TWI726797B

TWI726797B - 提升鎳基超合金銲接強度之方法

Info

Publication number: TWI726797B
Application number: TW109127870A
Authority: TW
Inventors: 林昭宇; 魏肇男; 薄慧雲; 李勝隆; 曾有志
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2021-05-01
Also published as: TW202206210A

Abstract

本發明係提供一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，步驟如下：(A)提供一外加磁場裝置固定於一銲槍上；(B)提供一磁場電源設備對該外加磁場裝置供電，以形成一外加電磁場，並對該外加磁場裝置的電流大小及頻率進行調節；以及(C)藉由形成的該外加電磁場改變該銲槍之一電弧形態。

Description

提升鎳基超合金銲接強度之方法

本發明係關於一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，特別是關於一種以電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接之提升鎳基超合金銲接強度之方法。

部分鑄件會有銲補之需求，以Mar-M247鎳基超合金(晶粒結構為等軸晶)作為例。Mar-M247鎳基超合金成份非常複雜，合金中存在多種固溶強化元素與析出硬化元素，如W、Mo、Cr、Co、Al及Ti等，且同時合金中還有微量元素C、B、Hf、Ta、Zr等。而合金中的主要微結構是單相沃斯田鐵γ相，對上述之微量元素的溶解度有限，致使Mar-M247鎳基超合金在鎢極氣體保護電弧銲接(Gas Tungsten Arc Welding，簡稱GTAW，又俗稱鎢極惰性氣體保護銲接Tungsten Insert Gas Welding，簡稱TIG銲)過程中容易出現銲縫組織的偏析與脆性碳化物相的析出，導致銲道在銲接應力的循環作用下，銲道上產生明顯的熱裂紋，致使Mar-M247鎳基超合金成為極不易銲補的鎳基超合金。

Mar-M247鎳基超合金具有導熱性差，液態金屬黏性強，合金元素容易氧化等特點，這就使得Mar-M247鎳基超合金在鎢極惰性氣體保護銲接過程中其熔池不能像鋼液那樣容易潤濕展開，因此銲縫成型差，熔深淺，即使採用增大電流的方法也不能改善其流動性，反而會增大銲縫的熱裂紋敏感性。且目前採用的鎢極惰性氣體保護銲接方式，其銲接熱輸入大，功率密度較低，因此所得銲縫熔深很淺，然採用多層多道銲時，銲道在銲接熱過程的影響下，銲接熱影響區晶界上的低熔點共晶組織發生容易液化現象，導致在銲接應力的作用下，容易發生熱影響區液態

裂、銲道熱裂、駝峰銲道、咬邊及氣孔等現象，造成工件無法順利接合。因此，需要採用一種銲接熱輸入小，銲接速率適中的銲接手段，以減少熱影響區的受熱時間來輔助完成Mar-M247鎳基超合金的鎢極惰性氣體保護銲接工法。

綜上所述，目前銲接工法仍具缺點，本案之申請人經苦心研究發展出了難銲合金更佳之銲接方法，更改善了難銲合金的銲後強度，可受惠於航太、能源、石化等製造產業之一種提升鎳基超合金銲接強度之方法。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，藉由外加電磁場形成電磁攪拌方式輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程，以減少熱影響區的受熱時間來輔助完成Mar-M247鎳基超合金的鎢極惰性氣體保護銲接工法。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，步驟包括：(A)提供一外加磁場裝置固定於一銲槍上；(B)提供一磁場電源設備對該外加磁場裝置供電，以形成一外加電磁場，並對該外加磁場裝置的電流大小及頻率進行調節；以及(C)藉由形成的該外加電磁場改變該銲槍之一電弧形態。

較佳地，銲槍之銲接電流為80A至100A、銲槍之銲接電壓為10V至20V。

較佳地，外加電磁場之頻率為2Hz至15Hz。

較佳地，藉由不同頻率之外加電磁場來改變該電弧形態。

較佳地，於銲接前，對鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫之熱處理。

較佳地，於銲接後，對鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫，再以871℃進行真空人工時效20小時後爐冷至室溫。

較佳地，銲槍之銲接電流、銲槍之銲接電壓及外加磁場裝置的電流大小及頻率之數值，係藉由先以走銲(bead-on-plate)的銲接方式對鎳基超合金之板材試片進行外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程而獲得。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S1、S2、S3:步驟

第一圖係為本發明之V型開槽試片示意圖。

第二圖係為本發明之提升鎳基超合金銲接強度之方法流程圖。

第三圖係為本發明以走銲(bead-on-plate)的銲接方式於平板上進行平板堆銲的銲道截面圖。

第四圖係為在銲接過程中電弧對Mar-M247鎳基超合金工件熱影響區之瞬時溫度圖。

第五圖係為Mar-M247鎳基超合金之GTAW與GTAW+EMS銲接試片熱處理後之應力應變圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明在於提供一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，利用外加電磁場形成電磁攪拌(Electromagnetic stirring,EMS)方式輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程(簡稱GTAW+EMS)，以下以不易銲接之鎳基超合金(Mar-M247超合金)為例。

首先，將鎳基超合金之鑄錠(本發明不限於應用在鑄造或鍛造之鎳基合金)，以線切割切成100mm×60mm×6mm之板材試片後，先以走銲(bead-on-plate)的銲接方式於平板上進行平板堆銲，並選用現行鎳基超合金常使用之TURBALOY® 625作為銲料，對鎳基超合金之板材試片進行外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程，藉由分析不同外加電磁場對銲道微結構與機械性質之影響，而獲得最佳外加磁場銲接參數(例如：銲槍之銲接電流、銲槍之銲接電壓、外加磁場裝置的電流大小及頻率)，在本實施方式中，所獲得的最佳外加磁場銲接參數適用於小於15mm之板材厚度。

完成上述最佳外加磁場銲接參數分析後，另取一鎳基超合金試片進行V形開槽，坡口角度為90°，形成一板間距為5mm之V形坡口對接平板試片，試片尺寸如第一圖所示，對鎳基超合金之V型開槽試片以最佳外加磁場銲接參數進行外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程做「銲補」，將槽縫補平後，加工成拉伸試片進行拉伸試驗。

以上，本發明一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，係藉由外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程(GTAW+EMS)，請參閱第二圖，步驟包括：步驟S1：提供外加磁場裝置固定於銲槍上。步驟S2：提供磁場電源設備對外加磁場裝置供電，以形成外加電磁場，並對外加磁場裝置的電流大小及頻率進行調節，以及步驟S3：藉由形成的外加電磁場改變銲槍之電弧形態，更詳言之，係藉由不同頻率之外加電磁場來改變電弧形態，因電弧是由電子流組成的特殊良導體，銲接電流從中通過，故電磁力能夠作用於電弧，從而改變電弧的形態，達到改善銲接品質的目的。此外，電流也存在於熔池內液態金屬和熔滴中，故液態金屬以及液滴亦會在電磁力的作用下改變受力和流動狀態。

在本實施方式中，藉由以走銲(bead-on-plate)的銲接方式對鎳基超合金之板材試片進行外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程而獲得的最佳外加磁場銲接參數分別包括：銲槍之銲接電流為80A至100A、銲槍之銲接電壓為10V至20V、外加電磁場之頻率為2Hz至15Hz，以上外加磁場銲接參數適用於小於15mm之板材厚度。

在本實施方式中，於銲接前，為消除鎳基超合金之銲件(例如：板材試片、V型開槽試片)的殘留應力，將鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫之熱處理。於銲接後，熱處理程序依航空熱處理規範進行，對鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫，再以871℃進行真空人工時效20小時後爐冷至室溫。

在本實施方式中，本發明所用銲接機構為自動銲接機構，採自動送線裝置，可自動調節送線速度，並保證銲接過程中銲接參數相對穩定，避免由於銲接過程中銲接電流和銲接電壓變化過大導致的電弧不穩，從而影響銲接品質的問題。另在銲接前先以砂紙研磨銲件(例如：板材試片、V型開槽試片)，去除表面及槽內之氧化膜，研磨完畢後均以丙酮擦拭乾淨，以防止雜質、油漬污染銲道，最後才進行銲接。

以下，將比較前述藉由外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程(以下以GTAW+EMS簡稱)與僅以鎢極惰性氣體保護銲接製程(以下以GTAW簡稱)來銲接Mar-M247鎳基超合金之各項實驗結果。

請參閱第五圖，Mar-M247鎳基超合金之外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接(GTAW+EMS)銲接試片之楊氏模數、降伏強度、拉伸強度與延性分別為199GPa、815MPa、963MPa與3.4%，而傳統GTAW之試片之楊氏模數、降伏強度、拉伸強度與延性則分別為191GPa、785MPa、891MPa與2.5%，顯示外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程(GTAW+EMS)銲件拉伸強度優於傳統GTAW之銲件強度。

此外，針對以走銲(bead-on-plate)的銲接方式於平板上進行平板堆銲的銲道結構外觀來看，在未使用外加電磁場輔助的GTAW銲接電弧為鐘罩型態，然輔以外加電磁場輔助的GTAW+EMS銲接電弧型態則明顯轉變為流星狀，且由銲道外觀可明顯發現GATW銲道有明顯的波浪的存在， GTAW+EMS銲道則較平滑且平順，顯示外加電磁場可明顯改善GTAW銲道品質。

再者，請參閱第三圖，亦是針對以走銲(bead-on-plate)的銲接方式於平板上進行平板堆銲的銲道結構外觀來看，由圖可發現GTAW與GTAW+EMS之銲道高度均為1.48mm，然GTAW與GTAW+EMS之銲道寬度則分別為6.91mm與5.61mm，顯示GTAW+EMS可有效窄化銲道寬度，進而使銲道成型係數由4.66降低至3.79，銲道成型係數越小對於銲接的修復品質越好。

另外，亦是針對以走銲(bead-on-plate)的銲接方式於平板上進行平板堆銲的實驗結果來看，GTAW之熔融區柱狀晶為25μm寬，而GTAW+EMS之柱狀晶僅為15μm；且值得注意的是GTAW之熱影響區已發現有大小約為200μm之粗大晶粒，然GTAW+EMS則無此現象，顯示外加磁場可有效降低熔融區晶粒與熱影響區之晶粒。

請參閱第四圖，由圖可發現，GTAW在銲接過程中電弧對Mar-M247鎳基超合金工件熱影響區之瞬時溫度的影響可達約1600℃，然GTAW+EMS之瞬時溫度則可降至約1113℃，顯示外加電磁場輔助可大幅降低電弧在銲接過程中之熱輸入源對熱影響區的影響，且可使銲道溶池具有較快的冷卻速率，推測這是細化銲道與熱影響區晶粒的主因。

綜上所述，本發明提升鎳基超合金銲接強度之方法，不但可細化Mar-M247鎳基超合金之銲道與熱影響區晶粒，其拉伸強度亦可有效提升，顯示其可改善現行Mar-M247鎳基超合金之僅以鎢極惰性氣體保護銲接製程銲接之機械性質。另外，Mar-M247鎳基超合金材料因具有很高的高溫強度、良好的鑄造性能與組織穩定性，因此被喻為迄今最高強度之非定向性凝固鑄造合金，然而因其不易銲接/銲補，故本發明初衷即是希望改善Mar-M247鎳基超合金之銲接特性。該材料普遍應用於鑄造高效率燃氣渦輪動葉片與整體渦輪盤等嚴苛環境中之轉動結構件，因製作成本昂貴，往往因無傷大雅之表面缺陷就被判定不合格或經長時間運轉造成的剝落因無法銲補而整套換下，導致無法降低良率成本及使用成本。因此，本發明「一種提升鎳基超合金銲接強度之方法」不僅提供了難銲合金更佳之銲接方法，更改善了難銲合金的銲後強度，可受惠於航太、能源、石化等製造產業。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S2、S2、S3:步驟

Claims

一種提升鎳基超合金銲接強度之方法，步驟包括：(A)提供一外加磁場裝置固定於一銲槍上；(B)提供一磁場電源設備對該外加磁場裝置供電，以形成一外加電磁場，並對該外加磁場裝置的電流大小及頻率進行調節；以及(C)藉由形成的該外加電磁場改變該銲槍之一電弧形態，其中於銲接後，對該鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫，再以871℃進行真空人工時效20小時後爐冷至室溫。
如申請專利範圍第1項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中該銲槍之銲接電流為80A至100A、該銲槍之銲接電壓為10V至20V。
如申請專利範圍第2項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中該外加電磁場之頻率為2Hz至15Hz。
如申請專利範圍第3項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中藉由不同頻率之該外加電磁場來改變該電弧形態。
如申請專利範圍第1項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中該鎳基超合金為鑄件或鍛件。
如申請專利範圍第1項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中於銲接前，對該鎳基超合金之銲件施以1185℃真空固溶處理2小時後，以氬氣冷卻至室溫之熱處理。
如申請專利範圍第3項所述之提升鎳基超合金銲接強度之方法，其中該銲槍之銲接電流、該銲槍之銲接電壓及該外加磁場裝置的電流大小及頻率之數值，係藉由先以走銲(bead-on-plate)的銲接方式對該鎳基超合金之一板材試片進行一外加電磁場輔助鎢極惰性氣體保護銲接製程而獲得。