兼具高温强韧性和抗焊接裂纹性能的Co-Al-W-Ta基高温合金及其焊接应用

技术领域

本发明涉及高温合金材料技术领域，具体涉及一种兼具高温强韧性和抗焊接裂纹性能的Co-Al-W-Ta基高温合金及其焊接应用。

背景技术

沉淀强化型高温合金由于基体内部分布规则、均匀的共格γ′强化相，在温度应力的作用下，基体中的γ′相能够有效的阻碍位错运动，使材料的高温变形抗力显著提高，该类材料具有良好的高温强韧性、高温抗蠕变变形性能，因此这类材料在航空发动机部件中有广泛的应用。熔化焊方法是高温合金材料的制造修复中非常常见的一类制造修复方法，由于其经济、操作灵活且工艺坏境适应性强，因此是一种不可替代的工艺方法。然而，由于沉淀强化型高温合金中γ′强化相的存在，导致合金在焊接冷却的过程中发生较为显著的淬硬现象，同时γ′沉淀强化相的存在能够诱发组分液化现象的发生，因此沉淀强化型高温合金在经历了熔化焊过程后，极易形成焊接热裂纹。开发出新型的焊接性优良的高温合金，

Co-Al-W-Ta基沉淀强化型高温合金是一类新型的沉淀强化型高温合金材料，该类合金的γ′沉淀强化相合金元素组成为Co

明确合金元素对该Co-Al-W-Ta基高温合金可焊性以及高温强韧性的影响，并开发该系列合金成为一类兼具可焊性以及优良高温力学性能的新型高温合金材料，以提高熔化焊工艺方法在高温合金制造加工中的适应性，具有重要的工业应用价值，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具高温强韧性和抗焊接裂纹性能的 Co-Al-W-Ta基高温合金及其焊接应用，该材料的开发对熔焊工艺方法在高温合金的连接和修补中的应用具有重要的实际意义，因此具有重要的工业应用和经济效益价值。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种兼具高温强韧性和抗焊接裂纹性能的Co-Al-W-Ta基高温合金，按原子百份比计，该高温合金的化学成分如下：

Al 9.0～9.2％，W 3.0～5.5％，Ta 3.5～6.0％，C 0.08～0.12％，B 0.04～0.07％，余量为Co。

该高温合金的相组成为块状的β-CoAl相、χ-CO

该高温合金中的γ′沉淀强化相体积分数为70～80％，尺寸为400～500 nm；γ′沉淀强化相的化学成分为：W为12～15at.％，Ta为14～16at.％，Al 为7～9at.％，余量为Co。

该高温合金作为焊接材料应用于Co-Al-W系高温合金材料对接焊中。

所述焊接材料为焊丝或焊板，其制备过程包括如下步骤：

(1)采用真空感应熔炼对高温合金原料进行熔炼和重熔后，进行浇注得到合金锭，其中：熔炼温度1550℃～1500℃，保温时间10min～30min，反复熔炼2～4次，在1430～1460℃时进行浇注；

(2)焊接材料制备过程：将步骤(1)所得合金锭切割为焊丝，或者将合金锭依次经熔炼、浇注为板材和热处理后制得焊板。

所述焊丝的直径为Φ1.2～1.5mm，长度≥250mm。

焊板的制备过程为：对合金锭进行100％的表面车削以及抛光，并切除缩孔部位后，进行再次熔炼，采用砂型铸造的方法浇注成长120～122mm、宽20～22mm、厚度6mm的铸态合金板样品，采用箱式电阻炉进行热处理，热处理制度为：先在1230～1235℃进行2-3小时的均匀化固溶处理，炉冷，再在950℃进行保温24小时的时效处理，在合金焊板中获得规则、尺寸均匀且体积分数高的γ′共格强化相。

所述无极氩弧焊对接焊的焊接工艺参数为：焊接电流为30A～45A，焊接电压为10V～12V，焊接速率为32mm/min，保护气体流量为15L/min；坡口角度为60°。

在焊接完成后接头的熔化区以及热影响区中的γ′相完全固溶，因此能够有效避免淬硬和共晶相导致的焊接热裂纹；在不采用焊后热处理的条件下，焊态接头抗拉强度高达620MPa～660MPa，为钴基合金的母材样品的 85～90％。

焊接接头变形组织特征为：

(a)接头在高温拉伸过程中，熔化区以及热影响区中能够快速析出均匀且体积分数极高的次生γ′相；

(b)850℃高温拉伸变形过程中，熔化区以及热影响区中形成高密度交叉层错变形组织，从而形成层错锁，有效的提高了变形抗力。

本发明的优点及有益效果如下：

目前，受限于沉淀强化型Ni基高温合金的显微组织特征，高温合金焊接材料的可焊性以及高温力学性能很难同时兼备。为了扩展熔焊方法在高温合金结构件修复和连接中的应用，亟需开发新的兼具高温强度以及良好可焊性的高温合金焊接材料，实现熔化焊工艺在高温合金中的应用。通过该Co-Al-W-Ta系高温合金能够实现的有益效果如下：

(1)采用钨极氩弧焊气体保护焊后，接头中很难出现任何焊接热裂纹，因此该材料的熔化工艺适应性极好；

(2)焊态接头在不采用任何焊后热处理工艺的前提下进行850℃的高温拉伸，接头抗拉强度能够达到母材抗拉强度的85％～90％，可以有效的避免焊后热处理过程，节省了加工成本；

(3)在850℃的拉伸变形条件下，熔化区中能够再次析出大量的次生γ′沉淀强化相，同时热影响区、熔化区再变形过程中能够形成大量交叉层错组织，有效的提高了接头的变形抗力，使得接头抗拉强度的绝对值在 620MPa～640MPa之间，该抗拉强度指标与目前的商用高温合金焊接材料相比具有明显优势。

附图说明

图1为名义成分为CoAl

图2为采用钨极氩弧焊工艺方法制备的CoAl

图3为名义成分为CoAl

图4为850℃拉伸变形条件下，名义成分CoAl

图5为名义成分为CoAl

图6为采用钨极氩弧焊工艺方法制备的CoAl

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详述本发明中的这种兼备高温强韧性以及优良的抗焊接裂纹形成能力的高温合金材料。

本发明提供一种兼具高温强韧性和抗焊接裂纹性能的Co-Al-W-Ta基高温合金，按原子百份比计，该高温合金的化学成分为：Al 9.0～9.2％，W 3.0～5.5％，Ta 3.5～6.0％，C 0.08～0.12％，B 0.04～0.07％，余量为Co。

该高温合金作为焊接材料应用于钴基合金的无极氩弧焊对接焊中，所述焊接材料为焊丝或焊板，焊接材料制备过程及焊接过程如下：

(1)采用真空感应熔炼对高温合金原料进行熔炼和重熔后，进行浇注得到合金锭，合金锭直径Φ(80±5)mm、长度≥250mm；其中：熔炼温度1550℃～1500℃，保温时间10min～30min，反复熔炼2～4次，在 1430～1460℃时进行浇注；

(2)所得合金锭可直接切割为直径Φ1.2～1.5mm、长度≥250mm的焊丝；或者将合金锭制备为焊板，过程为：对合金锭进行100％的表面车削以及抛光，并切除缩孔部位后，进行再次熔炼，采用砂型铸造的方法浇注成长120～122mm、宽20～22mm、厚度6mm的焊接铸态合金板，焊板热处理过程为：采用箱式电阻炉对Co-Al-W-Ta基沉淀强化型高温合金铸态合金板进行固溶+时效的热处理工艺，以保证在合金中获得规则、尺寸均匀且体积分数高的γ′共格强化相；固溶+时效处理工艺为：电阻炉炉温保持在 1230～1235℃，保温时间为2～3小时，采用炉冷工艺进行冷却，冷却至300℃以下取出；随后，再次在950℃下进行保温24h。

(3)将待焊钴基母材板上开坡口，采用制备好的焊丝材料或焊板进行多道次对接填充焊，获得无缺陷的焊接接头；焊接过程中，母材边缘通过夹具进行限位固定，焊接参数为：焊接电流15～35A，焊接电压10～12V，焊接速度3～5cm/min，保护气体为纯度99.9％的氩气。

(4)垂直于焊接方向切割板状拉伸样品，在850℃的测试条件下，采用1.2×10

实施例1：

本实施例采用焊板进行钴基板材的TIG焊，焊板和钴基母材的名义成分相同，均为CoAl

按照CoAl

对CoAl

采用TIG焊方法对母合金板材进行开坡口对接焊，填充材料成分(焊板)与母材合金成分相同，母材边缘通过夹具进行限位固定。焊接参数为焊接电流35A，焊接电压12V，焊接速度为平均每分钟32mm，保护气体为99.9％Ar气，焊道长度为100mm，焊接完成后，通过线切割将焊道分割，通过SEM观察焊缝横截面，统计焊接熔化区以及热影响区中的裂纹的长度以及数量。

图2给出了经过TIG焊后的接头截面显微组织，接头中的各个位置均未观察到焊接热裂纹。在经历了钨极氩弧焊焊接过程后，熔化区与热影响区的基体中的γ′沉淀强化相基本完全固溶。

将对接焊样品沿着垂直于焊接的方向取样，制备成板状拉伸样品，拉伸变形实验时的应变速率为1.2×10

图4所示为接头在850℃的拉伸变形条件下经过拉伸变形破坏后的样品的熔化区中的微观变形组织，图4(c)为透射电镜的高分辨显微组织形貌，可以看出850℃变形条件下，熔化区中能够产生大量交叉层错，交叉层错能够有效的提高合金的变形抗力。

对比例1：

按照CoAl

对CoAl

采用TIG焊方法对晶界调控后的母合金板材进行开坡口对接焊，填充材料成分与基合金成分相同，焊板边缘通过夹具进行限位固定。焊接参数为焊接电流35A，焊接电压12V，焊接速度为平均每分钟32mm，保护气体为99.9％Ar气，焊道长度为100mm，焊接完成后，通过线切割将焊道分割，通过SEM观察焊缝横截面，统计焊接熔化区以及热影响区中的裂纹的长度以及数量。图6给出了经过TIG焊后的接头截面显微组织，可以在接头的热影响区中观察到大量的焊接热裂纹。