CN101342628A - 用于涡轮叶片末梢的焊补方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮叶片末梢的焊补方法，具体而言，一种焊补方法使用钨极氩弧焊焊炬或等离子弧焊焊炬和匹配的填料。控制供给焊炬的电流强度和焊炬的移动速度，以产生具有蘑菇形状的焊珠。从各个侧面研磨焊珠，以除去焊珠至少一半的厚度，并形成另一个焊珠。该技术用定向凝固的焊接金属形成无裂纹焊接，该定向凝固的焊接金属类似于基体材料的定向凝固且因此具有类似的机械特性。

Description

用于涡轮叶片末梢的焊补方法
技术领域
本发明涉及一种用于修补涡轮叶片末梢的焊接技术，更具体地讲，涉及一种蘑菇焊补技术(mushroom weld repair technique)，该蘑菇焊补技术使用钨极氩弧焊(GTAW)或等离子体弧焊(PAW)工艺与匹配的化学填充焊丝一起来修补后级定向凝固的叶片末梢。该焊接技术还可以影响其它的后级叶片，并且可容易地在焊补店中采用。
背景技术
称为GTD-444的超级合金的定向凝固的叶片即所谓的DSGTD-444叶片，用作用于高效发动机如通用电气的FB型发动机和H型发动机的后级叶片。定向凝固的GTD-444叶片典型地表现出较好的抗蠕变特性。在许多情况中，这些叶片在其末梢处需要通过焊接来修补。在新制造的部件上，这或许是由于不正确研磨/不正确加工所而造成的，而在正在使用的叶片上则可能是由于发动机运行期间对蜂窝结构的末梢磨损或摩擦所引起。
众所周知，GTD-444超级合金的焊接性极其糟糕，因为此合金在基质(matrix)中包含较高的γ′(60％左右)。因此，焊接在基体金属受热区和焊接金属中产生了不可接受的裂纹。一些使用匹配化学填料的之前的焊补尝试在焊接和基体金属受热区(HAZ)中产生了严重的裂纹。通用电气维修店对于由合金738和等轴GTD-111所铸造的叶片采用GTAW工艺。当时没有已知的焊补工序来修补GTD-444叶片末梢。
为了较好的性能，设计工程要求修补焊接提供与基体材料相匹配的机械特性。匹配的特性仅可通过使用匹配的填充材料如Rene 142或Rene 108才可获得。然而，当使用这些匹配的填充材料时却提高了裂纹敏感性。在很多情况下，易延展的填料如IN 617或IN 625将产生无裂纹焊接，但它具有明显较差的特性且因此不合需要。就各种情况而言，焊接金属包括焊接金属中的等轴凝固的树枝状晶体，与基体材料衬底相比其所具有的焊接特性较差。
需要研制用于后级DS GTD-444叶片末梢的修补技术/方法，该修补技术/方法将使用匹配基体材料特性采用GTAW工艺来产生无裂纹焊接。
发明内容
在示范性实施例中，焊补方法使用钨极氩弧焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)焊炬和匹配的填料。该方法包括步骤：(a)控制供给焊炬的电流强度和焊炬的移动速度，以产生具有蘑菇形状的焊珠；(b)从各个侧面研磨焊珠，以除去焊珠至少一半的厚度；(c)重复步骤(a)；和(d)重复步骤(b)。
在另一个示范性实施例中，该方法包括步骤：(a)用焊炬和成形的焊珠形成平行于基体材料的凝固前沿，其中，成形的焊珠包括由等轴结构所环绕的在中央的定向凝固的焊接金属；(b)大致除去所有的等轴结构；(c)重复步骤(a)；和(d)重复步骤(b)并将基体材料大致修复至其初始尺寸。
附图说明
图1为焊补技术工序的简图；和
图2图示了焊补技术的原理。
具体实施方式
参照图1，将描述示范性实施例的焊补技术工序。在惰性气体气氛如氩气、氦气等的包盒(wrap box)内，将DS GTD-444叶片末梢首先预热到1000°F。在包盒中的典型的加热速率为50°F/分钟从室温加热到1500°F或25°F/分钟加热到最高温度1900°F。也可以使用感应加热。Rene 142-Hf填充焊丝由于其化学性质接近GTD-444超级合金基体材料，故可以选来修补叶片末梢。注意当时无法获得GTD-444填充焊丝。其它适当的高强度的匹配的焊接填充材料可包括GTD111，Rene 80，Rene 108等。对于焊补技术使用GTAW工艺或PAW工艺。
在第一步骤，以这样的方式手动地控制GTAW焊炬的电流强度和移动速度，以便产生带有“蘑菇”形状的焊珠。如图2所示，蘑菇形状宽于并高于叶片末梢尺寸，具有多个侧面和圆形的上部。
焊接之后，从各个侧面研磨焊珠。除去的材料量大约为焊珠沉积于各个侧面上的材料量的一半。随后的焊道(pass)使用相同的焊接参数来焊接在研磨表面上，以便再次产生“蘑菇”形状焊珠。
在焊接第二焊道之后再次进行研磨操作，将末梢恢复到它的初始尺寸。图1中示出了最终修补的焊接。
用于保持蘑菇焊接形状的想法是为了形成平行于叶片末梢的凝固前沿。这会产生从末梢成核并扩散到焊珠表面的定向凝固晶粒。因为焊接为非平衡过程，故难以控制焊接金属中的凝固前沿。因此，在第一焊道中有一些初始的定向凝固晶粒生长后，焊池热梯度随着离焊接熔合线的距离的增加而下降，导致在焊接金属外层内的等轴晶粒的成核现象。最终的结构包括由等轴结构所环绕的在中央的定向凝固的焊接金属。这可以在焊接的横向宏观切片中看到。
注意大多数裂缝的出现与焊接金属中的等轴结构有关，因此等轴结构只要涉及到可焊性就会非常有害。在随后的每一焊道之前通过研磨除去一半的焊珠，这除去了由焊接操作所产生的几乎所有的等轴晶粒。对于多道焊接重复相同的过程。因此，此技术将产生具有无裂纹的定向凝固结构的焊接金属。
如下所列为用于试焊叶片的示范性焊接参数：
电流：22-30安培
电压：10-12伏，根据需要以保持熔融的焊珠前沿
氩气流率(包盒)：250-300SCFH，根据需要以避免焊珠的氧化
填充焊丝直径：0.045″-0.062″
注意：在焊道开始处必须缓慢地进行“蘑菇”焊珠的增长，以避免基体材料的过度熔化或避免使用引弧板(starting tab)。为避免焊珠末端的火口裂纹(crater cracking)可使用其它的填充材料或止弧板(stoptab)。
利用此处所述的焊补技术，可使用GTAW或PAW焊接工艺来修补DS GTD-444超级合金的后级叶片末梢。该工艺在焊件、基体材料和受热区中产生无裂纹的焊接。另外，该技术使用具有类似基体材料机械特性的匹配的化学填料。得到的焊接包括定向凝固的焊接金属，其类似于定向凝固的基体材料，结果形成不易受裂纹影响的紧固焊接。该焊接技术还可以影响其它的后级叶片，且可以容易地在焊补店采用。
表1中提供了确定的Ni基超级合金的标称化学成分。
表1
Figure A20081013036400081
尽管本发明已结合当前认为是最实用且最优选的实施例进行了描述，但应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而恰恰相反，其意欲涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种变型及等同配置。

Claims (10)

1.一种焊补方法，其使用钨极氩弧焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)焊炬和匹配的填料，所述方法包括：
(a)控制供给所述焊炬的电流强度和所述焊炬的移动速度，以产生具有蘑菇形状的焊珠；
(b)从各个侧面研磨所述焊珠，以除去所述焊珠至少一半的厚度；
(c)重复步骤(a)；和
(d)重复步骤(b)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在步骤(c)之前，重复步骤(a)和重复步骤(b)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊补方法用于涡轮叶片末梢，且其中，所述方法还包括，在步骤(a)之前，预热所述叶片末梢。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预热步骤在惰性气体气氛中实施。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气和氦气中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊补方法用于涡轮叶片末梢，其中，所述涡轮叶片末梢由定向凝固的超级合金形成，且其中使用适当的填充焊丝来实施步骤(a)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述填充焊丝包括由合金E形成的填充焊丝。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述填充焊丝包括合金A，合金C和合金D中的一种。
9.一种焊补方法，其用于使用钨极氩弧焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)焊炬的基体材料和匹配的填料，所述方法包括：
(a)用所述焊炬和成形的焊珠形成平行于所述基体材料的凝固前沿，其中，所述成形的焊珠包括由等轴结构所环绕的在中央的定向凝固的焊接金属；
(b)大致除去所有的所述等轴结构；
(c)重复步骤(a)；和
(d)重复步骤(b)并且将所述基体材料大致恢复至其初始尺寸。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，实施步骤(a)以便使所述成形的焊珠形成蘑菇形状。
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