[发明专利]用于镍基超合金的焊前热处理

说明书

本申请要求提交日为2013年2月22日的美国临时专利申请61/787,830的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及用于镍基超合金铸件的焊前热处理的方法或技术。更具体地，本发明涉及由镍基超合金构成的燃气轮机部件的这种焊前热处理。

背景技术

许多超合金是γ'强化镍基超合金，并被广泛用于高温涡轮机部件，例如叶片和环形段。一种这样的超合金是因科镍合金939(IN939)，其已知具有重量百分比约22.0-22.8％的Cr，约18.5-19.5％的Co，约3.6-3.8％的Ti，约1.8-2.0％的Al，约1.8-2.2％的W，约0.9-1.1％的Nb，约1.3-1.5％的Ta，约0.13-0.17％的C，和主要包括Ni的余量的组成。在超合金部件铸件被形成或开发之后，其可以经受若干种热处理，例如溶液退火热处理、稳定化热处理和时效热处理，以通过在γ相基质的γ'相析出强化合金和部件。虽然加强γ'相赋予期望的高温机械特性，例如良好的拉伸强度和抗蠕变性，它也降低了可焊接性。

新部件，诸如涡轮叶片和环形段使用熔模铸造工艺制备；但是，在后浇铸制造操作期间和维修期间经常必需焊接这些部件。然而，在标准溶液和老化条件下时，一些镍基超合金例如IN939合金，在不造成开裂的情况下难以焊接。也就是说，焊接工艺可在焊接位置放置应力，这可能在焊接期间或在上述后浇注热处理期间导致开裂。

因此，超合金铸件常常经受焊前热处理工艺，以减轻在焊接期间或在使γ'相析出并强化超合金所必需的热处理期间可能发生的潜在开裂。这样的焊前热处理导致“过时效”(生长)的γ'相，以产生粗γ'结构。虽然这些处理可能降低铸件或部件的机械特性，该处理也降低了在焊接和焊后热处理期间合金表现出应变时效裂纹的倾向。虽然现有技术的焊前热处理可以有效地实现超合金的期望的延展性以避免应变时效裂纹，由于升温加热和冷却阶段以及保持阶段，这些步骤可能会非常耗时。因此，焊前热处理通常增加涡轮机部件制造过程的复杂性和成本。

附图说明

本发明中在以下描述中基于附图进行说明，所述附图示出：

图1A和图1B分别是在表I中阐明的并且根据本发明的焊前热处理后，HT#1，IN939显微结构在1000X和4000X的显微照片。

图2A和图2B分别是在表I中阐明的并且根据本发明的焊前热处理后，HT#2，IN939显微结构在1000X和5000X的显微照片。

图3A和图3B分别是在表I中阐明的并且根据本发明的焊前热处理后，HT#3，IN939显微结构在1000X和5000X的显微照片。

图4A和图4B分别是在表I中阐明的并且根据本发明的焊前热处理后，HT#4，IN939显微结构在1000X和5000X的显微照片。

图5A和图5B分别是在表I中阐明的并且根据本发明的焊前热处理后，HT#5，IN939显微结构在1000X和5000X的显微照片。

图6A和图6B分别是在表I中阐明并且如美国专利No.6,120,624中公开的焊前热处理后，HT#6，IN939显微结构在1000X和5000X的显微照片。

图7A和图7B是样本焊接取样片的剖视图的显微照片，以展示与按照本发明的焊前热处理中获得的相一致的γ'显微结构。

图8A和图8B是在根据本发明的焊前热处理之后的包括焊接点的取样片焊接的示意图。

图9A和图9B样品焊接取样片的横截面的显微照片，其已经经历根据本发明的焊前热处理，与涡轮机部件的制造相一致的焊接和焊后热处理，例如溶液退火、稳定化和老化。

具体实施方式

优化的焊前热处理已经被研发用于镍基超合金铸件，以确保(1)该合金充分均质化；和(2)产生所期望的过时效γ'结构，而没有不希望相的析出。在一个实施例中，焊前热处理可以用于热处理因科镍合金939(IN939)镍基超合金。该镍基超合金的焊前热处理被执行用于过时效超合金的γ'相，以缓解在焊接和焊后热处理过程中的应变时效裂纹。也就是说，用于焊前热处理的本发明通过首先溶解γ'相，然后通过过时效热处理析出γ'成为粗颗粒，实现足够的焊接延展性。

焊前热处理包括超溶线热处理周期，其具有低于γ'溶线温度的缓慢热升温速率，以减小局部初熔的可能性，并提供超合金显微结构的均质化。此外，缓慢冷却和保持时间促进γ'粗化。在高达1650°F(±25°F)的温度下，缓慢冷却可以终止，同时仍实现所期望的过时效γ'结构。