СВАРОЧНЫЙ ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК B23K35/30 C22C19/05 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение в общем относится к технологии материалов и, более конкретно, к сварочному присадочному материалу для суперсплавов на основе никеля.

Уровень техники

Из всех материалов, стойких к воздействию высоких температур, суперсплавы на основе никеля имеют наиболее выгодное сочетание механических свойств, коррозионной стойкости и поддаваемости обработке при изготовлении газовых турбин для воздушных судов и энергетических установок. Это отчасти объясняется тем, что прочность суперсплавов на основе никеля может увеличиваться в результате выделения γ'-фазы. Однако, с течением времени в компонентах из суперсплавов на основе никеля, работающих в жестких условиях, например, компонентах газотурбинного двигателя, также могут возникать трещины. Так как процесс изготовления таких компонентов является сложным и дорогим, вместо утилизации этих компонентов стараются восстановить их поврежденные области. Так, например, желательным и экономически выгодным решением при восстановительном ремонте компонентов из суперсплавов на основе никеля является использование сварки.

[0002] Но, как известно, сварка суперсплавов на основе никеля затруднена. Чтобы облегчить сварку суперсплавов на основе никеля, прочность которых увеличилась в результате выделения γ'-фазы, часто используют сварочные присадочные материалы, имеющие высокую пластичность. Ранее, когда температуры в газовых турбинах были более низкими, чем те, которые имеются в настоящее время, и те, которые предполагаются в будущем, обычно использовались такие пластичные сварочные присадочные материалы, как IN-625, IN-617, Hast-W и HA-282. Однако существует вероятность того, что указанные пластичные сварочные присадочные материалы, при их использовании в компонентах современных газовых турбин, рабочие температуры в которых неуклонно растут по сравнению с имевшимися в недавнем прошлом, не смогут противостоять окислению при таких более высоких температурах.

[0003] По этой причине существует потребность в пластичных сварочные присадочных материалах, которые могут противостоять воздействию температур, превышающих те, которые имели место в прошлом.

Сущность изобретения

[0004] Если говорить вкратце, аспектами настоящего изобретения являются пластичный сварочные присадочный материал и способ сварки компонентов из суперсплавов на основе никеля.

[0005] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается пластичный сварочный присадочный материал, имеющий следующий химический состав (в % по весу):

11,0% - 15,5% хрома;

9,5% - 11,0% кобальта;

2,0% - 5,0% молибдена;

4,5% - 7,5% вольфрама;

1,5% - 2,6% тантала;

3,0% - 5,0% алюминия;

0,4% - 1,0% титана;

не более 0,8% железа;

не более 0,3% марганца;

не более 0,3% кремния;

не более 0,1% углерода;

не более 0,015% бора;

не более 0,02% циркония;

не более 1,2% гафния;

не более 0,1% ванадия;

не более 0,1% магния;

остальное - никель.

[0006] Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ сварки компонентов из суперсплавов на основе никеля. Способ включает обеспечение подложки из суперсплава на основе никеля для выполнения сварки. Для выполнения сварки на поверхность подложки наносят указанный выше пластичный сварочный присадочный материал, причем коэффициент теплового расширения этого материала близок к коэффициенту теплового расширения подложки. Вводят тепловую энергию для плавления сварочного присадочного материала для получения расплавленного сварочного присадочного материала. После этого при температуре окружающей среды выполняют сварку с использованием сварочного присадочного материала. Обеспечивают затвердевание расплавленного сварочного присадочного материала с получением затвердевшего материала сварного соединения.

Краткое описание чертежей

[0007] На Фиг.1 приведена диаграмма, на которой показана относительная свариваемость различных суперсплавов.

[0008] На Фиг.2 приведены коэффициенты теплового расширения различных сварочных присадочных материалов и различных суперсплавов, выступающих в качестве основного металла.

[0009] На Фиг.3 в изометрии показана рабочая лопатка/направляющая лопатка турбины.

Подробное описание

[0010] Чтобы облегчить понимание принципов настоящего изобретения и его признаков, далее они рассмотрены с использованием вариантов реализации этого изобретения, которые служат только для иллюстрации. Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются использованием этого изобретения в описанных системах или применением описанных способов.

[0011] Предполагается, что описанные далее компоненты и материалы, которые применяются в различных вариантах реализации настоящего изобретения, используются только для иллюстрации и не накладывают ограничений. Предполагается, что за пределы объема настоящего изобретения не выходит множество других подходящих компонентов и материалов, которые могут выполнять ту же функцию, что и описанные здесь компоненты и материалы, или аналогичную функцию.

[0012] Если теперь обратиться к чертежам, которые приведены только для иллюстрации вариантов реализации настоящего изобретения и не накладывают на него ограничений, на Фиг.1 приведена диаграмма 100, на которой показана свариваемость различных суперсплавов, выступающих в качестве основного металла и присадочного материала, как функция содержания в этих суперсплавах алюминия и титана. Если говорить в общем, чем выше в материале содержание алюминия, тем хуже этот материал поддается сварке. Линия 110 представляет собой полученную верхнюю границу области свариваемости. Сварка сплавов, находящихся выше этой линии, затруднена. Например, как показано на этой диаграмме, Alloy-247LC очень плохо поддается сварке, в то время как IN-617 легко сваривается с использованием обычной сварки TIG (сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа). Что касается сварочных присадочных материалов, на этой диаграмме также показано, что хорошо поддается сварке НА-282. Как известно специалистам в области сварки, НА-282 является очень хорошим сварочным присадочным материалом, который имеет высокую пластичность, но, скорее всего, он не сможет противостоять окислению при сравнительно более высоких рабочих температурах, которые имеют место в современных газотурбинных двигателях и будут иметь место в тех газотурбинных двигателях, которые появятся в будущем.

[0013] Сплав Rene-80 - это суперсплав на основе никеля, который широко используется при изготовлении двигателей воздушных судов, однако оказалось, что его применение в современных газовых турбинах становится невозможным из-за подверженности окислению. IN-617 представляется собой очень хороший присадочный материал из суперсплава на основе никеля, который имеет высокую пластичность. IN-617 очень выгодно применять из-за того, что он имеет повышенную пластичность в диапазоне температур 700°С - 900°С, в котором работают газовые турбины, в то время как большинство других суперсплавов имеет в этом диапазоне температур пониженную пластичность.

[0014] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что по химическому составу НА-282, по существу, представляет собой смесь, содержащую 50% по весу Rene-80 и 50% по весу IN-617, при этом содержание в нем некоторых химических элементов немного отличается от их содержания в такой смеси 50%/50% (например, содержание W и Fe). Это продемонстрировано в приведенной ниже Таблице 1, в которой в строке 1 указан химический состав Rene-80, выступающего в качестве основного металла, в строке 2 указан химический состав IN-617, выступающего в качестве присадочного материала, в строке 3 указан химический состав смеси 50%/50% (по весу) Rene-80 и IN-617, и в строке 4 указан химический состав НА-282, выступающего в качестве присадочного материала.

Таблица 1

Сплав Ni Cr Co Mo W Ta Nb Al Ti Fe Mn Si C B Zr Rene-80 60 14 9,5 4 4 3 5 0,1 0,1 0,1 0,17 0,015 0,03 IN-617 52,3 22,0 12,5 9,0 1,2 0,4 1,5 0,5 0,5 0,10 50% Rene-80/50% IN-617, наиболее близка к НА-282 56,2 18,0 11,0 6,5 2,0 0,0 0,0 2,1 2,7 0,8 0,3 0,3 0,1 0,0 0,0 НА-282 57 20 10 8,5 1,5 2,1 1,5 0,3 0,15 0,06

Таким образом:

(1) НА-282 ≈ Rene-80+IN-617.

[0015] Для современных газовых турбин, при изготовлении которых используется процесс литья, в качестве основного материала выбирают Alloy-247LC, так как он может противостоять постоянно увеличивающимся рабочим температурам, имеющимся в этих турбинах, что может позволить таким турбинам работать более эффективным образом. Таким образом, идеей авторов настоящего изобретения является замена в уравнении (1) Rene-80, выступающего в качестве основного металла, на Alloy-247LC, с целью получения нового пластичного сварочного присадочного материала, который, по существу, представляет собой смесь Alloy-247LC, выступающего в качестве основного металла, и пластичного присадочного материала IN-617. Таким образом, новаторский пластичный сварочный присадочный материал описывается уравнением (2):

(2) Пластичный сварочный присадочный материал ≈ Alloy-247LC + IN-617

[0016] Этот предлагаемый для выполнения сварки присадочный материал является более стойким к окислению, чем ранее использовавшиеся сварочные присадочные материалы, и поэтому гораздо лучше подходит для используемых в настоящее время сплавов, выступающих в качестве основного металла, например, Alloy-247LC и IN-738. Например, свойства этого пластичного сварочного присадочного материала близки к свойствам Alloy-247LC и IN-738.

[0017] Предлагаемый пластичный сварочный присадочный материал имеет следующий химический состав:

11,0% - 15,5% хрома;

9,5% - 11,0% кобальта;

2,0% - 5,0% молибдена;

4,5% - 7,5% вольфрама;

1,5% - 2,6% тантала;

3,0% - 5,0% алюминия;

0,4% - 1,0% титана;

не более 0,8% железа;

не более 0,3% марганца;

не более 0,3% кремния;

не более 0,1% углерода;

не более 0,015% бора;

не более 0,02% циркония;

не более 1,2% гафния;

не более 0,1% ванадия;

не более 0,1% магния;

остальное - никель.

[0018] В приведенной далее Таблице 2 указан химический состав (в % по весу) трех примерных вариантов этого пластичного присадочного материала - Ductilloy, SieWeld-A-247LC и SieWeld-B-247LC, а также указаны выгоды от наличия каждого химического элемента в сплаве. Ductilloy - это, по существу, смесь (в % по весу) из 50% Alloy-247 и 50% IN-617. SieWeld-A-247LC, по существу, представляет собой смесь (в % по весу) из 75% Alloy-247, выступающего в качестве основного металла, и 25% IN-617, выступающего в качестве сварочного присадочного материала, в то время как SieWeld-В-247LC, по существу, представляет собой смесь (в % по весу) из 66,6% Alloy-247, выступающего в качестве основного металла, и 33,3% IN-617, выступающего в качестве сварочного присадочного материала.

Таблица 2 (все значения представляют собой % по весу)

Химический элемент Ductilloy SieWeld-A-247LC SieWeld-B-247LC Выгода от наличия Cr 14,6-15,6 11,2-12,2 12,3-13,3 Защита поверхности, коррозионная стойкость Co 10,4-11,4 9,6-10,6 9,8-10,8 Модификация путем выделения фаз, улучшает свойства при термообработке на твердый раствор Mo 4,6-5,0 2,4-2,8 3,1-3,5 Упрочнение при образовании твердого раствора W 4,4-5,2 6,7-7,5 5,9-6,7 Упрочнение при образовании твердого раствора Ta 1,4-1,8 2,2-2,6 2,2-2,6 Упрочнение при образовании твердого раствора Al 3,0-3,7 4,2-4,8 3,8-4,4 Влияет на выделение фаз Ti 0,4-1,0 0,4-1,0 0,4-1,0 Влияет на выделение фаз Fe max 0,15 max 0,15 max 0,15 Элемент, входящий в состав матрицы Mn max 0,1 max 0,1 max 0,1 Si max 0,04 max 0,04 max 0,04 Влияет на выделение фаз, увеличивает стойкость к горячим трещинам C 0,07-0,08 0,07-0,08 0,07-0,08 Фазы на границах зерен B max 0,015 max 0,015 max 0,015 Фазы на границах зерен Zr 0,005-0,02 0,005-0,02 0,005-0,02 Увеличивает стойкость к горячим трещинам Hf 0,5-1,0 0,9-1,4 0,7-1,2 Упрочнение на границах зерен V max 0,10 max 0,10 max 0,10 Упрочнение при образовании твердого раствора Ni Остальное Остальное Остальное

[0019] Может потребоваться иметь сварочный присадочный материал, который по химическому составу и свойствам в максимально возможной степени близок к основному металлу, на который его необходимо нанести при сварке. Например, за счет обеспечения максимально возможной близости коэффициента теплового расширения присадочного материала к коэффициенту теплового расширения основного металла можно не допустить возникновения высоких механических напряжений, обусловленных различием в тепловом расширении. Поэтому, например, вариант в виде SieWeld-A-247LC в качестве присадочного материала был бы наиболее близок к Alloy-247, выступающему в качестве основного металла. В настоящее время невозможно при комнатной температуре с использованием обычного процесса сварки получать сварные соединения в случае, когда основной металл и присадочный материал идентичны и представляют собой суперсплав на основе никеля, что связано с возникновением трещин в зоне термического влияния и металле сварного соединения.

[0020] Если исходить из его пластичности, или относительного удлинения при растяжении, предлагаемый пластичный сварочный присадочный материал будет обеспечивать хорошую свариваемость при комнатной температуре. Помимо этого, если исходить из его коэффициента теплового расширения, этот пластичный сварочный присадочной материал будет иметь приемлемые характеристики во время работы турбины при повышенных температурах. На Фиг.2 приведены коэффициенты теплового расширения нескольких материалов, выступающих в качестве основного металла, а именно, Alloy-247LC, IN-738 и Rene-80, присадочных материалов IN-617 и НА-282, а также предлагаемых присадочных материалов, а именно, Ductilloy, SieWeld-A-247LC и SieWeld-В-247LC. Как можно видеть на Фиг.2, коэффициент теплового расширения предлагаемых вариантов нового сварочного присадочного материала близок к коэффициенту теплового расширения Alloy-247LC. Преимущество от близости коэффициента теплового расширения сварочного присадочного материала к коэффициенту теплового расширения основного металла заключается в том, что во время выполнения сварки, когда на данные сплавы воздействуют высокие температуры, их нагрев будет происходить сходным образом. За счет уменьшения разницы температур и, таким образом, градиента механических напряжений между материалом сварного соединения и основным металлом можно не допустить возникновения трещин в упомянутом материале.

[0021] В одном варианте содержание вредных химических элементов, которые присутствуют в следовых количествах и могут оказывать неблагоприятное влияние на свойства присадочного материала, поддерживают в пределах узкого допустимого диапазона. Эти вредные химические элементы, присутствующие в следовых количествах, могут включать кремний, углерод, бор и цирконий. Например, процентное содержание этих химических элементов не должно превышать тех значений, которые указаны в Таблице 2.

[0022] В одном варианте с использованием предлагаемого пластичного сварочного присадочного материала можно выполнять сварку следующих материалов: Mar-M-247, CM-247LC, PWA-1483, Alloy-247, IN-738, Mar-M002, Rene-N5, Rene-N4, CMSX-4, CMSX-2, Rene-142, GTD-111, MGA-1400 и IN-939.

[0023] Если снова принимать во внимание Фиг.1 и 2, предлагается способ сварки компонентов из суперсплавов на основе никеля. Пластичный сварочный присадочный материал, который описан выше, применяется для наплавки на основной металл, в качестве которого выступает компонент из суперсплава на основе никеля. Способ включает нанесение пластичного присадочного металла на поверхность подложки. Предлагаемый пластичный присадочный материал имеет коэффициент теплового расширения, который близок к коэффициенту теплового расширения подложки. В сварочный присадочный материал может вводиться тепловая энергия для плавления этого материала для получения расплавленного сварочного присадочного материала. Расплавленный сварочный присадочный материал применяют для сварки основного металла при температуре окружающей среды. После сварки обеспечивают охлаждение и затвердевание подложки, в результате чего на ней возникает затвердевший материал сварного соединения. В том виде, как используется в целях настоящего изобретения, "близость коэффициента теплового расширения" означает отличие этого коэффициента от коэффициента теплового расширения Alloy-247LC не более чем на 3% в диапазоне температур 600°С - 1000°С, то есть в диапазоне, в котором в настоящее время работают газовые турбины.

[0024] На Фиг.3 в изометрии показана рабочая лопатка 120 или направляющая лопатка 130 турбомашины, которая вытянута вдоль продольной оси 121. Турбомашина может представлять собой газовую турбину воздушного судна или энергетической установки, предназначенной для выработки электроэнергии, а также паровую турбину или компрессор. Если следовать вдоль ее продольной оси 121, лопатка 120 или 130 имеет область 400 закрепления, переходную часть 403 и рабочую часть 406. Направляющая лопатка 130 может иметь на своей вершине 415 еще одну область закрепления (не показана). В области 400 закрепления создан хвостовик 183 лопатки, который используется для прикрепления лопаток 120, 130 к валу или диску (не показаны). Хвостовик 183 лопатки выполнен, например, в форме головки молота. Возможны и другие формы хвостовика, например, форма елочки или ласточкин хвост. Лопатка или направляющая лопатка 120, 130 имеет переднюю кромку 409 и заднюю кромку 412, взаимодействующие со средой, протекающей по ее рабочей части 406. В случае обычных лопаток илинаправляющих лопаток 120, 130 все их области 400, 403, 406, например, выполнены из твердых металлических материалов, в частности, суперсплавов. Поэтому для выполнения наплавки в этих областях можно использовать пластичный сварочный присадочный материал. Кроме того, с использованием предлагаемого пластичного присадочного материала можно выполнять наплавку на другие компоненты, которые расположены в камере сгорания.

[0025] Здесь были описаны примерные варианты реализации настоящего изобретения, при этом специалистам в данной области техники будет понятно, что применительно к этим вариантам могут быть выполнены различные модификации и произведены различные добавления и исключения, не приводящие к выходу за пределы сущности и объема настоящего изобретения, которые определены в пунктах приложенной формулы изобретения.

Пластичный присадочный материал предназначен для наплавки на суперсплав на основе никеля. Присадочный материал содержит следующие элементы, мас.%: 11,0 - 15,5 хрома, 9,5 - 11,0 кобальта, 2,0 - 5,0 молибдена, 4,5 - 7,5 вольфрама, 1,5 - 2,6 тантала, 3,0 - 5,0 алюминия, 0,4 - 1,0 титана, ≤ 0,1 углерода, ≤ 1,2 гафния, другие химические элементы в следовых количествах, остальное - никель. В соответствии с предложенным способом наносят упомянутый присадочный материал на поверхность подложки из суперсплава на основе никеля. Коэффициент теплового расширения присадочного материала близок к коэффициенту теплового расширения подложки. Вводят тепловую энергию для плавления присадочного материала и выполняют наплавку при температуре окружающей среды, обеспечивают затвердевание расплавленного присадочного материала. Наплавленный на указанную подложку пластичный материал позволяет значительно улучшить свариваемость суперсплавов на основе никеля. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Пластичный сварочный присадочный материал, содержащий, мас.%:

11,0 - 15,5 хрома

9,5 - 11,0 кобальта

2,0 - 5,0 молибдена

4,5 - 7,5 вольфрама

1,5 - 2,6 тантала

3,0 - 5,0 алюминия

0,4 - 1,0 титана

не более 0,8 железа

не более 0,3 марганца

не более 0,3 кремния

не более 0,1 углерода

не более 0,015 бора

не более 0,02 циркония

не более 1,2 гафния

не более 0,1 ванадия

не более 0,1 магния

остальное - никель

2. Материал по п.1, который содержит, мас.%:

11,2 - 12,2 хрома

9,6 - 10,6 кобальта

2,4 - 2,8 молибдена

6,7 - 7,5 вольфрама

2,2 - 2,6 тантала

4,2 - 4,8 алюминия

0,4 - 1,0 титана

0,07 - 0,08 углерода

0,005 - 0,02 циркония

0,9 - 1,2 гафния

не более 0,15 железа

не более 0,1 марганца

не более 0,04 кремния

не более 0,015 бора

не более 0,1 ванадия

3. Материал по п.2, который содержит 11,6 - 11,9 мас.% хрома.

4. Материал по п.2, который содержит 2,5 - 2,7 мас.% молибдена.

5. Материал по п.1, который содержит, мас.%:

12,3 - 13,3 хрома

9,8 - 10,8 кобальта

3,1 - 3,5 молибдена

5,9 - 6,7 вольфрама

1,9 - 2,3 тантала

3,8 - 4,4 алюминия

0,4 - 1,0 титана

0,07 - 0,08 углерода

0,005 - 0,02 циркония

0,7 - 1,2 гафния

не более 0,15 железа

не более 0,1 марганца

не более 0,04 кремния

не более 0,015 бора

не более 0,1 ванадия

6. Материал по п.5, который содержит 12,7 - 13,0 мас.% хрома.

7. Материал по п.5, который содержит 3,2 - 3,4 мас.% молибдена.

8. Пластичный сварочный присадочный материал, содержащий, мас.%:

14,6 - 15,6 хрома

10,4 - 11,4 кобальта

4,6 - 5,0 молибдена

4,4 - 5,2 вольфрама

1,4 - 1,8 тантала

3,0 - 3,7 алюминия

0,4 - 1,0 титана

0,07 - 0,08 углерода

не более 0,02 циркония

не более 0,15 железа

не более 0,3 марганца

не более 0,3 кремния

не более 0,015 бора

остальное - никель

9. Материал по п.8, который содержит 14,9 - 15,2 мас.% хрома.

10. Материал по п.8, который содержит 4,6 - 4,9 мас.% молибдена.

11. Способ наплавки присадочного материала на поверхность подложки из суперсплава на основе никеля, содержащий следующие этапы:

- обеспечивают подложку из суперсплава на основе никеля;

- наносят пластичный сварочный присадочный материал по п.1 или 8 на поверхность подложки, причем коэффициент теплового расширения этого материала близок к коэффициенту теплового расширения подложки;

- вводят тепловую энергию для плавления сварочного присадочного материала для получения расплавленного сварочного присадочного материала;

- при температуре окружающей среды выполняют сварку подложки со сварочным присадочным материалом;

- обеспечивают затвердевание расплавленного сварочного присадочного материала с получением затвердевшего материала на поверхности подложки из суперсплава.

12. Способ по п.11, в котором компонент из суперсплава на основе никеля представляет собой рабочую или направляющую лопатку турбины.

13. Способ по п.11, в котором основной металл выбирают из группы, состоящей из Mar-M-247, CM-247LC, PWA-1483, Alloy-247, IN-738, Mar-M002, Rene-N5, Rene-N4, CMSX-4, CMSX-2, Rene-142, GTD-111, MGA-1400 и IN-939.

14. Способ по п.13, в котором сварочный присадочный материал имеет коэффициент теплового расширения, отличающийся от коэффициента теплового расширения Alloy-247LC не более чем на 3% в диапазоне температур 600°С - 1000°С.