[发明专利]用于由γ`强化超合金制成的焊接部件的焊后热处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超合金技术。其涉及根据权利要求1的前序部分的用于由γ'强化超合金制成的焊接部件(例如先前在运行中的涡轮中使用并损坏的经修复涡轮件或接合的新涡轮件)的焊后热处理的方法。使用所公开的方法可避免焊接件的焊接区中的裂纹。

背景技术

已知高强度镍、钴或铁基超合金(例如与其它元素如铝和钛的镍基超合金)因材料中高程度的γ'相的析出硬化效应而具有高强度特性。还已知这些超合金非常难以成功地焊接。

在文献US 2005/0194363 A1中，描述了高强度超合金的多激光束焊接。该方法使用两个或更多个激光的阵列来以几乎同时的操作进行加热、焊接(其中超合金粉末作为填充剂材料加入)和焊后热处理的步骤。第二激光斑加热刚刚焊接的区域，从而减慢焊接处遭遇的冷却速率，这有助于减少或甚至消除热裂纹，但由于焊接过程中使用填充剂材料，故预计该焊接的强度性质将不够。

因此，高强度焊接常常通过激光焊接、电子束焊接或可焊接γ'强化超合金的类似方法来进行而不使用填充剂材料。不使用填充剂材料的焊接有着该焊接具有与所接合的基础材料相似的强度的优点。但其具有因焊接过程固有的快速冷却而在焊缝中几乎不存在或不存在γ'析出的缺点。

这就是为什么常常需要焊后热处理来调节零件的微结构的原因。在焊后热处理过程中，γ'相也在焊接区中析出。这些析出物引起合金中的结晶学改变，从而在热处理后产生较小的晶格参数。伴随该析出的体积变化可能导致焊接区中的裂纹，该裂纹被称为应变时效裂纹或焊后热处理裂纹。

文献US 7854064 B2公开了一种用于修复涡轮发动机部件的方法。所述方法包括以下步骤：提供由铸造或锻造的镍基超合金(包括例如Waspaloy、IN-738、IN-792、IN-939)制成的涡轮部件，从所述部件去除任何缺陷，其中所述去除步骤包括当部件经过1100至1600℉(593-871℃)的范围的温度时用29和40℉/分钟(16-23℃/min)之间的快速加热速率的固溶热处理步骤，其中部件和替代零件在所提及的温度范围中不超过17分钟。在部件达到期望的固溶温度后，在该温度下保持约3至5小时，随后冷却，并随后通过电子束焊接、等离子弧焊或气体钨弧焊(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)进行焊接以实现修复。从固溶温度到低于1250℉(677℃)使用冷却速率为0.5至10℉/分钟(0.3-5.6℃/min)、优选0.5至1.0℉/分钟(0.3-0.6℃/min)的缓慢的固溶处理后冷却速率以显著防止焊接裂纹并增强可焊性。该缓慢的冷却速率允许冷却过程中有显著的时间来发生γ'析出并显著生长。这降低它们的硬化能力并提高高温延展性。

另外，文献US 7854064 B2中公开，可使焊接涡轮部件经受焊后热处理。对该焊后热处理使用与上面提到的焊前热固溶处理相同的加热和冷却速率，这意味着当所述焊接涡轮发动机部件在1100至1600℉(593-871℃)的温度范围中时使用在29℉/分钟至40℉/分钟(16-23℃/min)的范围中的快速加热速率，而所述焊接涡轮发动机部件从最大固溶热处理温度到低于1250℉(677℃)的冷却在0.5至10℉/分钟、优选0.5至1℉/分钟(0.3-5.6℃/min、优选0.3-0.6℃/min)的冷却速率下非常缓慢地进行。应用此改进的焊后热处理以消除焊前固溶处理的缓慢冷却速率所生成的微结构特征并恢复合格的机械性能。

虽然US 7854064 B2中公开的方法具有由镍基超合金制成的涡轮部件可有效地被修复例如焊接而不存在微裂纹的优点，但鉴于所描述的焊前和焊后热处理的多个步骤，该方法有着耗时耗成本的缺点。

文献US2012/0205014 A1描述了采用增强的焊后热处理的超合金惯性摩擦焊接。摩擦焊接避免了固溶裂纹，但由于摩擦焊接过程中的冷作(沉积物材料和超合金基材中的至少之一的塑性变形)，将引起残余应力。因此，提出进行热处理，该热处理包括焊后中间应力消除(Intermediate Stress-Relief, ISR)处理、随后是固溶处理、随后是析出硬化热处理。对于ISR，渐变至870℃的时间为约102分钟，意味着约8至9℃/min的加热速率，这是相当低的。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于例如通过电子束焊接或激光焊接来焊接的无填充剂材料焊接部件的热处理的高效方法，其中所述部件由γ'强化超合金制成。所述方法确保可避免焊缝和焊接区中的裂纹。这样的部件优选为涡轮件，且所述方法应可适用于修复运行(服务)过程中损坏的涡轮件以及将涡轮件的新零件接合于一起。