CN101376971A - 修复镍基合金制品的方法 - Google Patents

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Abstract

修复镍基合金制品的方法，该镍基合金制品例如是涡轮转子(12)，该方法总体包括：去除制品的受损部分(28)；将高温镍基合金粉末激光熔覆到其上以形成固体层(30)。该工艺可被重复直到获得所需的厚度。可选地，可在激光熔覆工艺之后进行喷丸硬化工艺，以向由激光熔覆形成的固体层(30)引入压应力。

Description

修复镍基合金制品的方法
技术领域
[001]本发明总的涉及镍基合金制品的修复，更具体而言，涉及对燃气和/或蒸汽涡轮系统的操作中使用的镍基合金转盘的修复。
背景技术
[002]在燃气涡轮中，空气被抽入涡轮的前部，由压缩机压缩，并与燃料混合。该混合物被燃烧，所形成的热燃气通过涡轮。涡轮包括：转子，其具有支撑在其外周边上的涡轮叶片；以及固定部分(即，不旋转)，其主要包括用于引导气流的喷嘴和用于径向限制气流的罩。燃气流过转子和罩之间的环状通路，并驱动涡轮叶片旋转。热燃气的受限制的流动通过驱动涡轮叶片的能够使涡轮转子转动并对发电机(generator)提供输出的翼部分而使涡轮转子转动。涡轮转子和固定部分在操作中经受高的温度和载荷。为了能够具有良好的高温承受能力，涡轮转盘经常由镍基合金例如706型或者708型制成。这些合金需要细晶粒微观结构，这通常通过例如一系列锻造和热处理等热机械加工来实现。
[003]涡轮转盘在启动和关闭循环期间经受高的热应力作用，并在操作中经受离心应力和振动应力。高的热应力和循环操作载荷可导致对涡轮转盘的低周和高周疲劳损害。在长期工作之后，裂纹会发生在具有高的几何理论应力集中系数的区域，即转盘边缘的小半径叶片连接区域。镍基合金706和718特别易于受被称为具有持续时间的低周疲劳的失效模式的影响。在具有持续时间的低周疲劳的情况下的裂纹引发会由于振动操作应力而迅速加速扩展(导致高周疲劳)直到该部分失效。镍基合金涡轮转盘被认为通过传统的熔焊方法是不可修复的，因为传统的对镍基合金的熔焊焊缝具有大的铸造晶粒微观结构，这导致明显更低的疲劳和持续时间疲劳能力。镍基合金的传统的焊缝组成不能承受涡轮转子操作条件。
[004]因此，需要修复镍基合金转子以适于更长期使用。
发明内容
[005]这里公开了用于修复镍基合金制品的方法。在一种实施方式中，用于修复由镍基合金形成的制品的方法包括：去除制品的受损部分来暴露未受损的表面；将镍基合金粉末沉积到未受损的表面上以替代受损部分；将镍基合金粉末激光熔覆成固体层；以及可选地重复镍基合金粉末的沉积和激光熔覆工艺，以获得所需的厚度。
[006]在另一种实施方式中，用于修复镍基合金制品的方法包括：去除镍基合金制品的裂纹的周围部分以暴露没有裂纹的表面；使YAG基激光束移过被去除的部分；对没有裂纹的表面提供合金粉末；以及对YAG基激光束产生足够的能量，以形成固体层并在合金粉末和没有裂纹的表面之间进行熔接。
[007]此外，这里还公开了由上述方法修复的转盘。
[008]上述和其他特征通过下面的附图和详细说明被示例地描述。
附图说明
[009]下面参照示例性实施方式的附图，相同的元件用相同的附图标记表示，其中：
[010]图1是一种示例性燃气涡轮的一部分的局部剖视图，其示出了涡轮转盘；
[011]图2示出了在涡轮转盘中具有小半径的区域的裂纹结构，其可例如由于持续时间低周疲劳形成；
[012]图3示出了图2所示涡轮转盘的受损部分的去除；
[013]图4示出了使用粉末金属激光熔覆工艺重建图3所示的涡轮转盘的被去除的受损部分；以及
[014]图5是用于修复镍基合金转盘中的裂纹的一种示例性实施方式的流程图。
具体实施方式
[015]这里公开了用于修复例如涡轮转子部件等镍基合金制品的例如裂纹、被氧化区域等受损区域的方法。该方法总的包括通过机加工工艺去除受损区域(裂纹或者氧化区域)；以及通过激光熔覆(laser cladding)利用超细级粉末金属镍合金重新填充被机加工的沟槽(被去除的区域)，所述超细级粉末金属镍合金例如有ARA 725，718 or 706，其具有-150或者更细的粒度。熔覆层没有孔隙和裂纹，并具有同样的细晶粒微观结构(与母材金属的粒度相同或者更细)。平衡的热输入(可用于粉末熔化和接合，但对于晶粒增长和稀释/合金化不能过量)、多通道焊接熔覆工艺被开发以形成均一的迅速固化和冷却的补强层(buildup layer)，这些补强层具有细晶粒微观结构；并且该工艺使原部件产生最小的变形。
[016]在该方法中，粉末金属被预先注入沟槽表面中并通过激光束熔化，其中被加热的金属通过内部气体覆盖。激光束功率密度、部件进给速度和气体流量被精确控制，使得被施加的激光能量用于熔化粉末并与母材金属形成熔接。稍微过量的粉末注入可被用来实现热输入平衡。未熔化的粉末通过喷嘴的抽吸来去除，并可在回收之后使用。通过该方法的熔覆补强具有细晶粒微观结构，其导致与转盘母材金属相同或者比转盘母材金属更好的疲劳和持续时间疲劳特性。该补强部分应该足以替代受损部分，其厚度与被去除部分的厚度相同。超声表面硬化、激光振动表面硬化或者拍打表面硬化(flap peening)可被可选地用来实现具有压应力的均匀层。压应力有望增加在疲劳失效、腐蚀疲劳、应力腐蚀裂纹、氢致裂纹、微振磨损、粘结、气蚀产生的腐蚀等方面的抵抗力。
[017]图1示出了燃气涡轮10的相关部分的一种简化形式，仅示出了所关注的部分。燃气涡轮10总的包括用螺栓连在一起的几个涡轮盘12(即转子)，仅示出了其中一个。多个涡轮叶片16(为了清楚起见示出了其中一个)从涡轮盘12的外周18径向向外延伸。每个叶片16包括燕尾榫20、平台22和翼24。燕尾榫20可滑动地插入到并由此设置在互补的延伸进入转盘12的外周边中的燕尾槽26(参见图2)中。燃气涡轮固定流动路径罩盖(未示出)形成了隧道状结构，涡轮盘12和涡轮叶片16在其中旋转。燃气涡轮固定流动路径罩盖称为“固定”，因此其不随涡轮盘12和涡轮叶片16的旋转而旋转。
[018]如图2所示，涡轮盘12的外周边缘(叶片连接区域，燕尾榫)附近经常出现裂纹C，其被认为是由于上述故障机制(例如持续时间低周疲劳或高周疲劳)中的一个或多个的出现而出现的。裂纹通常首先出现在盘燕尾榫的小半径边缘，这里具有高度集中的操作应力和热应力。本发明因此涉及去除燕尾槽26的裂纹C周围的受损部分28(如图3中的虚线所示)，并通过激光熔覆补强来进行替代。
[019]涡轮盘12根据其被建造时的设计说明具有规定公差范围内的原始尺寸。或者，这些原始尺寸可以是在对工件施加修复方法之前的工件的形状。这些尺寸可以特别包括表面特征，例如孔或者裂缝或者突指，以及根据不同应用所需的表面纹理。该涡轮盘，即转子，由镍基合金形成。
[020]作为例子，转子由通过商品名“因科镍合金(Inconel Alloy)706”(以下成为“合金706”)可商业获得的镍基超合金组分制成。因科镍合金706可用来形成转子，因为其具有高达1200华氏度的高强度以及高的抗脆化性。但是，操作应力、热疲劳应力、化学腐蚀等可导致合金出现裂纹，其可位于涡轮盘12的轮缘或者边缘周围。因科镍合金706具有如下表1所示的组分。
表1：合金706组分
 
元素 重量百分比
碳 最大0.06
锰 最大0.35
磷 最大0.35
硫 最大0.015
铬 14.5至17.5
镍 39至44
铌 2.5至3.3
钛 1.5至2
铝 最大0.4
硼 最大0.006
铜 最大0.3
铁 其余
[021]当裂纹形成在镍基合金中时，裂纹C周围的受损部分26被去除以暴露转子的未受损的表面。受损部分是裂纹周围的成块材料，可通过机械或者化学方式去除。去除方法包括但不限于铣削、切割或者激光切割。
[022]一旦受损部分26被去除，镍基粉末金属通过激光熔覆工艺沉积在表面上，如图4所示。在一种实施方式中，镍基合金粉末被选择具有高于1260摄氏度的熔点。合适的镍基合金的一个具体例子是ARA725。ARA725是γ′相析出强化的镍基超合金(gamma-primeprecipitation-strengthened nickel-base super alloy)，其基于可商业获得的因科镍合金725。ARA725具有如下组分(按重量)：大约19％至大约23％的铬、大约7％至大约8％的钼、大约3％至大约4％的铌、大约4％至大约6％的铁、大约0.3％至大约0.6％的铝、大约1％至大约1.8％的钛、大约0.002％至大约0.004％的硼、最大大约0.35％的锰、最大大约0.2％的硅、最大大约0.03％的碳，其余为镍和杂质。
[023]通常通过真空感应熔化工艺实现制造粉末和粉末参数的特定工艺，但也可以采用电渣重熔或者真空电弧重熔工艺来操作，以提供随后雾化所需的熔化，也可采用其他粉末制造方法。由于包含在优选的γ′和γ″相(gamma prime and gamma double prime)析出强化合金中的元素(例如铝和钛)的反应，在真空或者惰性环境(以下称为受控环境)中形成熔化。当在熔化条件下并在化学规格(chemistry specifications)内时，合金通过雾化或者其他合适的工艺被转化成粉末，形成基本上球形的粉末颗粒。通过雾化产生的颗粒具有大致0.004英寸(大约0.100毫米)或者更小的直径。粉末然后在受控的环境中过滤，以基本上全部去除大于0.004英寸(大约0.100毫米)的颗粒，以减小随后坯料或者锻件中形成缺陷的可能。如果大于0.004英寸(大约0.100毫米)的缺陷颗粒(例如陶瓷等)可通过滤筛之外的工艺去除，则更大的粉末尺寸可以接受。这种粉末的任何所需存储优选在受控的环境的容器中。
[024]在粉末金属注到表面上时或者之后，用保护气体对粉末金属激光加热，以将粉末熔接到表面上，形成固体层，即所谓的激光熔覆工艺。该工艺参数(主要有进给速度、激光热输入和气体流量)受到控制，使得激光能量的量可用于仅熔化粉末并与部件表面形成良好的熔接。无需施加过多能量的情况下，沉积层迅速固化、冷却并产生细晶粒结构。迅速固化的熔覆补强的细晶粒结构导致改进的疲劳和持续时间疲劳能力。合适的激光的一个具体例子是YAG基激光，例如Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石；Nd:Y3Al5O12)激光。该特定激光发射波长1064nm的光，并以有效地能量被保持在每个位置以熔接粉末并形成固体层。利用激光熔覆工艺，与传统焊接相比，沉积的合金具有最小的稀释度，并且具有最小的热影响区(HAZ)。HAZ通常是焊件的薄弱连接部，其具有差的机械性能。多个层填充去除部分26的总体积(entire bulk volume)。重复该工艺，直到这些层的厚度已经形成至少在设计规格的原始尺寸的公差范围内的构造。
[025]当固体层30形成在去除部分26中之后，原始尺寸可以被恢复，喷丸硬化(peening)，从而转子恢复工作。图5是修复镍基合金转盘12的方法的示例性实施方式的流程图。该方法总的包括在步骤100中去除转子的受损部分，之后进行如上所述的激光熔覆工艺。激光熔覆工艺总的包括在步骤200中向去除部分的未受损表面提供合金粉末，在步骤300中将YAG基激光束扫过被去除部分，对激光产生足够的功率以在合金粉末和被去除部分的未受损表面之间进行熔接。在步骤400中该工艺可以被重复直到获得所需的厚度。可选的是，被修复的表面可以被喷丸硬化以增加该层中的压应力，如步骤500中所示。
[026]有利地，修复过程使终端用户能修补涡轮盘，以更长期使用，减低了替换部件的需要，并且降低了操作和维护涡轮的成本。
[027]在此以参见的方式引入所有引用的专利、专利申请和其他文献的整体内容。但是，如果本申请中的词语与所引入的文献的词语矛盾或者冲突，本申请的词语优先于所引入的文献中的冲突的词语。
[028]除非特别定义，这里使用的技术和科学词语的意思与本领域所属技术人员通常理解的意思相同。词语“一个”并不表示对数量的限定，而是表示存在所修饰的物体。与数量连用的修饰语“大约”包括所表示的值，并具有上下文所表述的意思(例如包括与特定量的测量相关的误差)。
[029]整个说明书中的“一种实施方式”、“另一实施方式”、“一个实施方式”等是指与该实施方式有关地描述的特定元素(例如特征、结构和/或特性)被包括在这里描述的至少一个实施方式中，并且可以出现或者不出现在其他实施方式中。此外，应当理解，所描述的元素可以通过任何合适的方式结合在各个实施方式中。
尽管通过示例性实施方式对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变型，可以用等价物替代其元素。此外，在本发明的教导下，可以进行任意的修改，以适应特定情况或者材料，而不脱离其基本范围。因此，本发明并不意图限制成这里公开的用于实施本发明的具体实施方式，而是本发明可以包括落入后附权利要求的范围中的所有实施方式。

Claims (9)

1.一种用于修复由镍基合金形成的制品的方法，包括：
去除制品的受损部分(28)来暴露未受损的表面；
将镍基合金粉末沉积到未受损的表面上，以替代受损部分(28)；以及
将镍基合金粉末激光熔覆成固体层(30)；并且可选地重复镍基合金粉末的沉积和激光熔覆工艺，以获得所需的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品由镍基合金形成，所述镍基合金按重量包括：39-44％的镍；14.5-17.5％的铬；2.5-3.3％的铌；以及1.5-2％的钛。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述镍基合金还包括少于或者等于0.06％的碳。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括喷丸硬化所述固体层(30)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述镍基合金粉末是γ′相析出强化的镍基超合金。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述镍基合金粉末按照重量包括大约19％至大约23％的铬、大约7％至大约8％的钼、大约3％至大约4％的铌、大约4％至大约6％的铁、大约0.3％至大约0.6％的铝、大约1％至大约1.8％的钛、大约0.002％至大约0.004％的硼、最大大约0.35％的锰、最大大约0.2％的硅、最大大约0.03％的碳，其余为镍和伴随的杂质。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，去除受损部分(28)包括去除形成在制品中的裂纹(C)周围的部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品是涡轮转盘(12)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述受损部分(28)是涡轮转盘(12)的燕尾槽部分(26)的裂纹(C)周围的区域或者是涡轮转盘(12)的燕尾槽部分(26)的被氧化区域。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090304