet 2-5 vekt% og Ta-innholdet 0-8 vekt%, og summen av Al, Ti, Nb og Ta er større enn 5 vekt%.

Disse sveisetrådlegeringer har en meget gunstig kombina-sjon av egenskaper, slik at de ved tilsetning under smeltesveising på en gunstig måte forandrer den spenningsdeformasjonsdyna-mikk som forårsaker sprekkdannelse i den varmepåvirkete grunn-metallsone under sveisingen eller under varmebehandlingen som etterfølger sveisingen. En vesentlig fordel oppnås ved tilsetning av mangan til sveisetrådlegeringer for å senke legeringenes smelteintervall (solidustemperatur). Andre legeringsstoffer ■som senker solidustemperaturen eller medfører forandrete egenskaper, gir ikke samme store fordeler som tilsetning av mangan. Sveiser som er fremstilt med tilsatsmaterialet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan eldningsherdes til høye fasthetsverdier på grunn av nærværet av elementene tantan, niob, aluminium og titan i sveisetrådmaterialet, som feller ut de intermetalliske y'- og Y"-faser. y'- + y"-smeltetråder foretrekkes når maksimal sveisbarhet og høy fasthet ønskes ved middels sveisetemperaturer.

De y<1->herdete sveisetråder gir bedre sveisbarhet sammen med størst mulig høytemperaturfasthet.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori:

Fig. 1 viser en forbindelse mellom solidustemperaturen

hos en rekke kommersielle og eksperimentelle nikkelsveisetråd-legeringer og sprekkdannelse i det varmepåvirkete område ved sveising av en nikkelsuperlegering. Fig. 2 viser en forbindelse mellom relative grader av sprekkdannelse i det varmepåvirkete område og sveisetrådens solidustemperaturer for de særlig fordelaktige sveisetrådtil-satsmaterialer ifølge oppfinnelsen og noen vanlig anvendte kommersielle sveisetrådlegeringer. Fig. 3 viser forbindelsen mellom sveisenes fasthet og be-standighet mot sprekkdannelse under varmebehandling etter sveising ved anvendelse av kjente legeringer og tilsatsmaterialer ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Sprekkdannelsesproblemer i forbindelse med sveising av nikkelsuperlegeringer kan opptre enten under størkningen som etterfølger sveiseprosessen, eller under etterfølgende varme-behandlinger. Den første type sprekkdannelse benevnes "varme-sprekking", og den andre type benevnes "varmebehandlingssprekk-dannelse etter sveising" eller "EB-sprekkdannelse". Sveisetråd med lav fasthet anvendes riktignok for å begrense begge typer sprekkdannelse i det størknete sveisemetall til et minimum, men den har ikke på langt nær vært like effektiv når det gjelder å avhjelpe samme problem i grunnmetallets sveispåvirkete område. Forskning har vist at de metallurgiske forhold som fører til at det dannes en sprekkfølsom, sveispåvirket sone i superlegeringer, utgjør uunngåelige følger av varmeutviklingsproses-sene under smeltesveising. Den beste måte å møte sprekkdannelsesproblemet i den sveispåvirkete sone på er således på en fordel-aktig måte å forandre spennings-deformasjonsdynamikken under sveiseforløpet og varmebehandlingen etter sveisingen for å minske sprekkdannelsen, istedenfor å forsøke å hindre skadelige forand-ringer av mikrostrukturen.

Den foreliggende oppfinnelse er hovedsakelig basert på den iakttakelse at tilsetning av små mengder mangan til en viss kategori av sveisetråd er egnet til å oppnå dette formål og i høy grad å minske begge typers tendens til sprekkdannelse i den sveispåvirkete sone. Tilsatsmaterialet ifølge oppfinnelsen er eldningsherdbar til høy fasthet, en egenskap som står i markert kontrast til kjente sveisetrådlegeringer som anvendes i situa-sjoner hvor sprekkdannelse er et problem. Legeringene er for-trinnsvis eldningsherdbare ved utfelling av den regulære, rom-sentrerte tetragonale fase, Ni^tNb, Ta), vanligvis benevnt "-fasen. Denne forsterkningsfase foretrekkes idet utfellingen av den foregår forholdsvis langsomt og derved muliggjør en viss grad av spenningsavlastning ved plastisk akkommodasjon før sveisetrådens fasthet har gjennomgått en mer betydelig økning. Det er også konstatert at tilsetning av små mengder mangan gir bedre sveisbarhet hos sveisetrådlegeringer som forsterkes ved dannelse av den regulære, kubiskflatesentrerte fase, Ni^tAl, Ti), vanligvis benevnt <y>'-fasen. Denne herdingsfase er fordel-aktig når det kreves stor fasthet ved temperaturer på over ca. 850°C.

Det er iakttatt at mangantilsetningen minsker dannelsen av begge typer sprekkdannelse i det sveispåvirkete området, til tross for at manganet tilføres til sveisemetallet og ikke synes å vekselvirke hverken fysisk eller kjemisk med den sprekkføl-somme, sveispåvirkete sone. Det er imidlertid utviklet en teori til forklaring av den fordelaktige virkning som manganet har på sprekkdannelsestendensene i den sveispåvirkete sone. Denne teori er basert på manganets innvirkning på nikkelsuperlegerin-gers solidustemperatur. Mangan har generelt en nokså sterk innvirkning på solidustemperaturen, og tilsetning av 1% mangan til en nikkelsuperlegering kan i typiske tilfeller senke solidustemperaturen med minst 50°C. Denne senkning av solidustemperaturen innebærer at enmanganholdig sveisesone vil kunne størkne ved en lavere temperatur og utsette dannelsen av kontraksjonsspen-ninger inntil den sveispåvirkete sone har økt sin fasthet og duktilitet under avkjølingen. Fig. 1 viser en forbindelse mellom solidustemperaturen og forskjellige typer sveisetråder og antal-let sprekker som er iakttatt i den sveispåvirkete sone i den støpte superlegering etter sveising av laboratorieprøver under bestemte, konstante betingelser. Prøvene var tilstrekkelig harde til at de medførte en viss, mindre sprekkdannelse i samtlige sveisetråder, slik at det kunne utføres en meningsfull sammenlikning. Den stiplete linje viser at tilsetning av forholdsvis store mengder mangan til rent nikkel medfører sterk minskning av sprekkdannelsen. Den heltrukne kurve viser en rekke legeringer som anvendes kommersielt for sveisetråd, samt visse kommersielle legeringer som bevisst er tilsatt mangan. De kommersielle legeringers sammensetning er angitt i den etterfølgende tabell I. Man kan iaktta en sterk innbyrdes forbindelse mellom solidustemperaturen og tendensen til sprekkdannelse under sveise-forløpet. Det ble i begynnelsen antatt at bare solidustemperaturen kunne påvirke sprekkdannelsestendensen, og det ble fremstilt en rekke legeringer basert på "Inconel" 718, som ble tilsatt andre legeringsbestanddeler (silisium, bor og magnesium), som er kjent for å senke solidustemperaturen. Det fremgår imidlertid av fig. 1 at disse legeringsbestanddeler, til tross for senkningen av solidustemperaturen, hadde ubetydelig innvirkning på sprekkdannelsestendensen. Av dette synes det å fremgå at de fordelaktige egenskaper som hører sammen med senkningen av solidustemperaturen er enestående for manganholdige legeringer.

På.grunn av disse iakttakelser ble det utført en omfat-tende evaluering av sveiskarakteristikk og egenskaper hos tilsatsmaterialet ifølge oppfinnelsen (angitt i tabell II) sammenliknet med kommersielt anvendte legeringssammensetninger.

Varmsprekkingsprøver ble utført under anvendelse' av form-støpte prøver av legeringen Inco 713c. Prøvestykkene hadde en tykkelse på 3,2 mm langs prøvesveisstedet. Deres avsmalnende bredde medførte en varierende grad av hemning (og tendens til sprekkdannelse) fra det sveisbarhetsprøvete prøvestykkets ene ende til den annen for å sikre at i det minste en viss sprekkdannelse skulle påtreffes i hver prøve. Etter avfetning ble prøvestykkene satt sammen i et fastspenningsapparat for sveising, og en kontrollert mengde av den aktuelle sveisetrådlegering ble anbrakt i et frest V-formet spor langs prøvesveisstedet. Meng-den sveisetråd var nøye oppmålt slik at hver deretter fremstilt sveis i hele sin lengde utgjorde en homogen blanding av 30-40 volumprosent sveisetrådlegering og 70-60 volumprosent grunnmateriale. Sveisene ble fremstilt automatisk ved gass-wolframbuesveising i et evakuerbart sveisekammer som var fylt med argongass av høy renhetsgrad. Samtlige sveiser ble fremstilt under helt like forhold og data: 75 A sveisestrøm, 15 V sveisespenning og en sveisehastighet på 88,8 mm/min. Etter sveisingen ble antall og beliggenhet for varmsprekker i den sveispåvirkete sone bestemt ved optisk granskning ved 25 gangers forstørrelse.

Resultatene av disse prøver bekreftet forbindelsen mellom sveisetrådlegeringens solidustemperatur og graden av sprekkdannelse i det sveispåvirkete område av grunnmetallene. Fig. 2 -viser at sveiser utførte med (y<1> + y")-faseforsterkete sveisetråder av tilsatsmaterialet ifølge den foreliggende oppfinnelse ^legeringene 1, 2, 3 og 4) hadde den minste mengde sprekkdannelse i det sveispåvirkete område. Legeringene 5 og 6 (y'-faseforster-kete sveisetråder av tilsatsmaterialet ifølge oppfinnelsen) og to av de oftest anvendte kommersielle sveisetråder ga sveiser med middels store mengder sprekkdannelse, mens de øvrige kommersielle sveisetråder ga dårligere resultat.

Sveisbarhetsprøver ble også utført under anvendelse av grunnmetall av merke "Waspaloy" for å undersøke virkning av sveisetråder åv tilsatsmaterialet ifølge oppfinnelsen på sprekkdannelse i grunnmetallene under varmebehandling etter sveising. "Waspaloy" er en kommersiell legering som er vanskelig å sveise. Prøvestykkene besto av 1,3-1,4 mm tykk "Waspaloy"-plate, som

var festet på 33 mm tykke underlagsplater av austenittstål for å frembringe høy grad av hemningsvirkning og restspenning under varmebehandling etter sveisingen. De oktagonalt formete "Waspaloy " -prøvestykker som var 114,5 mm over flatsidene, ble først festet på de sirkelformete underlagsplater hvis diameter var 133,4 mm ved sveising langs den oktagonale perimeter. Et sirkel-formet, U-formet spor med diameter på 50,8 mm ble sveiset rundt prøvestykkets sentrum for å frembringe sete for prøvesveisen. Sveissporets dimensjoner var bestemmende for en etterfølgende sveis som besto av 45-55 volumprosent sveisetrådlegering og 55-45 volumprosent grunnmateriale. Prøvesveisene ble fremstilt ved hjelp av manuell gass-wolframbuesveising under anvendelse av et dreibart bord, argongass-skjérming samt følgende sveisepara-metrer: Sveisestrøm 30 A, sveisehastighet 88,8 mm/min. Etter sveising og granskning ble prøvestykkene og deres underlagsplater oppvarmet med en gjennomsnittshastighet på 9,5°C/min til 843°C og ble holdt i fire timer i en ovnsatmosfære av argongass. Etter avkjøling til romtemperatur i stillestående luft ble prøvesvei-sene inspisert visuelt med hensyn til sprekkdannelse under varme-

behandlingen etter sveisingen.

En analyse av prøvene etter denne varmebehandling viste

at legeringene 3 og 4 ifølge den foreliggende oppfinnelse best minsket sprekkdannelsen i grunnmaterialet. Legeringene 1, 2 og 6 hadde en middels god effekt, men legering 5 viste seg å være dårligere. Som sammenlikning med dette ga også den kommersielle sveisetrådlegering "Hastelloy W" gode resultater, mens sveise-trådlegeringene "Inconel 625" og "Inconel 718" tilhørte mellom-kategorien og legeringen "Waspaloy" var dårligst.

Relative sveisefastheter ble fastlagt ved prøving av støpe-gods som besto av 50 vekt% sveisetrådlegering og 50 vekt% "Waspaloy", hvorved det ble oppnådd "blandesveiser". Strekkgrense-verdier ble målt ved 843°C under trykkbelastning. Resultatene for noen av de representative sveisetrådlegeringer er sammenstilt i tabell III nedenfor. Det fremgår at de utfellingsforsterkete sveisetråder av tilsatsmaterialet ifølge den foreliggende oppfinnelse gir en betydelig større sveisefasthet enn det som kan oppnås med de ikke-eldningsbare, kommersielle sveisetrådlegeringer.

Den innbyrdes rangordning mellom legeringene ifølge den foreliggende oppfinnelse sammenliknet med visse kommersielt anvendte sveisetrådlegeringer er sammenstilt i tabell IV nedenfor når det gjelder virkningene på både sprekkdannelse i forbindelse med varmebehandling etter sveising og varmsprekking. I tabell IV sammenliknes også de forskjellige sveisetrådlegeringers innbyrdes fasthet både ved middels høye temperaturer (f.eks. 550-850°C) og høye temperaturer (f.eks. over 850°C).

Det viser seg at de ( y ' + y")-forsterkete, eksperimentelle sveisetråder (legeringene 1-4) gir den største forbedring når det gjelder varmsprekkingsproblemet i det sveispåvirkete område og er like effektive som noen av de kommersielle legeringer når det gjelder å unngå sprekkdannelse ved varmebehandling etter sveising.

Sveisetrådlegeringen "Hastelloy W" senket riktignok effek-tivt også sprekkdannelse ved varmebehandling etter sveising,

men sveisfastheten var lav på grunn av denne legerings ikke-eldningsherdbare beskaffenhet. Sveiser med stor fasthet kunne oppnås under anvendelse av "Waspaloy"-sveisetråd, men tendensen til sprekkdannelse ved varmebehandling etter sveising blir stor. Denne forbindelse mellom sveisfasthet og sprekkdannelsestendens

ved varmebehandling er vist i fig. 3, som viser et diagram over omtrentlig sveisholdfasthet og mer eller mindre kvantitative sprekkdannelsesresultater for et antall sveisetråder. Av fig. 3 fremgår det at sveisetrådtilsatsmaterialet ifølge den foreliggende oppfinnelse overstiger den hittil vanlige sveisfasthets-og sprekkingsbestandighetsgrense som gjelder for de fire kommersielle sveisetrådlegeringer som er angitt langs basislinjen. F.eks. ga legering 3 en sprekkdannelsesmotstand som er like god som for den beste kommersielle sveisetråd, "Hastelloy W", i kom-binasjon med en beregnet sveisfasthet som var mer enn dobbelt så stor som for "Hastelloy W" (tabell III). Legering 2 var like god som sveisetråden av "Inconel 718" når det gjaldt sprekkdannelse ved varmebehandling etter sveising, men var ca. 40% ster-kere. Den ga således faktisk det sterkeste sveisegods som ble prøvet ved 843°C. Det y'-forsterkete tilsatsmateriale ifølge den foreliggende oppfinnelse gir ingen betydelig økning av be-standigheten mot sprekkdannelse ved varmebehandling etter sveising. De utgjør derimot et middel til å oppnå sveiser med gode fasthetsverdier ved høy temperatur mens de minsker den mengde varmsprekking som vanligvis opptrer når man forsøker å anvende kjente, anvendelige, varmebestandige Y'-forsterkete sveisetråder, f.eks. "Waspaloy" (tabell IV). Således medfører anvendelsen av både y'- og (<y1> + y")-forsterkete tilsatsmaterialer ifølge oppfinnelsen en bedre anvendbarhet av smeltesveising for fremstil-ling og reparasjon av superlegeringer med dårlig sveisbarhet, enn det som er mulig med kjente metoder.

Claims (1)

1. Tilsatsmateriale av nikkelsuperlegering i form av tråd for minskning av sprekkdannelse ved wolframbuesveising av gjenstander av nikkelsuperlegeringer, hvor tilsatsmaterialet herder ved eldning ved utfelling av enten a) Y'-fase hvorved det inneholder 14-22 vekt% Cr, 5-15 vekt% Co, 0-5 vekt% Fe, 0-8 vekt% Mo, 0,5-3 vekt% Mn, 0-0,1 vekt% C, 0-0,05 vekt% B, 0-0,10 vekt% Zr, samt Al, Ti, Nb og Ta mens resten er Ni, eller b) y"-fase, som eventuelt omfatter noe y'-fase, hvorved det inneholder 14-22 vekt% Cr, 0-5 vekt% Co, 7-18 vekt% Fe, 0-8 vekt% Mo, 0,5-3 vekt% Mn, 0-0,1 vekt% C, 0-0,05 vekt% B, 0-0,03 vekt% Zr, samt Al, Ti, Nb og Ta, mens resten er Ni, karakterisert ved at i a) er Al-innholdet 0,7-3 vekt%, Ti-innholdet 0,5-4 vekt% og Ta- + Nb-innholdet 0-6 vekt%, hvorved summen Al + Ti er større enn 3 vekt%, mens i b) er Al-innholdet 0,5-1,5 vekt%, Ti-innholdet 0-2 vekt% og Nb-innholdet 2-5 vekt% og Ta-innholdet 0-8 vekt%, og summen av Al, Ti, Nb og Ta er større enn 5 vekt%.