CN101277782B - 用于对具有定向的微结构的部件进行修理的方法 - Google Patents

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Abstract

用于对由具有定向的微结构的基础材料制成的部件(406)尤其是燃气轮机部件进行修理的方法，包括以下步骤：清洗修理位置(420)，给所述修理位置(420)填充与基础材料的成分相应的填充材料，在所述被填充的修理位置(420)的区域中进行热处理，其中所述填充材料具有微米级和/或纳米级的颗粒(425a)，在填充所述修理位置(420)时采取防止填充材料氧化的措施，并且所述热处理的温度及保持时间与所述填充材料的成分及所述部件(406)的基础材料的成分相协调，从而将所述填充材料取向附生地连接到周围的基础材料上。

Description

用于对具有定向的微结构的部件进行修理的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对由具有定向的微结构的基础材料制成的部件尤其涡轮机部件进行修理的方法。
背景技术
在运行中经受高负荷的机器部件如涡轮机部件目前由耐高温的超级合金制成，并且尤其由这样的具有定向的微结构的超级合金制成。这些材料的突出之处在于高的耐热负荷及机械负荷的性能。作为具有定向的微结构的材料，尤其是指单晶的材料以及这样的具有晶粒结构的材料，在所述晶粒结构中颗粒的膨胀具有对所有颗粒来说共同的优选方向。具有所说明的晶粒结构的部件称为定向凝固的(directional solidified)部件。所述单晶的材料也称为SX-材料并且所述定向凝固的材料也称为DX-材料。
如果所述部件在运行中经受高的热负荷及机械负荷，那么尽管使用了超级合金并且甚至在存在定向的微结构时也会导致材料疲劳并且由此导致裂纹。人们致力于给具有裂纹的部件进行修理，因为由超级合金尤其由这样的具有定向的微结构的超级合金制成的部件的制造成本十分昂贵。在此应该注意，经过修理的部件在继续使用中能够足以经受住热负荷及机械负荷。
用于对受损的部件进行修理的常用的方法比如就是钎焊。在钎焊时，在裂纹区域中将焊料加到部件的材料上，并且借助热量作用与所述基础材料相连接。但是在钎焊之后，这种钎焊材料不具有任何单晶结构或者定向凝固的结构。但是非定向的微结构与定向的微结构相比-首先在高温范围内-具有更差的材料性能，因而钎焊点是所述部件的薄弱之处。为了对受损的具有定向的微结构的部件进行修理，可以使用焊接方法，利用这些焊接方法在焊接的区域中也可提供一种定向的微结构。一种所述的方法比如在EP 0 892 090 A1中得到公开。
EP 1 666 635 A1则公开了一种用于对由超级合金制成的部件进行修理的方法。借助于冷气喷涂来涂覆修理材料，该修理材料在冲击到表面上时发生塑性变形并且附着在超级合金的表面上。
由US 6,283,356、US 4,705,203、US 4,900,394、US 6,565,678、US 4,830,934、US 4,878,953、US 5,666,643、US 6,454,885、US6,503,349、US 5,523,170、US 4,878,953、US 4,987,736、US 5,806,751、US 5,783,318、US 5,873,703公开了其它的方法或者说所使用的钎焊剂。
为所述由定向的材料尤其由单晶材料制成的部件开发的钎焊应用方案隐藏着在热处理过程中再结晶的危险，因为钎焊应用方案要求所述定向材料的接近熔点的温度。
因此，所述定向的材料以及尤其单晶材料的修理在过去数年里多数通过熔焊应用比如借助于激光来实现。在这种情况下一个巨大的挑战在于，延续所述晶粒定向，以便不会出现薄弱之处。此外，所有的熔焊应用方案都将局部很大的热量导入材料中，并且因此因所出现的温度梯度而在材料中导致应力。这些应力甚至会导致裂纹，从而使修理的效果丧失殆尽。
但是即使部件由不具有定向的微结构的超级合金制成，也不总是能够借助于熔焊方法或钎焊方法轻易地进行修理。因此，比如那些经常用作涡轮叶片的基础材料的镍基或钴基超级合金容易导致热裂纹形成。热裂纹在熔焊时出现在熔焊过程的热影响区中并且-在将同类材料用作焊缝金属时-甚至出现在焊缝金属中。此外，γ’-淬火的超级合金容易在熔焊之后在第一次热处理中形成裂纹(所谓的焊接后热处理裂纹或应变时效裂纹)。其原因在于在热影响区中γ’-相的不均匀的形成(从溶解到变粗及所有在其之间的可能性)，并且-在使用同类焊接填料作为焊缝金属时-在于所述焊缝金属本身。而后在进行第一次热处理时，会导致所述γ’-相的局部分离，这就随之出现体积收缩以及内应力形成现象并且因此导致裂纹形成。此外，在熔焊时的局部加热会导致在工件中形成很高的内应力。最后，在焊缝金属中由于焊接冶金学(比如基础材料及焊接填料的快速凝固和混合)会出现不期望的效应，如脆化相或偏析的形成，也就是说熔液的离析。所有所述的效应都使借助于熔焊方法来修理的部件的机械性能恶化。此外，在使用γ’-淬火的焊接填料时(比如Nimonic C263，Rene41，Haynes282)，多数需要在熔焊之前进行漫长的过老化热处理，以便提高基础材料的可焊接性。这就使得焊接修理成本十分昂贵。
在用于部件修理的钎焊方法中，钎焊合金通常包含熔点降低剂。所述熔点降低剂在此经常是硼(B)，这会在热处理以及后来部件运行过程中在热气作用下导致脆化相的形成。所述脆化相降低了修理位置的机械性能。此外，比如用于燃气轮机叶片的钎焊修理是个漫长的过程，该过程持续时间部分超过24小时并且要求进行多阶段热处理。由此大大增加修理费用。此外，在钎焊修理中所必需的高温热处理会在定向凝固的材料或单晶材料上导致再结晶。不过，再结晶多数是不可接受的，因而钎焊修理经常不允许用于这样的材料。
发明内容
相对于现有技术，本发明的任务是提供一种用于对由具有定向的微结构的基础材料制成的部件尤其涡轮机部件进行修理的经过改进的方法。
所述任务通过一种用于对部件进行修理的方法得到解决。
按本发明的用于对由具有定向的微结构的基础材料制成的部件进行修理的方法包括以下步骤：清洗修理位置，用与基础材料的成分相应的填充材料来填充该修理位置，该填充材料是镍基的超级合金或者是γ’-淬火的超级合金；并且在被填充的修理位置的区域中进行热处理。有待修理的部件尤其可以是燃气轮机部件例如涡轮叶片。在按本发明的方法中，所述填充材料具有微米级和/或纳米级的颗粒。此外，在填充修理位置时采取防止填充材料氧化的措施。最后，如此选择使所述热处理的温度和保持时间与所述填充材料的成分及所述部件的基础材料的成分相协调，使所述填充材料取向附生地连接到周围的基础材料上。由此，使得所述修理位置具有和所述将该修理位置包围的基础材料相同的定向的微结构。所述定向的微结构尤其可以通过以下方法来实现，即所述热处理的温度低于所述基础材料的熔化温度并且冷却没有超过特定的冷却率。太高的冷却率会在修理位置中干扰定向的微结构的有序增长并且由此干扰其形成。此外，相应的有待遵守的温度和冷却率依赖于基础材料，因而对不同的基础材料来说所述温度和冷却率也会有所不同。合适的冷却率尤其可以根据经验来求出。
利用按本发明的方法，可以如此在结构上对在由定向的材料制成的部件中的裂纹进行修理，使得所述修理位置具有相同的定向的微结构并且没有对周围的基础材料的性能产生不利影响。由于微米级和/或纳米级的颗粒的使用，所述填充材料的熔化温度相对于周围的基础材料的熔化温度得到降低。因此，可以用比在钎焊过程中的温度更低的温度来进行热处理。而且也没有在局部出现象在开头所说明的熔焊方法中那样高的热量。
本发明还涉及其它优选的设计方案。
为填充修理位置，可以使用一种喷涂法，该喷涂法能够实现被喷射的颗粒的较低的温度。比如可以设想使用一种比如在DE 102 53794 A1中所说明的低温-高速-火焰喷涂法。但是，优选为了填充修理位置使用比如在DE 102 24 780 A1中所说明的冷气-喷涂法。在低温-火焰喷涂中，被喷射的颗粒的氧化在很大程度上得到抑制。在冷气喷涂中，喷涂颗粒被“冷的”气体射流加速到很高的速度上，在这样的冷气喷涂中甚至可以更大程度地抑制氧化，从而在实际上被喷射的颗粒根本没有发生氧化。
因为具有小于大约5微米的直径的颗粒无法借助于冷气-喷涂法轻易地直接进行喷射，所以在本发明的一种优选的设计方案中，在填充修理位置时使颗粒被包层所包围。所述可以由基础材料的一种材料组成部分比如镍或钴构成的包层扩大了颗粒的尺寸。由于被扩大的尺寸，所述颗粒可以更好地被所述冷气流一同带动并进行加速。在冲击到填充位置的壁体上时转换为热量的动能在这过程中导致填充材料熔化。为了在喷涂过程中保护那些将所述修理位置包围的区域，可以在填充时用挡板将其盖住。
在按本发明的方法的一种优选的设计方案中，所述填充材料以至少两种组成部分的形式存在，所述组成部分具有低共熔的混合比。低共熔的混合比是一种会导致以下结果的混合比，即在冷却时从材料组成部分的熔液中仅仅形成混合晶体。相反，不同于所述低共熔的混合比的混合比则会导致这样的结果，即在冷却时形成所述两个材料组成部分的纯晶体。此外，所述低共熔的混合比的突出之处在于，它具有所述两个材料组成部分的所有混合比的最低的熔化温度。在按本发明的方法中，这一点尤其提供这样的优点，也就是可以以特别低的温度来实施所述热处理。
应该优选如此进行在填充修理位置之前的清洗过程，从而将可能存在的氧化物完全从有待修理的位置去除。
利用按本发明的方法，尤其可以在对部件的基础材料中的裂纹进行修理时对裂纹端部进行填充。不可能用较大的颗粒直接对裂纹端部进行填充。但裂纹端部的填充十分重要，因为尤其通过裂纹端部的修理可以有效地抑制裂纹的延长。而后必要时也可以用大于微米级和/或纳米级的颗粒来填充裂纹的空间。
在按本发明的用于对由耐高温的超级合金制成的部件进行修理的方法中，借助于冷气喷涂通过粉末颗粒形式的修理材料的喷涂来涂覆修理材料。在这种情况下，所述修理材料具有比所述耐高温的超级合金更高的延展性。
作为修理材料，推荐比基础材料更具延性的材料。这尤其可以是那些现在早已用于修理-尤其用于熔焊修理的材料，或者也可以是γ’-淬火的超级合金。后者是在比基础材料更低的强度和比基础材料更好的可焊接性之间较好的折衷。此外作为修理材料可以使用这样的被视为塑性合金(可锻合金)的镍-超级合金，因为它们与目前所使用的用于燃气轮机叶片的镍-铸造-超级合金(铸造合金)相比具有高得多的延展性。作为修理材料也可以使用目前用于钎焊修理的材料。不过，可以放弃熔点降低剂的添加或加合金，因为在冷气修理过程中所述焊接填料不熔化。
借助于冷气喷涂尤其对由镍-或钴-超级合金制成的燃气轮机叶片进行修理这种方法与传统的熔焊及钎焊修理相比具有以下优点：
-冷涂覆作为修理材料使用的焊接填料。所述粉末形式的焊接填料在经过预热的气流中仅仅得到预热，但没有熔化。部件本身仍然是冷的。因此不会出现热裂纹。
-没有热影响区。所述在基础材料中的γ’-相既没有溶解也没有变粗。因此在基础材料中不会出现应变时效裂纹。同样大大降低在使用γ’-淬火的焊接填料时这样的裂纹出现在焊缝金属中这种危险。
-所述材料没有熔化。因此不会出现任何不期望的冶金学上的反应，比如在熔焊时脆化相的形成及偏析或者在钎焊时变脆的硼化物的形成。
-不再需要如在钎焊和熔焊时所使用的漫长的热处理(如果需要过老化)。更少的和更短的热处理降低了修理成本。在冷气修理之后仅仅必须进行连接热处理(比如在1000-1100℃温度下进行10分钟到2小时的处理)。必要时随后对该部件进行完整的热处理(固溶退火和时效处理)，但这一点在多数情况下在熔焊和钎焊修理之后也有必要。
-修理位置的氧化危险很小。在保护气体流(多数是氦气，也可能是氮气)中进行作业，并且部件(多数小于300℃)以及焊接填料(多数小于500到700℃)保持较冷的状态。剩余氧气含量(大约400ppmO2或更少)小于在其它喷涂法比如HVOF(高速火焰喷涂)中的剩余氧气含量。因此仅仅形成很少的干扰性的氧化的杂质相，所述杂质相会导致修理位置脆变。
-冷气喷涂的表面通常非常光滑。冷气喷涂的粉末射流的直径很细。因此，经过修理的位置仅要求很少的机械修整，从而降低了修理成本。
同类修理具有修理位置的性能相应于基础材料的性能这样的潜力。不过，商业上常用的镍-超级合金(比如Rene80、IN738LC、IN393、CM247CC/DS、IN939、PWA1483SX、SIEMET DS...)极硬且极脆。这些性能对借助于冷气喷涂对这样的材料进行加工产生不利影响。
因此，将更具延性的焊接填料用于对由镍-超级合金制成的燃气轮机叶片进行修理这种做法与同类修理方法相比提供以下优点(不过降低了焊接填料的强度)：
-可以通过冷气喷涂来涂覆更加密封的、附着性能更好的层。
-粉末效率(大约在15和35％之间)得到提高，从而提高了方法的经济性。
-可以用更低的颗粒速度进行喷涂，从而提高方法的经济性。因此比如可以使用更大的喷嘴直径，从而随之提高涂覆速度。颗粒速度可以低于大约900米/秒并且尤其低于800米/秒。
在修理材料的喷涂中，可以选出有待修理的位置。换句话说，去除在修理位置的区域中的材料，从而在受损处所在的位置产生一个可容易填充的空隙。缺失的材料随后可以借助于冷气喷涂来涂覆。作为替代方案，也可以借助于冷气喷涂来直接填充受损处如裂纹。在这种情况下，优选首先比如通过氟化物-离子-清洁法对所述修理位置进行清洗，用于去除表面杂质如氧化物。所述杂质会影响到在所述基础材料和修理材料之间的连接。虽然在对裂纹进行直接填充时可能没有对整个裂纹进行填充，而仅仅盖住裂纹，但这一点有时候也可以被接受。
作为粉末材料，在按本发明的方法中尤其可以使用一种材料，该材料包括纳米级的、被由纳米级的颗粒组成的包层所包围的粉末颗粒。
附图说明
本发明的其它特征、特点和优点由以下借助于附图对实施例所作的说明获得。其中：
图1是燃气轮机的示范性的局部纵剖面，
图2是流体机的转子叶片或导向叶片的透视图，
图3示出了燃气轮机的燃烧室，
图4是具有裂纹的涡轮叶片的截取部分的示意图，
图5是所述裂纹的剖切的示意侧视图，
图6示出了图5的裂纹的填充，
图7是填充的裂纹在进行热处理之后的示意图，
图8是用于对裂纹进行填充的微粒凝聚物，
图9到11示出了按本发明的用于修理部件的方法的另一种实施例，
图12到14示出了按本发明的用于修理部件的方法的第三实施例。
具体实施方式
图1示范性地示出了燃气轮机100的局部纵剖面。所述燃气轮机100在内部具有围绕着旋转轴线102旋转支承的转子103，该转子103也称为涡轮转子103。沿着该转子103先后布置了抽吸壳体104、压缩机105、比如环面状的燃烧室110尤其是具有多个同轴布置的燃烧器107的环形燃烧室106、涡轮机108以及排气壳体109。
所述环形燃烧室106与比如环形的热气通道111相通。在那里比如四个先后连接的涡轮级112构成所述涡轮机108。
每个涡轮级112比如由两个叶栅环构成。沿工作介质113的流动方向看去，在所述热气通道111中，由转子叶片120构成的转子叶片组125跟随在导向叶片组115后面。
所述导向叶片130在此固定在定子143的内壳体138上，与此相反，转子叶片组125的转子叶片120则比如借助于涡轮叶轮盘133安装在所述转子103上。
在所述转子103上联接了发电机或者说做功机械(未示出)。
在所述燃气轮机100的运行过程中，由所述压缩机105通过抽吸壳体104来吸入空气135并对其进行压缩。在所述压缩机105的涡轮机侧的端部上提供的压缩的空气被导送到所述燃烧器107并且在那里与燃烧剂相混合。所述混合物而后在形成工作介质113的情况下在所述燃烧室110中燃烧。所述工作介质113从那里沿所述热气通道111从所述导向叶片130及转子叶片120的旁边流过。在所述转子叶片120上，所述工作介质113在传递脉冲的情况下膨胀，使得所述转子叶片120驱动所述转子103并且该转子103又驱动与其相联接的做功机械。
暴露在热的工作介质113下的部件在所述燃气轮机100的运行过程中经受热负荷。沿工作介质113的流动方向看的第一涡轮级112的导向叶片130和转子叶片120除了给所述环形燃烧室106加衬的隔热石(Hitzeschildsteinen)之外绝大多数经受热负荷。
为了经受住那里的温度，可以借助于冷却剂对其进行冷却。
同样所述部件的衬底可以具有一种定向的结构，也就是说它们是单晶的(SX-结构)或者仅仅具有纵向定向的晶粒(DS-结构)。
作为用于所述部件尤其用于所述涡轮叶片120、130及所述燃烧室110的部件的材料，比如使用铁基、镍基或钴基的超级合金。这样的超级合金比如从EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949中得到公开；这些公开文献是本公开文件的一部分。
同样，所述叶片120、130可以具有防腐涂层(MCrAlX；其中M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)元素组中的至少一种元素，X是一种活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素或者说铪)。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412397 B1或EP 1 306 454 A1中得到公开，这些公开文献是本公开文件的一部分。
在MCrAlX上还可以有一层绝热层，该绝热层比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，也就是说，它不是部分或者完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。通过合适的涂覆方法比如电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在所述绝热层中产生杆状晶粒。
所述导向叶片130具有朝向所述涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)以及与该导向叶片根部对置的导向叶片顶部。所述导向叶片顶部朝向所述转子103并且固定在所述定子143的紧固环140上。
图2示出了流体机的转子叶片120或导向叶片130的透视图，所述转子叶片120或导向叶片130沿纵轴线121延伸。
所述流体机可以是飞机的燃气轮机或者用于发电的发电厂的燃气轮机、汽轮机或压缩机。
所述叶片120、130沿所述纵轴线121先后具有紧固区域400、与其相邻接的叶片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，所述叶片130在其叶尖415处具有另一个平台(未示出)。
在所述紧固区域400中形成了叶根183，该叶根183用于将所述叶片120、130固定在轴或盘上(未示出)。
所述叶根183比如构造为T形头。也可以构造为枞树形叶根或者燕尾形叶根。
所述叶片120、130具有入流棱边409和出流棱边412用于在所述叶身406旁边流过的介质。
在传统的叶片120、130中，在所述叶片120、130的所有区域400、403、406中，比如使用实心的金属材料，尤其是超级合金。这样的超级合金比如从EP 1204776 B1、EP 1306454、EP 1319729 A1、WO99/67435或者WO 00/44949中得到公开；这些公开文献是本公开文件的一部分。所述叶片120、130在这种情况下通过铸造法、也借助于定向的凝固、通过锻造法、通过铣削法或者这些方法的组合来制造。
具有单晶结构的工件用作机器的部件，所述部件在运行中经受很高的机械负荷、热负荷和/或化学负荷。所述单晶的工件的制造比如由熔液通过定向的凝固来进行。在此涉及铸造法，在所述铸造法中液态的金属合金凝固成单晶的结构，比如凝固成单晶的工件或者定向凝固。在此，树枝状的晶体沿热流定向并且要么形成杆晶的晶粒结构(柱状的，也就是说在工件的整个长度上延伸的晶粒，并且在这里根据通用的语言惯用情况称为定向凝固)或者单晶的结构，也就是说，整个工件由一个唯一的晶体组成。在这些方法中，人们都必须避免转化成球雏晶的(globulitisch)(多晶的)凝固，因为通过非定向的增长必然形成横向的和纵向的晶界，所述晶界会使定向凝固的或者单晶的部件的良好性能丧失殆尽。如果通常谈及定向凝固的结构，那么由此不仅是指不具有任何晶界或者最多具有γ角晶界的单晶体，而且也指杆晶结构，所述杆晶结构也许具有沿纵向方向延伸的晶界，但没有任何横向晶界。在这两种所述的晶体结构中，人们也谈及定向凝固的结构(directionally solidifiedstructures)。这样的方法从US-PS 6,024,792及EP 0 892 090 A1中得到公开，这些公开文献是本公开文件的一部分。
同样，所述叶片120、130可以具有防腐或防氧化的涂层(MCrAlX；其中M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)元素组中至少一种元素，X是一种活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或稀土的至少一种元素或者说铪(Hf))。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1中得到公开，这些公开文献是本公开文件的一部分。
在MCrAlX上还可以有一层绝热层，该绝热层比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，也就是说，它不是部分或者完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。通过合适的涂覆方法比如电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在所述绝热层中产生杆状晶粒。
整修(Refurbishment)意味着，所述部件120、130在其使用之后必要时必须去除保护层(比如通过喷砂处理)。而后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还要对部件120、130中的裂纹进行修理。然后对部件120、130进行再涂覆并且重新使用部件120、130。
所述叶片120、130可以构造为空心的或实心的。如果要对所述叶片120、130进行冷却，那它们就是空心的并且可能还具有薄膜冷却孔418(以虚线示出)。
图3示出了燃气轮机的燃烧室110。该燃烧室110比如构造为所谓的环形燃烧室，在该环形燃烧室中大量沿周向围绕旋转轴线102布置的燃烧器107汇入一个共同的燃烧室腔中。为此，所述燃烧室110在总体上构造为环形的结构，该环形的结构围绕着所述旋转轴线102定位。
为获得较高的效率，所述燃烧室110为工作介质M的从大约1000℃到1600℃的较高温度而设计。为了在这些对材料来说不利的工作参数下也能够实现较长的使用寿命，所述燃烧室壁体153在其朝向工作介质M的一侧上设有由隔热元件155构成的内护板。
每个隔热元件155在工作介质侧都设有特别耐热的保护层，或者由耐高温的材料制成。这比如可以是实心的陶瓷石或者具有MCrAlX和/或陶瓷涂层的合金。所述燃烧室壁体及其涂层的材料可以类似于所述涡轮叶片。
此外，由于在所述燃烧室110内部的高温，可以为所述隔热元件155或者说为其保持元件设置冷却系统。
所述燃烧室110尤其为所述隔热元件155的损失的探测而设计。为此，在所述燃烧室壁体153和隔热元件155之间定位了多个温度传感器158。
图4示出了具有作为修理位置420的分支的裂纹的叶身406的截取部分的极为简化的示意图。所述叶身406由单晶的镍基合金制成。但是原则上也可以用按本发明的方法对由其它单晶的基础合金例如钴基合金或铁基合金制成的部件进行修理。所述裂纹具有多个裂纹端部422，在这些裂纹端部422的周围在单晶的基础材料中存在着特别高的应力。所述应力会导致所述裂纹进一步扩大。因此，在所述裂纹端部422的区域中阻止裂纹扩展特别重要。
可以通过以下方法对所述涡轮叶身406进行修理，即用一种与基础材料相同类型的材料来填充所述裂纹并且通过合适的热处理使其与所述基础材料相连接。尤其如果在所述裂纹端部422的区域中进行修理，那就有效阻止裂纹进一步扩大并且经过修理的涡轮叶身406又可以投入使用。
为了使所述经过修理的涡轮叶身406可以经受得住在涡轮机运行时出现的很高的热负荷及机械负荷，所述裂纹的填充材料应该具有和将周围的基础材料相同的单晶结构。这可以用下面所说明的修理方法来实现。
图5示出了所述涡轮叶身406的示意剖面图。所述剖面沿图4所示的线条A-A延伸。该图示出了填充之前且在清洗之后的裂纹，其中已经去除裂纹壁上的所有氧化物。可以通过常用的清洗方法来清洗裂纹。作为替代方案，也可以借助于侵蚀销来加宽所述裂纹。
用一种与基础材料相同类型的填充材料来填充经过清洗的裂纹。图6简要示出了填充过程。在本实施例中，如上面提到的，所述基础材料是一种其中包含铝作为添加物的镍基合金。作为填充材料，使用纳米级的颗粒，这些颗粒借助于冷气喷射枪426喷入所述裂纹中。
为了能够借助于所述冷气喷涂法来喷涂所述纳米级的、具有小于5微米并且优选小于1微米的颗粒大小的颗粒，将其与其它的颗粒堆积成凝聚物425。所述凝聚物而后具有必需的横截面，以便被冷气流例如氦气流朝所述裂纹的方向带动。在图8中示范性地示出了所述的凝聚物。该凝聚物425在本实施例中包括中央的纳米级的铝微粒425a，在所述铝微粒425a的周围堆积着纳米级的镍微粒425b。所述凝聚物的结合由静电力所引起。所述镍微粒425b形成围绕着铝微粒425a的包层，使得所述凝聚物的直径至少为5微米。而后所述凝聚物具有足够大小的横截面，以便被氦气流所带动。在冲击到所述裂纹壁421时所述凝聚物425分解成其组成部分。
在填充所述裂纹时，借助于掩模428将所述叶身406的没有裂纹的表面区域盖住，从而在这些位置不涂覆任何材料。
在用所述纳米级的颗粒完全填充所述裂纹之后，接下来进行热处理，其温度及保持时间与所述基础材料相匹配，从而不仅将所述填充材料取向附生地连接到所述裂纹壁421上，而且所述填充材料混合物的颗粒进行必要的相互扩散。由于颗粒直径微小，降低了颗粒的熔点，从而在热处理时所必需的温度低于所述叶身406的周围的基础材料的熔点。所述部件的冷却进行地如此缓慢，从而不会阻止在修理位置中的材料的晶体结构的有序增长。
通过这种方式可以用低于所述叶身406的基础材料的熔点的温度将所述填充材料取向附生地连接到所述基础材料上，使得所述填充材料延续周围的基础材料的晶体结构。作为结果，得到在图7中示出的已填充的裂纹420’，在该裂纹420’中，所述填充材料与周围的基础材料一起形成单晶的结构。
在所述方法的一种特别优选的设计方案中，如此选择所述凝聚物425的成份，也就是包层微粒数目与中央的微粒数目之间的比例，使得所述填充材料以一种低共熔的混合物存在。这就导致，所述填充材料在热处理过程中在熔化之后再度凝固时形成一种混合晶体。此外，低共熔的混合物的熔化温度与具有相同组成部分但具有其它混合比的混合物相比能够实现所述混合物的尽可能最低的熔化温度。如果所述填充材料包含和所述周围的基础材料相同的组成部分并且以低共熔的混合比存在，那么所述填充材料的熔化温度因此大大低于所述周围的基础材料的熔化温度。
所描述的方法尤其可以用于如此在端部422的区域中对所述裂纹进行填充，从而延续周围的基础材料的单晶结构。通过这种方式可以在裂纹端部422的区域中明显降低基础材料中的应力，从而可以有效地阻止所述裂纹的扩展。然后也可以用比纳米级的颗粒更粗的颗粒来填充该裂纹的其余区域，利用这样的颗粒不能轻易地延续所述基础材料的单晶结构。在这方面重要的首先是，可以借助于所述纳米级的颗粒可靠地填充所述裂纹端部422。
图9示出了具有裂纹520的叶身506的截取部分的非常简化的剖面图。所述叶身506由具有多晶的晶体结构的镍基合金制成。但是，原则上也可以用按本发明的方法对其它的基础合金比如钴基合金或铁基合金进行修理。有待修理的部件也可以代替多晶的基础材料具有单晶的基础材料或者定向凝固的基础材料。
在所述方法的第一步骤中，例如借助于侵蚀销来加宽裂纹，其中也一同去除在裂纹壁的区域中的脏物。通过加宽，在部件506中的具有所述裂纹520的位置产生一个空隙522。随后用修理材料来填充这个空隙522。
图10示出了用修理材料来填充所述空隙522的情况。图10除了所述叶身506及空隙522之外还示出了冷气喷射装置的喷嘴526及修理材料529，借助于所述冷气喷射装置将所述修理材料529以粉末528的形式喷入所述空隙522中。
作为粉末状的修理材料，使用具有比所述叶身506的基础材料更高的延展性的材料。换句话说，所述修理材料在外力作用下容易发生塑性变形并且由此发生永久变形，而在这过程中不会出现材料分离。延性的材料尤其可以很好地进行冷变形。所述修理材料尤其可以是根据现有技术用于借助于焊接方法进行修理的材料。这方面的例子是具有高延展性及可焊接性的镍基合金，比如在名称IN617、Haste合金X、涂层金属CM64、PWA795下所公开的合金。作为替代方案，也可将γ’-淬火的超级合金用作修理材料。在γ’-淬火的超级合金中，来自γ’-相的晶粒存在于γ-相中，所述γ-相具有三维体心的晶格结构。来自γ’-相的晶粒在此导致所述超级合金材料的硬化。合适的用作涂覆材料的γ’-淬火的超级合金比如是那些在名称Nimonic C263、Rene 41、Haynes282下面公知的材料。这些材料在比基础材料更低的强度和比基础材料更好的可焊接性之间进行了较好的折衷。更好的可焊接性产生于比所述基础材料更高的延展性。作为其它的替代方案，作为修理材料可以使用这样的被视为塑性合金(可锻合金)的镍-超级合金，因为它们与经常所使用的、用于燃气轮机叶片的镍-铸造-超级合金(所谓的铸造合金)相比具有高得多的延展性。此外，也可以使用目前用于钎焊修理的修理材料。不过，可以放弃熔点降低剂的添加或加合金(尤其如硼(B)、但也可以比如是锆石(Zr)、铪(Hf)、钪(Sc)、铂(Pt)或钯(Pd))，因为在冷气喷涂过程中所述修理材料不会熔化。
所述借助于喷嘴526喷射的修理材料的粉末528在冲击到所述空隙522的表面上时通过冷变形被压缩。由于冷变形并且额外地由于附着，所述喷涂的粉末附着在所述空隙522的表面上。所使用的修理材料的延展性越高，这些机制所起的作用就越好。因此，借助于延性的修理材料的冷气喷涂，在所述空隙522中产生密封的并且很好地附着的层。在经过预热的氦气流中喷涂所述粉末528。所述粉末在其中仅仅得到预热，但没有熔化。所述部件506本身保持冷的状态，也就是说多数情况下低于300℃，因此不会出现热裂纹。经过预热的氦气可以具有处于500℃到700℃范围内的温度。代替氦气，也可以将另一种惰性气体比如氮气用于冷气喷涂。
在被喷射的粉末材料中的颗粒速度大约为900米/秒或更低，尤其低于大约800米/秒。由于较低的颗粒速度，可以使用具有较大的喷嘴直径的喷嘴526，从而与用于按照现有技术对涡轮叶片进行修理的冷气喷涂法相比能够提高涂覆速度。
图11示出了所述叶身在喷涂了修理材料之后的情况。喷入空隙522中的修理材料在所述空隙中形成密封的并且很好地附着的嵌件530，此外该嵌件530具有光滑的表面。
在填充所述空隙522之后，也就是在图11所示的状态中，可以对完整的部件进行热处理，比如固溶退火。
图12到14示出了另一种按本发明的用于对部件进行修理的方法的实施例。图12示出了具有裂纹620的叶身606，该叶身606相当于图9所示的叶身506。在填充所述裂纹620之前对裂纹壁进行清洗，用于去除氧化物。可以通过常用的清洗法进行裂纹清洗。
在清洗之后，用修理材料来填充所述裂纹620，该修理材料620具有比所述叶身606的基础材料更高的延展性。所述修理材料以粉末628的形式借助冷气喷射装置的喷嘴626喷入所述裂纹620中。事先借助于掩模630来盖住所述部件606的在裂纹620以外的区域中的表面，用于防止所述修理材料附着在这个区域中。
关于喷涂条件以及可能的修理材料，相应地适用所述关于图9到11所示的方法所作的说明。
在将所述修理材料喷入所述裂纹中之后，该修理材料就形成密封的并且很好地附着在所述叶身606的基础材料上的嵌件632，该嵌件632此外具有光滑的表面。按所使用的粉末628的颗粒大小，可以这样安排，即不是对整个裂纹进行填充，而仅仅将该裂纹盖住。换句话说，粉末可能不会进入所述裂纹的具有特别小的尺寸的区域中。不过，在有些情况下可以容忍所述的裂纹的这种覆盖。
也存在着将纳米级颗粒作为修理颗粒来喷涂的可能性。因为低于5微米尺寸以及优选具有低于1微米的尺寸的颗粒不可以直接借助于冷气喷涂法喷涂，所以可以喷涂如借助于图8所说明的凝聚物形式的颗粒。中央的颗粒具有一个包层，该包层将所述中央的颗粒包围，使得所述凝聚物具有至少5微米的尺寸。在冲击到裂纹表面上时或者冲击到已处于裂纹中的修理材料的表面上时，凝聚物由于颗粒之间的较弱的结合而断裂，使得单个的纳米级的颗粒而后彼此分开存在。
如此选择所述凝聚物的组成，使得其相当于一种合金，该合金具有比所述叶身606的基础合金更高的延展性。当然，也可以借助于冷气喷涂法在借助于图9到11所说明的实施例中喷涂所述的微粒凝聚物。

Claims (9)

1.用于对由具有定向的微结构的基础材料制成的部件(406)进行修理的方法，具有以下步骤：
-清洗修理位置(420)，
-用与所述基础材料的成分相应的填充材料来填充修理位置(420)，该填充材料是镍基的超级合金或者是γ’-淬火的超级合金，
-在被填充的修理位置(420)的区域中进行热处理，
其中
-所述填充材料具有微米级和/或纳米级的颗粒(425a)，
-在填充所述修理位置(420)时采取防止填充材料氧化的措施，并且
-使所述热处理的温度和保持时间与所述填充材料的成分及所述部件(406)的基础材料的成分相协调，使所述填充材料取向附生地连接到周围的基础材料上。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为填充所述修理位置(420)使用一种HVOF喷涂法或者冷气喷涂法，该喷涂法能够实现所喷涂的颗粒的低的温度。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，为填充所述修理位置(420)使用冷气喷涂法。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，在填充所述修理位置时所述颗粒(425a)被包层(425b)所包围。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述包层由所述基础材料的组成部分所构成。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在填充所述修理位置(420)时使用将不要填充的区域盖住的挡板(428)。
7.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充材料具有至少两种带有低共熔混合比的材料组成部分。
8.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述清洗作业包括将所有氧化物从修理位置(420)去除。
9.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将在基础材料中的裂纹作为修理位置(420)来修理并且对所述裂纹进行填充，从而用微米级或纳米级的颗粒来填充裂纹端部(422)。
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