焊接构件、焊接燃气轮机构件及构件的焊接方法

摘要

本发明公开了一种焊接构件、焊接燃气轮机构件及构件的焊接方法。焊接构件包括第一合金、第二合金，以及定位在第一合金与第二合金之间的焊缝。该焊缝由射束焊接的第一垫片和第二垫片形成。

权利要求

1.一种焊接构件，包括：

第一合金子构件；

第二合金子构件；以及

位于所述第一合金子构件与所述第二合金子构件之间的焊缝；

其中，所述焊缝包括具有过渡区的梯度，所述过渡区由多个垫片形成；

其中所述梯度包括通过焊接具有第一垫片成分的第一垫片形成的第一焊接垫片成分、通过焊接具有第二垫片成分的第二垫片形成的第二焊接垫片成分、位于第一焊接垫片成分和第二焊接垫片成分之间的垫片－垫片过渡成分、位于所述第一焊接垫片成分和第一合金子构件之间的第一垫片－合金过渡成分、以及位于所述第二焊接垫片成分和第二合金子构件之间的第二垫片-合金过渡成分；

其中第一垫片成分包括镍基合金；

其中所述梯度具有梯度成分，所述梯度成分从第一合金子构件通过所述第一焊接垫片成分、通过所述垫片－垫片过渡成分、通过所述第二焊接垫片成分到所述第二合金子构件按重量计在浓度上在铝和钛的一者或者两者上增多或减少。

2.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一合金子构件具有第一成分，以及所述第二合金子构件具有第二成分，所述第一成分不同于所述第二成分。

3.根据权利要求2所述的焊接构件，其特征在于，所述第一成分为镍基合金，其按重量计包括：高达15%的铬、高达10%的钴、高达4%的钨、高达2%的钼、高达5%的钛、高达3%的铝，以及高达3%的钽。

4.根据权利要求2所述的焊接构件，其特征在于，所述第一成分为镍基合金，其按重量计包括：高达10%的铬、高达8%的钴、高达4%的钛、高达5%的铝、高达6%的钨，以及高达5%的钽。

5.根据权利要求2所述的焊接构件，其特征在于，所述第一成分为镍基合金，其按重量计包括：高达8%的钴、高达7%的铬、高达6%的钽、高达7%的铝、高达5%的钨、高达3%的铼，以及高达2%的钼。

6.根据权利要求2所述的焊接构件，其特征在于，所述第一成分为镍基合金，其按重量计包括：高达10%的铬、高达8%的钴、高达5%的铝、高达4%的钛、高达2%的钼、高达6%的钨，以及高达5%的钽。

7.根据权利要求2所述的焊接构件，其特征在于，所述第一成分为镍基合金，其按重量计包括：高达10%的钴、高达8%的铬、高达10%的钨、高达6%的铝、高达3%的钽，以及高达2%的铪。

8.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一焊接垫片成分和所述第二焊接垫片成分具有大致相等的厚度。

9.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一焊接垫片成分和所述第二焊接垫片成分具有不同的厚度。

10.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一垫片为镍基合金，其按重量计包括：高达22%的铬、高达13%的钴、高达3%的铁，以及高达9%的钼。

11.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一垫片为镍基合金，其按重量计包括：高达3%的铁、高达20%的铬，以及高达3%的锰。

12.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述第一垫片为镍基合金，其按重量计包括：高达22%的铬、高达14%的钨，以及高达2%的钼。

13.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述梯度还包括通过在所述垫片－垫片过渡成分内焊接具有第三垫片成分的第三垫片形成的第三焊接垫片成分；其中所述垫片－垫片过渡成分还包括位于所述第一焊接垫片成分和所述第三焊接垫片成分之间的第一－第三垫片－垫片过渡成分，以及位于所述第二焊接垫片成分和所述第三焊接垫片成分之间的第二－第三垫片－垫片过渡成分。

14.根据权利要求13所述的焊接构件，其特征在于，所述第一焊接垫片成分和所述第三焊接垫片成分具有不同的厚度。

15.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述构件为燃气轮机构件。

16.根据权利要求1所述的焊接构件，其特征在于，所述梯度还包括位于所述第一焊接垫片成分和所述第二焊接垫片成分之间的垫片－垫片过渡区域。

17.一种焊接燃气轮机构件，包括：

第一合金；

第二合金；以及

定位在所述第一合金与所述第二合金之间的焊缝；

其中，所述焊缝由射束焊接的第一垫片和第二垫片形成,所述第一垫片和所述第二垫片在所述焊缝内形成具有梯度的过渡区域；

其中所述第一垫片包括与第一合金兼容的第一成分，所述第二垫片包括与第二合金兼容的第二垫片，且第一垫片和第二垫片包括兼容的成分；

其中所述梯度具有梯度成分，所述梯度成分从第一合金贯穿第一成分和第二成分两者到第二合金按重量计在浓度上在铝和钛的一者或者两者上增多或减少。

18.一种焊接构件的方法，包括：

定位第一合金子构件；

定位第二合金子构件；

将第一垫片和第二垫片定位在所述第一合金子构件与所述第二合金子构件之间；以及射束焊接所述第一合金子构件、所述第二合金子构件、所述第一垫片和所述第二垫片以形成权利要求1所述的焊接构件。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述射束焊接为电子束焊接。

说明书

焊接构件、焊接燃气轮机构件及构件的焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及制造构件和形成制造构件的方法。更具体而言，本发明涉及焊接构件和构件的焊接方法。

背景技术

[0002] 燃气轮机内的操作温度在热学和化学上都是不利的。通过研制铁基、镍基和钴基超级合金以及使用能够保护超级合金免受氧化、热腐蚀等的环境涂层，实现了高温性能的显著改善。通过连结包括超级合金的子构件可制成零件。期望的是基于熔融和应变时效开裂来改善焊接性。改善焊接性能延长零件的使用寿命。

[0003] 在燃气轮机的压缩机部分中，大气空气在该过程中压缩至10至25倍的大气压力，且绝热地加热至700°F至1250°F(371℃至677℃)。此种经加热和压缩的空气引至燃烧室，在其中该空气与燃料相混合。燃料被点燃，且燃烧过程将气体加热至很高的温度，超过3000°F(1650℃)。这些热气体穿过涡轮，在其中固定到旋转涡轮盘上的翼型件获取能量以驱动所附接的产生电功率的发电机。为了改善涡轮的操作效率，已升高了燃烧温度。当然，随着燃烧温度的升高，必须采取一些步骤来防止对于形成这些热燃烧气体的流动通路的材料的热降解。

[0004] 某些公知的合金可用于沿这些热气体的流动通路所设置的构件。这些构件的某些部分必须能够经受高于这些构件其它部分的温度。例如，某些部分可耐受绝热地加热的温度(例如，800°F至1250°F)，而其它部分可进一步耐受由燃烧过程加热的热气体(例如，超过3000°F)。完全由合金制成的耐受最高温度的构件因过于昂贵或因未能包括在构件的其它部分中所期望的其它特性而可能不合需要。作为备选，完全由合金制成的仅耐受较低温度部分的温度的构件可能会损坏。

[0005] 在本领域中将期望的是，焊接构件、焊接燃气轮机构件和构件的焊接方法并不具有一个或多个上述缺陷。

发明内容

[0006] 根据示例性实施例，一种焊接构件包括第一合金子构件、第二合金子构件，以及位于第一合金子构件与第二合金子构件之间的焊缝(weld)。该焊缝包括具有过渡区的梯度。

[0007] 根据另一示例性实施例，一种焊接燃气轮机构件包括第一合金、第二合金，以及定位在第一合金与第二合金之间的焊缝。该焊缝由射束焊接的第一垫片和第二垫片所形成。

[0008] 根据另一示例性实施例，一种焊接构件的方法包括定位第一合金、定位第二合金，将第一垫片和第二垫片定位在第一合金与第二合金之间，以及射束焊接第一垫片和第二垫片以在第一合金与第二合金之间形成焊缝。

[0009] 结合以举例的方式示出本发明原理的附图，根据对优选实施例的以下更为详细的描述将清楚本发明的其它特征和优点。

附图说明

[0010] 图1示出了经焊接的构件的透视图。

[0011] 图2示出了在第一部分与第二部分之间具有连结间隙的构件的示意性侧视图。

[0012] 图3示出了具有插入在构件的第一部分与第二部分之间的两个垫片的构件的示意性侧视图。

[0013] 图4示出了具有焊缝的构件的示意性侧视图，该焊缝通过射束焊接插入在构件的第一部分与第二部分之间的两个垫片而形成。

[0014] 图5示出了定位在构件内且焊接在该构件内的两个垫片的示意性侧视图。

[0015] 图6示出了定位在构件内且焊接在该构件内的三个垫片的示意性侧视图。

[0016] 图7示出了定位在构件内且焊接在该构件内的两个垫片的示意性侧视图。

[0017] 图8示出了定位在构件内且焊接在该构件内的三个垫片的示意性侧视图。

[0018] 只要有可能，相同的参考标号都将在所有图中用来表示相同的部分。

具体实施方式

[0019] 提供的是焊接构件、焊接燃气轮机构件(例如，燃气轮机罩盖、燃气轮机叶片或燃气轮机喷嘴)，以及构件的焊接方法。本公开内容的实施例提高了熔合焊接性、减小了熔融趋势、减小了应变时效开裂趋势、容许使用具有在其它情况下不兼容特性的部分、增大了抗应力性、提高了廷展性，以及它们的组合。

[0020] 参看图1，构件100包括具有第一合金104的第一部分102或子构件以及具有第二合金108的第二部分106或子构件。第一部分102和第二部分106通过使用形成焊缝110的两个或多个垫片111而焊接在一起。焊缝110由定位成邻近第一部分102的第一垫片112和定位在第一垫片112与第二部分106之间的第二垫片114所形成。例如，焊缝110通过能量束118如电子束或激光束来进行射束焊接。在另外的实施例中，第三垫片602或更多垫片也形成焊缝110(见图6和图8)。垫片111在定位于第一部分102与第二部分106之间的连结间隙202(见图
2)内形成梯度成分，从而改善了焊缝110的焊接性和连结特性。

[0021] 图2至图4示意性地示出了处于形成构件100的示例性方法的各个阶段的第一部分102和第二部分106。图2示出了构件100的侧视图，其中第一部分102和第二部分106分开且布置为形成连结间隙202。在该实施例中，连结间隙202将第一部分102和第二部分106完全分开。在另一实施例中，第一部分102和第二部分106部分地附接且连结间隙202在第一部分
102与第二部分106之间延伸。参看图3，根据该方法的实施例，当第一部分102和第二部分
106定位好时，将第一垫片112和第二垫片114定位在位于第一合金102与第二合金106之间的连结间隙202内。垫片111经射束焊接(例如，电子束或激光焊接)以形成图4中所示的焊缝
110。

[0022] 构件100的第一部分102中的第一合金104在成分上不同于构件100的第二部分106中的第二合金108。在一个实施例中，第一合金104和第二合金108为任何适合的超级合金。

[0023] 在一个实施例中，第一合金104或第二合金108包括镍基合金，其按重量计具有高达大约15％的铬、高达大约10％的钴、高达大约4％的钨、高达大约2％的钼、高达大约5％的钛、高达大约3％的铝，以及高达大约3％的钽。在另一实施例中，第一合金104或第二合金108按重量计具有以下成分：大约14％的铬、大约9.5％的钴、大约3.8％的钨、大约1.5％的钼、大约4.9％的钛、大约3％的铝、大约0.1％的碳、大约0.01％的硼、大约2.8％的钽，以及余量的镍。

[0024] 在一个实施例中，第一合金104或第二合金108包括镍基合金，其按重量计具有高达大约10％的铬、高达大约8％的钴、高达大约4％的钛、高达大约5％的铝，高达大约6％的钨、以及高达大约5％的钽。在另一实施例中，第一合金104或第二合金108按重量计具有以下成分：大约9.8％的铬、大约7.5％的钴、大约3.5％的钛、大约4.2％的铝、大约6％的钨、大约1.5％的钼、大约4.8％的钽、大约0.09％的碳、大约0.009％的硼，以及余量的镍。

[0025] 在一个实施例中，第一合金104或第二合金108包括镍基合金，其按重量计具有高达大约8％的钴、高达大约7％的铬、高达大约6％的钽、高达大约7％的铝、高达大约5％的钨、高达大约3％的铼，以及高达大约2％的钼。在另一实施例中，第一合金104或第二合金108按重量计具有以下成分：大约8％的钴、大约7％的铬、大约6％的钽、大约6.2％的铝、大约5％的钨、大约3％的铼、大约2％的钼、大约0.2％的铪，以及余量的镍。

[0026] 在一个实施例中，第一合金104或第二合金108包括镍基合金，其按重量计具有高达大约10％的铬、高达大约8％的钴、高达大约5％的铝、高达大约4％的钛、高达大约2％的钼、高达大约6％的钨，以及高达大约5％的钽。在另一实施例中，第一合金104或第二合金108按重量计具有以下成分：大约10％的铬、大约8％的钴、大约4.2％的铝、大约3.5％的钛、大约2％的钼、大约6％的钨、大约5％的钽、大约0.5％的铌、大约0.2％的铪，以及余量的镍。

[0027] 在一个实施例中，第一合金104或第二合金108包括镍基合金，其按重量计具有高达大约10％的钴、高达大约8％的铬、高达大约10％的钨、高达大约6％的铝、高达大约3％的钽，以及高达大约2％的铪。在另一实施例中，第一合金104或第二合金108按重量计具有以下成分：大约9.5％的钴、大约8％的铬、大约9.5％的钨、大约0.5％的钼、大约5.5％的铝、大约0.8％的钛、大约3.0％的钽、大约0.01的锆、大约0.10的碳、大约1.5％的铪，以及余量的镍。

[0028] 在一个实施例中，第一合金104、第二合金108，或第一合金104和第二合金108为能够经受预定温度(例如，燃气轮机热气体通路的温度)的合金。例如，在一个实施例中，第一合金102能耐受高于第一/较高温度(例如，大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F、大约2000°F或大约3000°F)的热量，而第二合金108能耐受高于第二/较低温度(例如，800°F至
1250°F之间、大约800°F、大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F，或大约2000°F)的热量。在一个实施例中，第一温度显著高于第二温度。在另一实施例中，第二合金108不能耐受第一/较高温度。此外或作为备选，在一个实施例中，第一合金104、第二合金108或第一合金104和第二合金108包括单晶晶粒、定向凝固晶粒，或等轴晶粒。

[0029] 参看图2至图4，当焊接时，垫片111在连结间隙202内具有重建的微观结构，从而改变了焊缝110的特性。垫片111为可定位在连结间隙202内的材料薄条。在一个实施例中，一个或多个垫片111为挠性的，且能够在使用前成卷地储存。在一个实施例中，一个或多个垫片111为预定长度(例如，该长度对应于第一部分102或第二部分106上的表面的长度)、预定高度304(例如，该高度对应于第一部分102和/或第二部分106的高度)、预定厚度306(例如，如下文参照图5至图8所述)，或它们的组合。在一个实施例中，垫片111的厚度沿垫片111的长度而变化。在该实施例中，垫片111的较厚部分对应于受益于数量更多的材料的连结间隙202区，而垫片111的较薄部分对应于受益于存在数量较少的材料的连结间隙202区。

[0030] 参看图5，在一个实施例中，第一垫片112和第二垫片114具有大致相等的厚度306(例如，每个大约0.02英寸、每个大约0.01英寸，或每个在大约0.01英寸至大约0.03英寸之间)。当从能量束118接收能量时，第一垫片112和第二垫片114形成具有梯度502的焊缝110，其包括第一垫片材料506的第一区504、第二垫片材料510的第二区508、位于第一垫片材料506与第二垫片材料510之间的垫片过渡区512(例如，熔合区域)、位于第一垫片材料506与第一合金104之间的第一垫片-合金过渡区514(例如，第一热影响区域)，以及位于第二垫片材料510与第二合金108之间的第二垫片-合金过渡区516(例如，第二热影响区域)。在该实施例中，第一区504和第二区508具有大致相等的厚度306。

[0031] 参看图6，在一个实施例中，第一垫片112、第二垫片114和第三垫片602(例如，中间垫片)具有大致相等的厚度306(例如，每个大约0.02英寸、每个大约0.01英寸，或每个在大约0.01英寸至大约0.03英寸之间)。当从能量束118接收能量时，第一垫片112、第二垫片114和第三垫片602形成具有梯度502的焊缝110，其包括第一垫片材料506的第一区504、第二垫片材料510的第二区508、第三垫片材料603的第三区601、位于第一垫片材料506与第三垫片材料603之间的第一垫片-垫片过渡区域604(例如，第一熔合区域)、位于第二垫片材料608与第三垫片材料603之间的第二垫片-垫片过渡区域606(例如，第二熔合区域)、位于第一垫片材料506与第一合金104之间的第一垫片-合金过渡区514，以及位于第二垫片材料510与第二合金108之间的第二垫片-合金过渡区516。在该实施例中，第一区504和第二区508具有大致相等的厚度306，以及第三区601具有较大的厚度306。

[0032] 参看图7，在一个实施例中，第一垫片112和第二垫片114具有不同的厚度306(例如，第一垫片112具有大约0.01英寸的厚度而第二垫片114具有大约0.02英寸的厚度，或第一垫片112具有大约0.02英寸的厚度而第二垫片114具有大约0.03英寸的厚度)。当从能量束118接收能量时，第一垫片112和第二垫片114形成具有梯度502的焊缝110，其包括第一垫片材料506的第一区504、第二垫片材料510的第二区508、位于第一垫片材料506与第二垫片材料510之间的垫片过渡区512、位于第一垫片材料506与第一合金104之间的第一垫片-合金过渡区514，以及位于第二垫片材料510与第二合金108之间的第二垫片-合金过渡区516。在该实施例中，第一区504和第二区508具有不同的厚度306。

[0033] 参看图8，在一个实施例中，第一垫片112和第二垫片114具有大致相等的厚度306，而第三垫片602具有不同的厚度306(例如，第一垫片112和第二垫片114具有大约0.01英寸的厚度而第三垫片602具有大约0.02英寸的厚度，或第一垫片112和第二垫片114具有大约0.02英寸的厚度而第三垫片602具有大约0.03英寸的厚度)。当从能量束118接收能量时，第一垫片112、第二垫片114和第三垫片602形成具有梯度502的焊缝110，其包括第一垫片材料
506的第一区504、第二垫片材料510的第二区508、第三垫片材料603的第三区601、位于第一垫片材料506与第三垫片材料603之间的第一垫片-垫片过渡区域604、位于第二垫片材料
510与第三垫片材料603之间的第二垫片-垫片过渡区域606、位于第一垫片材料506与第一合金104之间的第一垫片-合金过渡区514，以及位于第二垫片材料510与第二合金108之间的第二垫片-合金过渡区516。在该实施例中，第一区504和第二区508具有大致相等的厚度
306，而第三区601具有较大的厚度306。

[0034] 垫片111选择且定位为对应于第一合金104和/或第二合金108的一种或多种特性和/或成分，以及相邻垫片的特性和/或成分。例如，在一个实施例中，第一垫片112包括与第一合金104兼容的成分和/或特性，且定位成邻近包括第一合金104的第一部分102。例如，在一个实施例中，为了兼容性，该成分包括处于预定浓度的Al、Ti或任何其它适合的组分。在该实施例中，第二垫片114包括与第二合金108兼容的成分和/或特性，且定位成邻近包括第二合金108的第二部分106。在一个实施例中，第一垫片112和第二垫片114包括兼容的成分且定位成邻近彼此以用于焊接。在另一实施例中，第三垫片602定位在第一垫片112与第二垫片114之间，且包括提供附加的期望特性(例如，强度和/或与第一垫片112和第二垫片114中各个的兼容性)的成分。

[0035] 在一个实施例中，垫片111基于合金的化学性质来选择和定位。例如，在一个实施例中，第一合金104为铸造超级合金，且第一垫片112包括低铝含量(例如，按重量计，在大约0％的钛的情况下低于大约3％，在大约1％的钛的情况下低于大约2.5％，在大约2％的钛的情况下低于大约2％，或其线性插值或外推值)。在该实施例中，熔合边界(例如，垫片过渡区域512、第一垫片-垫片过渡区域604、第二垫片-垫片过渡区域606，或它们的组合)内的材料在可焊接材料范围内，从而减小或消除了在第一合金104的热影响区域中的应变时效开裂。

[0036] 在一个实施例中，第一合金104为铸造超级合金，且一个或多个垫片111选择为高延展性(例如，基于在大约30％至65％之间或在大约55％至大约65％之间的延伸率)。在该实施例中，焊缝110能耐受熔融开裂，例如中心线开裂。在另一实施例中，一个或多个垫片111选择为包括低γ′体积。

[0037] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约20％至大约24％的铬、大约3％的铁、大约0.3％至大约1％的镁、大约1％至大约3％的钼、大约0.2％至大约0.5％的铝，以及余量的镍。

[0038] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约20％至大约24％的铬、大约3％的铁、大约1％的镁、大约8％至10％的钼、大约1％的硅，以及剩余的镍。

[0039] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约14.5％至大约16.5％的铬、大约4％至7％的铁、大约1％的镁、大约15％至17％的钼、大约0.8％的硅，以及剩余的镍。

[0040] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个包括镍基合金，其按重量计具有高达大约22％的铬、高达大约13％的钴、高达大约3％的铁和高达大约9％的钼。在另一实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约22％的铬、大约12.5％的钴、大约1.1％的铝、0.1％的碳、大约3％的铁、大约1％的锰、大约1％的硅、大约0.6％的钛、大约
9％的钼，以及余量的镍。

[0041] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个包括镍基合金，其按重量计具有高达大约3％的铁、高达大约20％的铬、高达大约3％的锰。在另一实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约3％的铁、大约20％的铬、大约0.5％的硅、大约3％的锰、大约0.7％的钛、大约0.1％的碳以及余量的镍。

[0042] 在一个实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个包括镍基合金，其按重量计具有高达大约22％的铬、高达大约14％的钨，以及高达大约2％的钼。在另一实施例中，第一垫片材料506、第二垫片材料510和第三垫片材料603中的至少一个具有按重量计的以下成分：大约0.1％的碳、大约1％的铁、大约22％的铬、大约14％的钨、大约1.5％的钼、大约0.5％的锰、大约0.4％的硅、大约0.3％的铝、大约0.02％的镧系元素、大约0.004％的硼，以及余量的镍。

[0043] 尽管已参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可进行各种改变且等同方案可替代其元件而并不脱离本发明的范围。此外，可进行许多修改以使特定的形式或材料适于本发明的教导内容而不脱离其实质范围。因此，本发明并非旨在限于公开为用于执行本发明而构想出的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。