用于激光焊接的焊劑的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求提交日為2013年7月29日的美國臨時申請號61/859317(代理人案 號2013P12177US)的權益，其全部內容通過引用并入本文。
技術領域
[0002] 本發明一般涉及金屬接合領域，并且更具體涉及使用激光能量熱源的超合金材料 的焊接、維修和添加劑制造，并涉及用于激光焊接的焊劑材料。
【背景技術】
[0003] 取決于被焊接材料的類型，焊接工藝變化很大。一些材料在各種條件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊處理，以實現結構完好的接合，而不使周圍基底材料退化。
[0004] 常見電弧焊通常利用自耗電極作為進給材料。為了給焊池內的熔融材料提供大氣 保護，當焊接許多合金包括例如鋼、不銹鋼以及鎳基合金時，惰性保護氣體和/或焊劑材料 可以被使用。惰性以及組合的惰性和活性氣體工藝包括氣體保護鎢極電弧焊（GTAW)(也稱 為鎢極惰性氣體（TIG))和氣體保護金屬極弧焊（GMAW)(也稱為金屬惰性氣體（MIG)和金 屬活性氣體（MAG))。受保護的焊劑工藝包括其中焊劑常規進給的埋弧焊（SAW)，其中焊劑 被包括在電極的芯中的藥芯焊絲電弧焊（FCAW)，和其中焊劑被涂覆在填料電極的外部上的 屏蔽金屬電弧焊（SMAW)。
[0005] 利用能量束作為熱源進行焊接也是已知的。例如，激光能量已經被用于將預放置 的不銹鋼粉末熔融到碳鋼基底上，其使用常規的粉末狀焊劑材料，從而提供熔池的屏蔽。焊 劑粉末可以與不銹鋼粉末混合，或者作為單獨的覆蓋層施加。以本發明人的知識，當焊接超 合金材料時，焊劑材料沒有被使用。
[0006] 應該認識到，由于其對焊接凝固裂紋和應變時效開裂的敏感性，超合金材料是最 難焊接的材料之一。術語"超合金"如其在現有技術中常用的那樣在本文中被使用；即在高 溫下表現出優異的機械強度和耐蠕變的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。超合金通常包括高的 鎳或鈷含量。超合金的例子包括以商標和品牌名出售的合金：哈氏合金，鉻鎳鐵合金（例 如 IN738, IN792, IN939)，雷內（Rene)合金（例如 Rene N5, Rene 41，Rene 80, Rene 108， Rene 142, Rene 220)，海恩斯合金（282)，Mar M，CM247, CM 247LC，C263,718, X-750, ECY 768,282，X45，PWA 1480，PWA 1483，PWA 1484 和 CMSX 單晶合金（例如 CMSX-4，CMSX-8， CMSX-10)，GTD111，GTD 222, MGA 1400, MGA 2400, PSM 116, IN 713C，Mar-M-200, IN100， IN700, Udimet (尤迪麥特鎳基耐熱合金）600, Udimet500和鋁化鈦。
[0007] -些超合金材料的焊接修復通過預熱材料到非常高的溫度（例如高于1600° F或 870°C )，以在修復過程中顯著增加材料的延展性而已成功完成。這種技術被稱為熱匣焊接 或在升高溫度（SWET)焊接修復下的超合金焊接，它通常使用手動GTAW工藝完成。然而，熱 匣焊接受到保持均勻的組件處理表面溫度的困難和保持完整的惰性氣體屏蔽的困難，以及 強加在這種極端溫度下在部件附近工作的操作者上的身體困難的限制。
[0008] -些超合金材料的焊接應用可以使用冷卻板，以限制基底材料的加熱來進行；從 而限制基底熱效應的出現和引起開裂問題的應力。然而，這種技術對于許多零件的幾何形 狀不便于使用冷卻板的修復應用是不實際的。
[0009] 圖4是一個常規的曲線圖，該圖示出了作為鋁和鈦含量的函數的各種合金的相對 焊接性。合金如Inconel (鉻鎳鐵合金）718,其具有相對較低的這些元素的含量，并必然具 有相對較低的丫'（gamma prime)含量，被認為是相對可焊接的，雖然這種焊接通常被限制 到部件的低應力區域。合金例如Inconel (鉻鎳鐵合金）939具有相對較高的這些元素的含 量，通常不被認為是可焊接的，或只能使用上面討論的特殊程序被焊接，這增加了材料的溫 度/延展性并最小化工藝的熱輸入。本文為了討論目的，虛線80表示線80以下的可焊性 區域和線80以上的不可焊性區域之間的邊界。線80在豎軸上與3wt%的鋁相交，在橫軸上 與6wt%的鈦相交。在不可焊性區域內，具有最高鋁含量的合金一般被發現是最難以焊接 的。
[0010] 還已知的是，利用選擇性激光熔化（SLM)或選擇性激光燒結（SLS)將超合金粉末 顆粒薄層熔融到超合金基底上。在激光加熱過程中，通過施加惰性氣體，例如氬氣，將熔池 從大氣屏蔽。這些工藝傾向于捕獲氧化物（例如鋁和鉻的氧化物），氧化物附著在沉積材料 層內的顆粒表面上，從而造成多孔性、夾雜物，和與被捕獲氧化物相關的其他缺陷。后處理 熱等靜壓（HIP)經常被用來使這些空隙、夾雜物和裂紋坍塌，以改善沉積涂層的特性。
[0011] 此外，由于新的和更高合金含量的超合金持續被開發，研發用于超合金材料的商 業上可行的接合工藝所面臨的挑戰繼續增長。
【附圖說明】
[0012] 本發明在下面的描述中基于附圖進行說明，所述附圖示出：
[0013] 圖1示出了使用多層粉末的熔覆工藝。
[0014] 圖2示出了使用混合層粉末的熔覆工藝。
[0015] 圖3示出了使用藥芯填充焊絲和能量束的熔覆工藝。
[0016] 圖4是現有技術的曲線圖，其示出了各種超合金的相對焊接性。
【具體實施方式】
[0017] 本發明人已開發了一種可成功地用來接合和/或修復最難以焊接的超合金材料 和其它合金材料的焊劑材料和材料接合工藝。本發明工藝的實施例，在激光熔融和再固化 過程中有利地在超合金基底上應用粉末狀焊劑材料。粉末狀焊劑材料有效地提供束能量傳 輸和選擇性捕獲、雜質清除、大氣屏蔽、焊珠成形、冷卻溫度控制和合金添加，以實現超合金 材料的無裂紋接合，而無需高溫熱匣焊接或冷卻板的使用或惰性保護氣體或真空條件的使 用。
[0018] 圖1示出了一種工藝，其中超合金材料的熔覆層10在室溫環境下正被沉積在超合 金基底材料12上，而沒有基底材料12的任何預熱或冷卻板的使用。基底材料12例如可以 形成燃氣渦輪發動機葉片的一部分，并且在一些實施例中熔覆工藝可以是修復步驟的一部 分。粒狀粉末層14被預置在基底12上，并且激光束16橫穿過粉末層14以熔融粉末并形 成被熔渣層18覆蓋的熔覆層10。熔覆層10和熔渣18由粉末層14形成，該粉末層包括由 粉末狀焊劑材料層22覆蓋的粉末狀超合金材料層20。
[0019] 焊劑材料22和所得的熔渣層18提供了許多有利于防止超合金熔覆層10和下面 的基底材料12開裂的功能。首先，它們的功能是在激光束16的下游區域從大氣屏蔽熔融 材料和固化（但仍然是熱的）熔覆層材料10的兩個區域。熔渣浮到表面，以從大氣中分離 熔融或熱金屬，并且焊劑可被配制以在一些實施例中產生保護氣體，從而避免或最小化昂 貴的惰性氣體的使用。第二，熔渣18用作允許固化材料緩慢而均勻地冷卻的覆蓋層，從而 減少可能有助于焊后再熱或者應變時效裂紋的殘余應力。這樣的在沉積物上并且與沉積物 相鄰的熔渣覆蓋進一步增強了垂直于基底的傳熱，從而促進能夠形成也垂直于基底延長的 顆粒的定向固化。第三，熔渣18有助于成形并支撐熔融金屬池，以保持它接近所期望的三 分之一的高度/寬度比。這種熔渣成形控制和金屬支撐還減少否則單獨通過固化金屬必然 承受的固化應力。第四，焊劑材料22提供清潔效果，用于除去有助于焊接凝固裂紋的痕量 雜質，例如硫和磷。這種清潔可以包括金屬粉末的脫氧。因為焊劑粉末與金屬粉末的緊密 接觸，這對實現此功能特別有效。此外，焊劑材料22必須傳輸激光能量以有利于金屬粉末 和下面的基底的加熱。它也可提供能量吸收和捕獲功能，以更有效地將激光束16轉換成熱 能，從而有利于在該過程期間熱量輸入的精確控制，例如在1-2%內，和所得的材料溫度的 嚴格控制。另外，焊劑可以被配制成在處理過程中補償揮發或反應元素的損失或積極促進 否則不由金屬粉末本身提供的元素沉積。總之，這些功能性對迄今認為只能使用熱匣工藝 或通過使用冷卻板被焊接或熔覆處理的材料，在室溫下產生在超合金基底上的超合金熔覆 的無裂紋沉積。
[0020] 本發明的發明人已經發現，當使用激光能量處理超合金時材料時，市售焊劑，諸如 那些以名稱1^11(3〇1歷61(1?2007,8〇111613〇11(1〇1?^附01-41245厶8 01(10.16或10.