CN101272880A - 通过在激光热作用过程中设定温度梯度对具有定向微观结构的部件进行修补的方法;一种以此方法制造的部件 - Google Patents
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Abstract
在一种根据本发明所述的、对具有定向微观结构的基础材料的部件(1)进行修补的方法中,如此进行所述修补,使得修补部位(3)具有如同周围的基础材料一样的定向微观结构。将焊料(7)置于待修补部位(3)的范围内,并且利用热作用(9)将其与部件(1)焊接在一起。在热作用(9)过程中因此产生一种温度梯度,也就是说例如在待修补部位(3)的范围内产生一种从较高温度到较低温度的温度变化。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1所述的对具有带有一种定向微观结构的基础材料的部件进行修补的方法,以及一种根据权利要求27所述的部件。
当今利用定向微观结构材料所制造的涡轮机部件并不鲜见。所谓定向结构材料(Materialien mit einer gerichteten Mikrostruktur),一般尤其指的是单晶材料,以及具有颗粒结构的材料,且颗粒的膨胀具有一种共同的优选方向。例如,颗粒在某一特定的优选方向中具有比其它方向中更大的尺寸。具有此类颗粒结构的部件也称作定向凝固部件(directional solidified)。
诸如涡轮叶片之类的高负荷部件在运行过程中要承受可能会引起材料疲劳、且最终导致出现裂纹的热负荷与机械负荷。由于采用具有定向微观结构的基础材料所制造的部件比较昂贵,因此通常总是试图在出现损伤之后对这类部件进行修补。以此可重新恢复部件的功能,从而可将该部件用于下一个检查周期。
例如可采用钎焊()来修补受损的部件。进行钎焊时,在受损部位将焊料置于部件的材料上,也就是置于基础材料上,然后利用热作用使其与基础材料接合在一起。但就迄今为止常用的方法而言,在完成钎焊之后,焊料并不具有单晶结构或定向凝固结构。与定向微观结构相比,无序结构具有较差的材料特性(尤其在高温范围内),从而使得钎焊部位具有比周围基础材料差一些的材料特性。
如果要对具有定向微观结构的受损部件进行修补,应使用也能够在焊接结构中也能产生定向微观结构的焊接方法。例如,在EP 089090A1中就公布了这样一种方法。
其它方法或所使用的焊粉可查阅下列公开文献:US 6,283,356、US4,705,203、US 4,900,394、US 6,565,678、US 4,830,934、US 4,878,953、US5,666,643、US 6,454,885、US 6,503,349、US 5,523,170、US 4,878,953、US4,987,736、US 5,806,751、US 5,783,318、US 5,873,703。
在US-PS 6,050,477中公开了一种使两个部件结合的方法,即将焊料大面积置于这两个部件之间,然后利用温度梯度来产生同样的定向微观结构。对整个部件进行加热。
US 2003/0075587A1公开了对具有定向凝固微观结构的部件进行修补的一种方法,但经过修补的部位仍然没有和待修补的部件一样的微观结构。
US-PS 6,495,793公开了一种利用激光对镍基耐高热合金进行焊接修补的方法,用激光将材料输送机所送入的材料熔化。除此之外,还在焊接过程中将基础材料熔化。但并没有对部件或修补部位的微观结构作出任何陈述。
EP 1258545A1公开了一种不使用温度梯度的钎焊方法。
EP 1340567A1公开了一种将辅助材料添加到已熔化的待修补的部位中的焊接方法。这里同样也是将基础材料熔化。同样也使用一种温度梯度,来处理具有定向微观结构的部件。
US-PS 4,878,953公开了一种对具有定向微观结构的部件进行修补的焊接方法,利用粉末将材料涂布在正在修补的部位上,且该部位具有一种微细颗粒状微观结构。这里同样也是将基础材料熔化。
焊接方法始终将待修补的部件的基础材料熔化,所以不可以用来焊接部件的结构性部分,因为基础材料的熔化会使得定向结构的完整性不复存在。因此仅当损伤并非存在于部件的结构性范围内时,才可利用焊接法来修补具有定向微观结构的部件。而当损伤处在部件的承载着结构性范围内时,如果要求有定向焊接结构,则应将该部件当成不可修补,并且将其更换成无损伤的部件。
本发明的任务在于:提供一种方法和一种部件,即使当所述损伤处在部件的结构性范围内时,也能对具有带有定向微观结构的基础材料的受损部件进行修补。
采用权利要求1所述的一种方法以及权利要求27所述的一种部件,即可解决这一任务。
从属权利要求中包括本发明所述的一些优选方案,可以用适宜的方式和方法任意地将其组合使用。
在根据本发明的一种对具有定向微观结构材料的部件进行修补的方法中,所述修补如此进行:使得修理后的部位具有和周围基础材料相应的定向微观结构。在这种情况下尤其是所述的基础材料可以是一种镍基材料。在本发明所述的方法中,将焊料置于待修补的部位的范围内,然后利用热作用将其与部件焊接在一起。在热作用过程中在此时产生一种温度梯度,即在待修补部位的范围内产生一种从较高温度到较低温度的一种温度变化。
在钎焊过程中并不熔化基础材料,而是仅仅熔化焊料,然后再使其重新凝固,焊料在其间与基础材料结合,从而使得本发明所述的修补方法也可以应用于部件的结构性区域,且不会损害基础材料的良好材料特性。借助所述温度梯度可以使焊料实现外延生长并且凝固,即这样一种生长:其中由基底的晶向、也就是基础材料的晶向来决定焊料凝固时的晶向。因此,所述温度梯度有助于形成单晶焊料区,或者在焊接后的焊料中形成另一种定向微观结构,同时具有与非定向微观结构相似地改善了的材料特性。其间可沿着温度梯度的方向、也就是沿着从低温到高温的方向进行定向生长。由于所述定向的生长,并且因此而产生的定向微观结构,因此焊接后的焊料具有与部件的基础材料相似良好的材料特性。
按照本发明所述的修补方法中的温度梯度最好如此产生,使其沿着部件的基础材料的定向微观结构的取向方向进行变化。以这种方式可以使得正在凝固的焊料沿着基础材料定向微观结构的取向方向进行定向生长。
在根据本发明的方法的一种有益改进方案中,焊料具有熔化温度较低、且最好明显低于部件基础材料熔化温度的熔化温度的第一组成成分,以及强度较高的第二组成成分,且第二组成成分的熔化温度高于第一组成成分的熔化温度,但低于基础材料的熔化温度而直至该熔化温度。按照所述方法的这种改进方案所述,在待焊部位的区域中如此施涂焊料,使得靠近基础材料的焊料中的第一组成成分的比例大于远离基础材料的区域中的组成成份。在所述方法的这种实施方案中,具有较低熔化温度的第一组成成分用来使焊料与基础材料相结合,而具有较高熔化温度的组成成份则用来提高焊接后的焊料的阻抗能力(强度)。这种使焊料在基础材料的范围内具有较大的比例的第一组成成分的做法,能够让已被焊接的焊料与基础材料良好结合。而另一方面在距离基础材料较远的区域中,具有较高阻抗能力的第二组成成分的比例则比较大,从而使得钎焊部位的在将来的部件工作过程中承受较大的负荷的区域具有较高阻抗能力。
在根据本发明所述的方法中,所有能够在待进行钎焊的部位中(也就是在焊料中)形成一种温度梯度的加热工序,均可用来提供热作用。例如可以利用激光或常规照射装置进行光学加热过程,或者利用加热线圈进行感应式加热。也可以使用铸造炉来铸造具有定向微观结构的材料。
例如,可以使用一种所谓的“热盒”来进行感应式加热。所谓“热盒”,主要指一种装置,其中有可容纳待修补部件的容器,以及在所述容器中可活动地安装的感应线圈,用于对部件进行局部加热的。可以在钎焊过程中将一种惰性气体(例如氩气)充入到容器中。
在根据本发明的方法的一种改进方案中,可以将基础材料的热处理整合在焊料的焊接工艺之中。这样就可在进行修补时,同时实现对于基础材料的特性进行翻新(Rejuvenation)。
以下将参照附图和一种实施例,对本发明的其它特征、特性和优点进行说明。
附图1a-1c 示出根据本发明的方法的一种实施例,
附图2 示出所述实施例的一种变型;
附图3 示出一种涡轮叶片;
附图4 示出一种燃烧室;
附图5 示出一种涡轮机;
附图1a所示为一种受损部件1的示意图。
部件1的基础材料包括一种最好在镍基上的合金,且具有附图中以短倾斜延伸虚线表示的定向微观结构。部件1的受损部位3位于表面5的范围内,在附图中表示为凹陷部分。
对受损部件1进行修补时,将焊料7置于经过预先清洁的受损部位3上,本实施例中适宜使用粉状焊料,然后利用热作用将其与部件1的基础材料焊接在一起(附图1b)。最好将所需的全部焊料7置于经过预先清洁的受损部位3之中,且必要时可以少许过量,尤其不要在熔化过程中逐步添加焊料。
最好在熔化之前将焊料7压入受损部位3之中。这样做的优点在于:可使用焊料7将全部受损部位3填满。尤其当裂纹3非常深(高宽比较大)且具有不均匀的横断面时,如果使用现有技术,利用粉末输送机从外部供应粉末,将无法使得焊料7进入裂纹尖端。
焊料7可以是糊状、膏状、纯粉末状,或者利用薄膜进行涂覆,并将其置于受损部位3之中。可想而知,也可以用其它形式来焊料装入或者涂覆。
如果焊料7的材料成份与部件1的材料类似,则较为有益。“类似”这一说法表示:焊料7的材料具有基础材料的所有元素,且还添加有一种或多种熔点降低剂(例如硼,硅)。焊料7必须包括至少一种熔化温度比部件1的基础材料的熔化温度低的组成成分,以便利用热作用使焊料7熔化,但并不使部件1的基础材料熔化。焊料7最好由一种组成成分组成,也就是说,焊料7应由一种合金组成,而不是由两种合金的粉末混合物组成。
进行钎焊时,焊料7的钎焊温度应比部件1的基础材料的熔化温度低至少30℃或者至少50℃,使得基础材料会受到损坏。钎焊温度与熔化温度之差最好在50℃和70℃之间。如果所涉及的基础材料是耐高热合金耐高热合金(Superlegierung),则这一点尤其是重要的。耐高热合金会在接近于其熔化温度的高温下将铬蒸发出来,因此焊料7的熔化温度应当尽可能低,从而使得焊料7的钎焊温度与基础材料熔化温度之差保持得尽可能大。焊料7的钎焊温度与基础材料熔化温度之差最好也至少为70℃,且最好是70℃±4℃。焊料7的钎焊温度与基础材料熔化温度之间的最大温差最好为120℃。
最好使得焊料7恰好熔化,使其能够流入到待修补的部位3之中。
为此所需的温度可以高于或低于用于形成所述定向微观结构所需的温度。
对于需要进行钎焊的耐高热合金没有任何限制。特别适合于应用本发明所述的焊料7的材料为PWA 1483、PWA 1484和RENEN5。PWA 1483的熔点为1341℃,RENEN5的熔点在1360℃至1370℃之间。
焊料7的熔点在(例如)1160℃至1220℃之间。
除此之外,当使用较高温度时,DS或者SX材料均存在再结晶问题,因此也要求焊料7的钎焊温度与部件1的基础材料的熔化温度之间有较大的差别。
为了对焊料7施加热作用,在本实施例中适宜使用电子束焊枪9,由电子束焊枪来照射待融化的焊料7,并且向其提供熔化所需的热量。
最好在真空中进行电子束处理。如果是易于氧化的材料(例如耐高热合金),尤其是氧化作用起到一种重要的影响,由此应当在真空中利用激光或电子束来进行热处理。所述电子束处理的优点在于:能够更好地将能量耦合到材料之中,且电子束以非接触方式穿过线圈,线圈在这种情况下如同透镜,可以在待修补的部位3上运动。
也可以利用激光束对焊料7施加热作用。
激光功率或电子束的功率如此确定,使其可以完全熔化焊料7,并且使其达到钎焊温度。在这种情况下,焊料7的钎焊温度比焊料7的熔化温度局部高出直至140°。
Nd-YAG激光器的功率在这种情况下最好在1500至2000W之间。根据本发明所述,在钎焊过程中最好沿着基础材料微观结构的优选方向,在受损部位3的范围内形成一种温度梯度。可以通过下列方式形成温度梯度:即使得部件1和电子束焊枪9相对运动。因此,在本实施例中,电子束焊枪9平行于表面5在焊料7上方运动。电子束焊枪9在焊料7上方运动的速度在这种情况下如此进行选择,使得可以在受损部位3的范围内、也就是在焊料7中形成所需的温度梯度。当被电子束焊枪9熔化的焊料7重新凝固时,该温度梯度在这种情况下就会诱导形成一种外延定向微观结构(epitaktisch gerichtetenMikrostruktur)。例如,在这种情况下可以通过电子束焊枪9与部件1的相对运动速度、或者通过激光功率来调整温度梯度的陡度。所谓梯度的陡度,指的是每长度单位的温度增加或下降程度。温度梯度的陡度可在正在凝固的焊料7中导致形成一种定向微观结构,该陡度在这种情况下与焊料7的成份有关。
必须对温度梯度进行调整,可根据所谓的GV-图表(温度梯度与凝固速度图表-GV-Diagram)得出温度梯度,对于各种金属和金属合金这是不相同的,必须针对每一种合金进行计算,或者以实验方式来确定。GV-图表中的曲线L将凝固速度和温度梯度这两个参数的区域分开,在一个区域中合金凝固成球状,在另一个区域中合金凝固成枝状定向结构。有关GV-图表的描述和解释,可参阅J.D.Hunt于1984年在“Material Science Engineering(材料科学工程)”第65卷中发表的题为“Columnar to equiangular transition”的文章。
所述温度梯度由焊料7的钎焊温度以及待修补的部位3背面上的部件温度来确定。
最好不要使部件1冷却,或者使其保持室温,或者如果可能将其预热到300°,正如专利文献WO 98/20995、WO 98/05450、WO 96/05006或EP 0631832A1所述的那样。
在EP 1437426A1或WO 03/087439A1中也公开了利用激光或以电子束的等同的方式来形成单晶结构的方法,这些方法均为涉及对于使用激光或电子束来形成单晶结构的应用的组成部分。
在实施例中,部件1的基础材料中的定向微观结构的优选方向在绘图平面内从左向右延伸。为了在正在凝固的焊料7中诱导形成一种定向的微观结构,且使其优选方向与基础材料中的优选方向相一致,应使电子束焊枪9相对于部件1的运动平行于基础材料的定向微观结构的优选方向地进行。
如果部件1具有一种SX结构,则已被修补的部位3同样也可以具有一种SX结构,但也可以具有一种DS结构。
如果部件1具有一种DS结构,则已被修补的部位3同样可以具有一种DS结构,但也可以具有一种SX结构。
部件1和已被修补的部位3最好具有相同的微观结构。
部件1同样不需要具有定向凝固结构,其中在已被修补的部位3中则在高温下通过定向凝固的结构使部件1获得一种较高的强度,因为焊料7在已被修补的部位中的定向凝固结构在高温下可以抵消低熔点对机械强度的不利影响。
待修补的部位的宽度b(附图1a)在1微米至1000微米之间,最好为约500微米。激光或电子束最好可以到达待修补的部位3的宽度b。由于仅在待修补的部位3的区域内对部件1进行加热,因此这里所涉及的是局部修补法或局部钎焊法。
待修补的部位3的宽度b在5微米至300微米之间较为适宜。
待修补的部位3的宽度b在5微米至100微米之间也较为适宜。
此外,还可以对20微米至300微米之间的裂纹宽度b进行修补。
待修补的部位3的宽度b在20微米至100微米之间较为适宜。
待修补的部位3的宽度b在50微米至300微米之间也较为适宜。
如果待修补的部位3的宽度b在50微米至200微米之间,还可以获得其它一些优点。
除此之外,最好通过本方法以有益的方式对宽度在50微米至100微米之间的裂纹3进行修补。
对于待修补的部位的长度没有任何限制。但在这里有时必须让激光器9和电子束沿纵向运动(进入绘图平面内),其中让激光器在该方向中运动(如WO03/087439A1所述)。激光束或电子束的运动速度在100mm/min至130mm/min之间较为适宜。
激光束或电子束的停留时间视材料以及凝固速度而定。
附图1c所示为受损部位3经过修补后的部件1。如在现已凝固的焊料7所在区域中的斜线所示,凝固后的焊料7(也就是修理材料)具有一种定向微观结构,该定向微观结构具有如同部件1的基础材料的定向结构那样相同的优选方向。
同样也可以如此加宽电子束,使得该电子束例如照射全部焊料7,并且将其由此无论如何完全加热。
并非一定要使用电子束焊枪进行处理。
将焊料7的热量散发到部件1的基材之中,就可在焊料7的内部形成一种温度梯度。在焊料7的外表面上温度最高,而在焊料7与部件1的基材之间的界面上温度较低。必要时可以在背面、受损部位3的对面或者任何部位对部件1进行冷却或加热,以便可以根据部件1和受损部位3的几何形状来调节所需的温度梯度。
在本实施例中,使用电子束焊枪9来提供热量。
但也可选用其它光学加热方法,例如使用常规照射装置进行照射。除此之外,也可以使用借助着加热线圈来对于焊料进行加热的感应加热法来替代光学加热法。最后也可以使用特殊的加热炉来生产具有定向的微观结构的铸件,例如一种所谓的“热盒(Hot Box)”或者铸造炉。在任何情况下,所使用的方法均必须适合于在受损部位或填充有焊料的受损部位所在的区域内,在对于凝固所希望的方向中产生一种温度梯度。在使用一种炉时,这例如通过一种固定安装的炉来实现,该炉可以使得在炉的不同的区域内分开地调整所述加热效果。
在附图2中所示为参照附图1a至1c所示实施例的一种变型。在这一变型方案中,施涂在受损部位3上的焊料17包括两种组成成分,其中第一种组成成分的熔化温度明显低于部件1的基础材料的熔化温度;第二种组成成分的熔化温度则在第一种组成成分的熔化温度与基础材料的熔化温度之间的范围内。除此之外,第二种组成成分尤其也可以具有一种大致在基础材料的数量级的较高强度。
将粉末状焊料17如此施涂在经过预先清洁的受损部位3上,使得首先施涂其中第一种组成成分在粉末上占有较高比例的焊料组合物18,然后施涂其中第一种组成成分比第二种组成成分少的焊料组合物19。如果现在将焊料17与基础材料进行焊接,则所占比例较大的第一组成成分、也就是熔化温度较低的成分,就会很容易将焊料与基础材料焊接在一起,而其中第一组成成分所占比例较少的焊料组合物19则可保证修补后的部位具有较高的强度。
同样,焊料组合物18也可以保证待修补的部位3具有较高的强度,且接近表面的焊料组合物19具有较高的防氧化和/或者防腐性能。代替焊料7的这种双层结构之外,在待修补的部位3中的焊料7也可以具有一种从修补部位3的底部直至部件的表面5的材料梯度,其中焊料7的成份连续变化。
在根据本发明的方法的两种实施变型中,也可以在施加热作用将焊料7、17与部件1的基础材料焊接在一起的同时,将这种热作用用来对基础材料进行热处理,以便翻新基础材料的特性。
在所述实施例及其变型方案中,将粉末状的焊料7、17施涂在待修补的部位上。但也可以选用薄膜或膏剂进行涂布。
例如,焊料7、17的粉末可作为纳米粉末,即粉末的粒度小于500纳米,或小于300纳米,或小于100纳米。现已发现,纳米粉末构成的焊料7具有比同一成份微米级颗粒组成的常规粉末更低的熔化温度。焊料7、17的粉末同样也可以是纳米粉末和微米级粒度的常规粉末组成的混合物。这样就可以有目标地调低熔点。
用来施涂焊料7的薄膜或膏剂也可以部分或完全地具有由纳米粉末组成的粉末。
与现有技术相比,其优点在于:这里可不必通过粉末输送机来提供粉末,而是将其压实后送入待修补的部位3。几乎无法如同由现有技术已知的那样,通过喷嘴将纳米粉末送入到待修补的部位3,因为纳米粉末的粒度极其细微,会在喷出时很宽范围地散开。
附图3所示为流体机械的转子叶片120或者导向叶片130的透视图,该叶片沿着纵轴线121延伸,并且利用根据本发明所述的方法对其进行修补。
所述流体机械可以是飞机或发电厂的燃气轮机、或者是蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130具有沿着纵轴线121依次排列的固定部分400、与该固定部分相邻的叶片缘板403以及叶片406。
作为导向叶片130,叶片130可以在其叶片顶部415具有另一个缘板(图纸并未绘出)。
在固定部分400中构成叶片根部183,叶片根部用来将转子叶片120、130固定在轴或轮盘上(图纸并未绘出)。例如,可以将叶片根部183设计成锤头形状,也可以将其设计成枞树形或燕尾形。
叶片120、130具有用于介质的入流棱边409和排流棱边412,介质从叶片406旁流过。
就常规叶片120、130而言,在叶片120、130的所有区域400、403、406中均使用实心金属材料,尤其是耐高热合金。
例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或者WO 00/44949已知这样的耐高热合金;这些文献关于合金的化学成份是本公开内容的一部分。叶片120、130均通过借助于定向凝固的铸造法来进行制造。
具有单晶结构的工件可以作为在工作时承受较高机械负荷、热负荷以及/或者化学负荷的机械部件使用。
例如,可通过使熔液定向凝固的方法来制造此类单晶工件。在这种情况下所涉及的是铸造法,其中使得液态金属合金定向凝固成单晶结构,即单晶工件。其间使枝状晶体沿着热流方向对齐,并且形成柱状晶粒结构(即在工件全长上分布的柱状体、也就是粒状物,并在这里一般称作定向凝固),或者形成一种单晶结构,即整个工件由一个单一晶体构成。采用这些方法时,必须避免转变成球状(多晶)凝固,因为非定向生长会形成横向与纵向晶界,该晶界使定向凝固的或单晶部件的良好特性遭到破坏。所谓定向凝固结构,指的是没有晶界或具有最小角晶界的单晶,也指那些虽然具有沿着纵向延伸的晶界、但是没有横向晶界的柱晶结构。第二种晶体结构也称作定向固化结构(directionallysolidified structures)。
此类方法均已由US-PS 6,024,792和EP 0892090A1公开;这些专利文献均为本公开的的部分。
叶片120、130同样也可具有防腐或防氧化的层(例如MCrAlX涂层,M表示至少选自由铁(Fe)钴(Co)镍(Ni)所组成的组中的某一种元素,X表示一种活性元素,如钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素,或者铪(Hf))。由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1已公开了此类合金,该文献涉及化学成份的内容为本公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以有一种隔热层,例如ZrO2、Y2O4-ZrO3所构成的隔热层,通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化锰,可使其不稳定、部分稳定或完全稳定。通过适当的涂层法,例如电子束蒸发法(EB-PVD),在隔热层中形成柱状晶粒。
翻新(Refurbishment)表示:部件120、130在经过使用后,有可能必须清除其保护层(例如采用喷砂法)。然后清除防腐层、氧化层和/或氧化层或者产物。必要时也可对部件120、130中的裂纹进行修补。然后对部件120、130重新涂层,然后重新使用部件120、130。
叶片120、130可以是空心的或实心的。
如果要对叶片120、130进行冷却,则为空心构造,并且还在必要时具有薄膜冷却孔418(虚线部分)。
附图4所示为一种燃气轮机100的燃烧室110。燃烧室110例如可设计成所谓的环形燃烧室,其中多个沿圆周方向围绕旋转轴线102分布的烧嘴107汇聚到一个共同的燃烧室腔154之中,形成火焰156。燃烧室110整体为环形结构,布置于旋转轴线102周围。
燃烧室110可耐受工作介质M的大约在1000℃至1600℃之间的较高的温度,以便实现较高的效率,至。为了即使在不利于材料的运行参数下也能够实现比较长的使用寿命,燃烧室壁153在其朝向工作介质M的一侧配有一种由热屏蔽元件155所构成的内衬。
每个用合金制成的热屏蔽元件155朝向工作介质的一侧具有特别耐热的保护层(MCrAlX层以及/或者陶瓷涂层),或者采用耐高温材料制成(实心陶瓷砖)。
这些保护层可以类似于涡轮叶片,也就是意味着例如MCrAlX:M是由铁(Fe)钴(Co)镍(Ni)所组成的组中的至少一种元素,X是一种活性元素,表示钇(Y)和/或者硅和/或至少一种稀土元素,或者铪(Hf)。由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1公开了此类合金,该专利文献涉及所述合金的化学成份的内容是本公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以有一个例如陶瓷隔热层,例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2所构成的隔热层,也就是说通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化锰,可使其不稳定、部分稳定或完全稳定。
通过适当的涂层法,例如电子束蒸发法(EB-PVD),在隔热层中形成柱状晶粒。
翻新(Refurbishment)表示热屏蔽部件155在经过使用后,有可能必须清除保护层(例如采用喷砂法)。然后清除防腐层和/或氧化层和/或氧化层或者产物。必要时也可对热屏蔽部件155中的裂纹进行修补。然后对热屏蔽部件155重新涂层,然后重新使用热屏蔽部件155。
由于燃烧室110内部的温度很高,还可以给热屏蔽元件155或者其固定元件配备一种冷却系统。热屏蔽元件155可以例如是空心的,且必要时还可具有汇聚到燃烧室腔154之中的薄膜冷却孔(图中并未绘出)。
附图5所示为燃气轮机100的局部纵剖面示意图。
燃气轮机100在其内部具有一围绕旋转轴线102旋转支承的转子103(也称作涡轮机转子)以及轴101。沿着转子103依次排列有进气壳104、压缩机105、例如环状的燃烧室110(尤其是具有多个同轴排列的烧嘴107的环形燃烧室)、涡轮机108和排气壳109。
环形燃烧室110与例如环形的高温燃气通道111相联系。在这里例如由四个先后相连的涡轮机级112构成涡轮机108。
每个涡轮机级112例如均由两个叶片环构成。沿着工作介质113的流动方向观察,随后在导向叶片级的高温燃气通道111中有一列转子叶片120所构成的叶栅125。
导向叶片130在这种情况下固定于定子143的内壳138上,而叶栅125的转子叶片120则例如利用涡轮盘133固定于转子103上。
发电机或工作机械耦联在转子103上(图纸并未绘出)。
在燃气轮机100运转过程中,由压缩机105通过进气壳104吸入空气135并对其进行压缩。将在压缩机105的涡轮机一侧的末端上已作准备的经过压缩的空气输送给烧嘴107,在这里将其与燃烧剂相混合。混合气在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中进行燃烧。工作介质113从这里开始沿着高温燃气通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工作介质113传递脉冲地在转子叶片120处卸载,使得转子叶片120驱动转子103,并且该转子再驱动耦联在其上的工作机械。
暴露于高温工作介质113之中的部件在燃气轮机100运转过程中要承受热负荷。沿着向工作介质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120在围护着环形燃烧室110的热屏蔽元件旁边将承受最大热负荷。
为了耐受这里所存在的温度,可以利用一种冷却剂进行冷却。
部件的基材同样也可以具有一种定向结构,即单晶机构(SX结构),或者仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如,可以使用铁基、镍基或钴基的耐高热合金作为部件的材料,尤其是作为涡轮叶片120、130以及燃烧室110的部件的材料。
例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或者WO 00/44949已知此类耐高热合金;这些专利文献涉及到合金化学成份的内容均为本公开内容的部分。
叶片120、130同样也可具有防腐涂层(MCrAlX;M是至少由铁(Fe)钴(Co)镍(Ni)所组成的组中的一种元素,X表示一种活性元素,如钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素,或者铪)。由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1已公开了此类合金,该文献涉及所述化学成份的内容应是本公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以有一种隔热层,并且例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2所构成,也就是说通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化锰可使其不稳定、部分稳定或完全稳定。通过适当的涂层法,例如电子束蒸发法(EB-PVD),在隔热层中形成柱状晶粒。
导向叶片130具有朝向涡轮机108内壳138的导向叶片根部(图纸没有绘出)以及位于导向叶片根部对面的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103,并且固定于定子143的固定环140上。
Claims (28)
1.对具有带有一种定向微观结构的基础材料的部件(1)进行修补的方法,其中将焊料(7,17)置于待修补的部位(3)的范围内,焊料(7,17)具有至少一种组成成分,其钎焊温度比基础材料的熔化温度至少低30℃,并且接下来借助热作用在钎焊温度下将焊料(7,17)与部件(1)焊接在一起,同时在热作用过程中在待修补的部位(3)的范围内如此调节一种温度梯度,用于在待修补的部位(3)中形成一种定向微观结构,使得修补后的部位(3)具有和周围的基础材料一样的定向微观结构。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,焊料(7,17)的钎焊温度与部件(1)的基础材料的熔化温度之差至少为50℃。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,焊料(7,17)的钎焊温度与部件(1)的基础材料的熔化温度之差至少为70℃。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,焊料(7,17)的钎焊温度与基础材料的熔化温度之差为70℃±4℃。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法,其特征在于,首先完全施涂焊料(7,17),然后使其完全熔化。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法,其特征在于,通过电子束尤其在真空中施加热作用。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法,其特征在于,部件(1)由一种镍基或钴基的耐高热合金构成,尤其是由Rene N5、PWA 1483或者PWA 1484构成。
8.根据权利要求1、5、6或7所述的方法,其特征在于,温度梯度如此进行定向,使其沿着部件(1)的基础材料的定向微观结构的取向方向变化。
9.根据上述权利要求中任一项或多项所述的方法,其特征在于,焊料(17)包括第一组成成分和第二组成成分,其中第一组成成分的熔化温度低于部件(1)的基础材料的熔化温度;第二组成成分具有较高的阻抗能力,并且其熔化温度高于第一组成成分的熔化温度,但低于基础材料的熔化温度,直至该基础材料的熔化温度;并且将焊料(17)如此施涂在待焊接的部位的范围内,使得焊料(17)中的第一组成成分在基础材料附近(18)所占的比例大于远离基础材料的区域(19)中的第一组成成分的比例。
10.根据权利要求1、8或9中任一项或多项所述的方法,其中利用一种光学加热过程或者感应加热过程来形成温度梯度。
11.根据权利要求1、8至9中任一项或多项所述的方法,其中利用铸造炉形成温度梯度,从而形成具有定向微观结构的铸件。
12.根据权利要求1至11中任一项或多项所述的方法,其中将基础材料的热处理集成在焊料(7,17)的钎焊工序之中。
13.根据上述权利要求中任一项或多项所述的方法,其特征在于,焊料(7,17)的粉末部分地、尤其是全部由纳米粉末构成。
14.根据权利要求1或5所述的方法,其特征在于,将糊状、膏状或薄膜状焊料(7,17)置于待修补的部位(3)之上或之中。
15.根据权利要求1、5、6或8所述的方法,其特征在于,在待修补的部位(3)的范围内局部施加热作用。
16.根据权利要求1、2、3或4所述的方法,其特征在于,焊料(7)仅包括一种组成成份。
17.根据权利要求1或15所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有1微米至1000微米之间的宽度(b)。
18.根据权利要求1或5所述的方法,其特征在于,激光功率或电子束功率如此选定,使其至少可将焊料(7,17)熔化。
19.根据权利要求1或18所述的方法,其特征在于,激光束或电子束的运动速度或停留时间如此选定,使得焊料(7,17)在待修补的部位(3)的范围内呈枝状凝固。
20.根据权利要求1、5、6、8、10、18或19所述的方法,其特征在于,通过焊料(7,17)的钎焊温度以及部件(1)的温度来确定所述温度梯度,尤其是部件(1)的温度为300°或者是室温。
21.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有1微米至500微米之间的宽度(b)。
22.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有400微米至600微米之间的宽度(b),尤其是约500微米的宽度(b)。
23.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有500微米至1000微米之间的宽度(b),尤其是约750微米的宽度(b)。
24.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有500微米至750微米之间的宽度(b)。
25.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,待修补的部位(3)具有750微米至1000微米之间的宽度(b)。
26.根据权利要求1、2、3、4、5、8或15所述的方法,其特征在于,通过激光束在真空中施加热作用。
27.根据权利要求1至26中任一项或多项所述所制造的部件。
28.根据权利要求27所述的部件,其特征在于,部件(1,120,130,155)具有利用一种焊料(7,17)局部修补过的部位(3),且所述修补部位具有定向结构,并且待修补的部位(3)具有1微米至1000微米之间的宽度(b)。
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