CN103484851A - 修理金属部件及燃气涡轮机部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修理金属部件及燃气涡轮机部件的方法。该方法包括设置具有裂缝瑕疵的金属部件；把金属部件上形成有所述裂缝瑕疵的区域的材料移除以形成开口；在所述开口中设置修理材料；对定义于所述金属部件及所述修理材料间的结合区进行密封及抽真空；及利用高温等静压法对所述金属部件及所述修理材料进行处理以进行修理。

Description

修理金属部件及燃气涡轮机部件的方法

技术领域

本发明涉及一种修理金属部件的方法，尤其涉及一种修理金属部件（Metallic Articles），如具有裂缝瑕疵（Gap Defects）的燃气涡轮机部件（GasTurbine Engine Components）的方法。

背景技术

燃气涡轮机部件，如叶片（Blades）对于燃气涡轮机的安全运行至关重要。这些部件通常要经受较高的温度和压力。为了确保其可经受较高的温度和压力，燃气涡轮机部件常由超耐热合金材料（Superalloy Materials），如镍基（Nickel-based）、钛基（Titanium-based）或钴基（Cobalt-based）超耐热合金材料制成。

然而，在燃气涡轮机部件的制造过程或在其长时间运行后，就可导致在该部件上产生裂缝等瑕疵。由于燃气涡轮机部件本身不容易制造且制造成本高昂，因此对产生裂缝瑕疵的部件进行修理就比把其直接替换掉具有经济价值。

目前，已经有多种尝试来对具有裂缝瑕疵的燃气涡轮机部件进行修理。比如，使用激光加工系统。这样，在修理过程中，随着激光在部件上产生裂缝瑕疵的部位上形成熔池，用来修理裂缝瑕疵的材料沿着熔池的移动路径进行一层层的沉积，从而来完成对部件的修理。

然而，由于在修理过程中激光所产生的局部热量（Localized Heat Input），其可导致在修理后的部件中进一步的产生裂缝瑕疵。此外，由于制造燃气涡轮机部件的超耐热合金材料具有方向性凝固（Directionally Solidified）及单晶合金（Single Crystal Alloy）结构。这样，当利用激光加工系统把修理材料沉积在具有如此结构的超耐热合金材料上时，沉积后材料的强度（StrengthProperties）常比原始部件的强度低，这对于燃气涡轮机部件的修理是不利的。

所以，需要提供一种新的可对燃气涡轮机部件进行修理且可确保燃气涡轮机的安全运行的方法。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种可用于修理金属部件的方法。该方法包括设置具有裂缝瑕疵的金属部件；把金属部件上形成有所述裂缝瑕疵的区域的材料移除以形成开口；在所述开口中设置修理材料；对定义于所述金属部件及所述修理材料间的结合区进行密封及抽真空；及利用高温等静压法对所述金属部件及所述修理材料进行处理以进行修理。

本发明另一个实施例提供了一种可用于修理燃气涡轮机部件的方法。该方法包括设置具有裂缝瑕疵的燃气涡轮机部件；把燃气涡轮机部件上形成有所述裂缝瑕疵的区域的材料移除以形成开口；在所述开口中设置修理材料；对定义于所述燃气涡轮机部件及所述修理材料间的结合区的表面区域进行密封并对该结合区抽真空；及利用高温等静压法对所述燃气涡轮机部件及所述修理材料进行处理以进行修理。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明用于修理金属部件的方法的一个实施例的流程示意图；

图2到图4为图1所示的修理方法的前三步的一个实施例的示意图；

图5到图7为图1所示的修理方法的第四步的两个实施例的示意图；及

图8到图9为在本发明实施例中使用的混粉电火花沉积（PowderMicro-Spark Deposition，PMSD）法的两个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的一个实施例提供了一种可用于修理具有裂缝瑕疵的金属部件的方法。所述的“金属部件”可包括由任何合适的金属材料制造而成的部件。在一个非限定示例中，金属部件可包括燃气涡轮机部件，比如燃气涡轮机叶片（Blade or Vane）。在一些示例中，燃气涡轮机叶片可包含超耐热合金材料（Superalloy Materials），如镍基（Nickel-based）、钛基（Titanium-based）或钴基（Cobalt-based）等超耐热合金材料。

在本发明实施例中，所述裂缝瑕疵可包括具有任何尺寸的缝隙，其可导致燃气涡轮机部件的性能恶化。在一些示例中，裂缝瑕疵可具有较小的尺寸，比如通常所说的裂缝或缝隙（Crack or Crevice）。在其他示例中，裂缝瑕疵也可具有较大的尺寸，比如可称之为缺口（Cut or Gap）或空腔（Cavity）等。

图1所示为本发明用于修理具有裂缝瑕疵的金属部件的方法10的一个实施例的流程示意图。如图1所示，在修理过程中，在步骤11中，提供了具有裂缝瑕疵的金属部件。随后，在步骤12中，把金属部件上形成或定义有裂缝瑕疵的区域的材料移除，从而形成了具有期望或预设形状的且比裂缝瑕疵具有较大体积的开口。接下来，在步骤13中，往形成的开口中设置修理材料。

在本发明实施例中，该用于修理具有裂缝瑕疵的金属部件的方法10进一步包括在步骤14中，对位于修理材料和金属部件间的结合区（Bonding Land）进行密封并抽真空。然后，在步骤15中，利用高温等静压（Hot IsostaticPressing，HIP）法对金属部件及修理材料进行处理从而来修理所述金属部件。在一个示例中，在步骤14中对位于修理材料和金属部件间的结合区进行密封是通过对结合区的表面区域（Surface Area），比如表面接口进行密封来实现的，而且密封和抽真空的顺序是可以变化的。在其他示例中，方法10也可选择性的包括在步骤16中，对修理后的金属部件的结合区的表面区域进行加工处理。

图2到图6所示为本发明修理具有裂缝瑕疵101的金属部件100的方法的示意图。图2到图6所示的实施例仅是示意性的。如图2所示，设置有金属部件100，且其上形成有裂缝瑕疵101。在本实施例中，金属部件100具有立方体形状。基于不同的应用，金属部件100也可具有其他任何合适的形状，比如圆柱体形状或弧形形状，比如，金属部件100为燃气涡轮机叶片，其可具有弧形形状。

裂缝瑕疵101包括从金属部件100的相应的三个表面17-19向金属部件100内部延伸的裂缝。在一些示例中，裂缝瑕疵101也可从金属部件100的一个表面上向其内部延伸。在其他情况下，裂缝瑕疵101也可形成于金属部件100的内部。

这样，如图3所示，在本实施例中，金属部件100上形成有裂缝瑕疵101的区域（未标注）的材料被移除从而形成或开设了V形的开口20。在一些应用中，开口20的形状可以是预定的，相比较于裂缝瑕疵101，其具有较大的体积（Volume）以收容或容纳修理材料。在其他示例中，根据不同的情况，开口20也可具有其他形状，比如立方体（Cubic）形状、圆柱体（Cylindrical）形状、圆锥体（Conical）形状或其他任何合适的形状。基于开设形成的开口20的尺寸不同，开口20也可包括缝隙（Crack）、空腔（Cavity）、切口（Cut）、凹陷（Recess）、间隙（Gap）或其他任何当定义有裂缝瑕疵101的区域的材料被移除后形成于金属部件101上的空间（Space）。

随后，如图4所示，修理材料被填充进开口20中。在一些示例中，为了确保修理后的金属部件100的强度，修理材料与被修理的金属部件100所用的材料相似或相同。根据修理的金属部件100的材料的不同，修理所用的材料也可相应的进行确定。在非限定示例中，修理材料可包括钛及钛合金、镍及镍合金、钴及钴合金及包括但不限于如镍基、钛基或钴基材料等的超耐热合金材料。

在图3所示的实施例中，裂缝瑕疵101自相应三个表面17-19延伸，当把金属部件100上的相应区域的材料移除后，表面17-19就彼此连通，从而形成的开口20就具有从相应的表面17-19延伸的三个缺口21-23。这样，修理材料就以独立的金属件（Separate Metallic Part）24的形式设置在开口20中。

所谓的“独立的金属件”是指一体的金属件而不是金属粉末来设置在开口20中。另外，开口20也可开设有一个缺口，比如在移除形成有裂缝瑕疵的区域的材料后形成于金属部件100上的类似于盲孔（Blind Hole）的结构。在这种情况下，独立的金属件或金属粉末均可用来设置在开口20中。

修理材料设置在开口20中且与开口20形成较好的配合。在非限定示例中，开口20被修理材料完全填充，从而修理材料的表面可与金属部件100的相应的表面17-19相齐平。比如，如图4所示，在金属件24设置在开口20中后，金属件24的表面25-27可与金属部件100的相应的表面17-19相齐平。在其他示例中，修理材料的表面可不与金属部件100的相应的表面相齐平。

此外，尽管一个独立的金属件24设置在开口20中，在其他实施例中，一个或一个以上的金属件可一起叠加设置在开口20中从而来起到一个金属件相似的作用。

接下来，如图5所示，对修理材料和金属部件100之间的结合区或结合面（Bonding Interface）29的表面区域28进行密封，且对结合区29进行抽真空。在本实施例中，对整个表面区域28进行密封，从而密封材料（未标注）沿着需要密封的表面区域28形成了连续的首尾相接的接合线30。

在一些示例中，密封材料可包括任何具有适宜成本且与基体材料，如金属部件100相兼容的密封材料。比如，密封材料包括型号为IN 718的镍基超耐热合金材料来对基体材料为型号GTD 111的镍基超耐热合金材料进行密封。在一些应用中，密封材料以金属粉末的形式进行密封。沉积在表面区域28上的密封材料的厚度可在从0.01毫米到1毫米的范围内，如0.5毫米。

在本发明实施例中，不同的密封技术可被使用来进行密封。在一些应用中，密封过程可在真空状态下进行，这样，结合区29就处在真空状态下来进行密封过程。比如，在真空状态下使用电子束沉积（Electron Beam Deposition，EBD）方法来进行密封。

在其他示例中，密封过程也可在非真空状态下进行。如图6所示，一部分表面区域28（如图4所示）在非真空状态下进行密封，从而密封材料在表面区域28上形成了不连续的接合线31及位于接合线间的缺口32。所谓的“不连续”可指接合线31没有形成连续的首尾相接的接合线。

这样，如图7所示，除气管33可通过缺口32与结合区29相连通从来对该位于修理材料和金属部件100间的结合区29进行抽真空。在一个非限定示例中，当结合区29的压力低于0.01托时，可对除气管33进行处理，比如利用热夹断的方式处理除气管33以对结合区29进行密封。

在本发明实施例中，也可利用其它合适的方式来通过缺口32对结合区29进行抽真空并密封。在一些示例中，也可设置一个以上的缺口32及一个以上的除气管来对结合区29进行抽真空。

在图6所示的实施例中，可利用不同的方法，其包括但不限于激光粉末沉积（Laser Powder Deposition，LPD）法或混粉电火花沉积法来对密封材料进行沉积以形成不连续的接合线31。所述“混粉电火花沉积法”是指利用通过电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极及形成于电极内的或是至少部分围绕电极的用于将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道来对密封材料进行沉积的方法。

图8到图9为本发明使用在混粉电火花沉积法中的电极34，35的两个实施例的示意图。如图8所示，电极34包括可通过电火花来沉积在基体102，如表面区域28上的材料。进一步的，粉末输送通道36开设于电极34内，其可将包括导电材料的粉末37导入到电极34和基体102之间的放电间隙中。在非限定示例中，在沉积过程中，粉末37是以与电极34大致同轴的方向输送到所述放电间隙中，从而获得较高的粉末捕获率来对表面区域28进行密封以形成接合线。

在另一个实施例中，如图9所示，相似的，电极35包括可通过电火花来沉积在基体102，如表面区域28上的材料。进一步的，可设置粉末输送通道38，其至少一部分围绕所述电极35设置以将包括导电材料的粉末37导入到电极35和基体102之间的放电间隙中。在非限定示例中，粉末37是从围绕电极35前端的一圈的位置从不同方向被均匀输送到所述放电间隙中，从而获得较高的粉末捕获率来对表面区域28进行密封以形成接合线。

这样，在沉积过程中，混粉电火花沉积法经由电火花并通过可消耗的电极从而把电极材料沉积在基体上。其间，通过形成于电极内的或是至少部分围绕电极的粉末输送通道把粉末输送到电极和基体间的放电间隙中来进行沉积。关于混粉电火花沉积法其他内容可参见本申请人于2011年1月30日申请的申请号为20110032999.4的专利申请。

在一定的应用中，当修理材料是以金属粉末的形式填充进具有一定形状的开口中时，粉状的修理材料和金属部件之间的结合区的至少一部分表面区域可在非真空状态进行处理以形成不连续的接合线。然后，该粉状修理材料和金属部件可在真空状态下加热，比如真空炉中进行加热，从而修理材料的表面被烧结。不连续的接合线也相应的被烧结而形成了连续的首尾相接的接合线。这样，粉状的修理材料和金属部件之间的结合区就被密封且处在真空状态下。

最后，当结合区被密封和抽真空后，利用高温等静压法对修理材料和待修理的金属部件进行处理，从而形成了一个完整的金属部件。在一个非限定示例中，对镍基超耐热合金进行处理时，高温等静压法的操作条件包括温度大致处于1200度及压力大致为200MPa。基于要处理的材料的不同，使用高温等静压法时的温度、压力等条件是可相应改变的。此外，当使用高温等静压法对金属部件进行处理后，在一定的应用中，可对修理后的金属部件的表面，比如结合区的表面区域进行加工处理以移除在其上沉积的密封材料及/或热影响区域（Heat Affected Zone，HAZ）。

在本发明实施例中，修理材料和金属部件之间的结合或处理是在其处于固态是进行的。相比传统的在修理过程中使用熔化及再凝固法进行的修理而言，在本发明实施例中采用的修理方法可减轻或避免在金属部件中形成有害的相位。

在一定的示例中，修理材料可以独立的金属件的形式进行设置，这样，在修理前，就可提前制造好修理材料，从而节省了修理时间。而且，基于要修理的金属部件的材料，金属件可利用与金属部件具有相似或相同的微观结构的材料，这对于修理金属部件，比如修理具有方向性凝固及单晶合金结构的燃气涡轮机部件是有利的，其增强了部件的强度。在一个示例中，通过本发明实施例的修理方法，修理后的金属部件的强度可达到原始部件强度的90%以上。

在对结合区进行密封的过程中，可使用不同的沉积方法，比如使用混粉电火花沉积法来进行沉积。而且在密封过程中，在金属部件上采用直接的熔接（Direct Fusion Welding）方式是局部及有限的。这样，就避免或减轻了热影响区域的形成。当对修理后的金属部件表面进行处理后，形成在结合区的热影响区域就可被清除，金属部件的微观结构也不受影响，从而确保了金属部件的强度，提高了修理的可靠性。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (17)

1.一种修理金属部件的方法，包括：

设置具有裂缝瑕疵的金属部件；

把金属部件上形成有所述裂缝瑕疵的区域的材料移除以形成开口；

在所述开口中设置修理材料；

对定义于所述金属部件及所述修理材料间的结合区进行密封及抽真空；及

利用高温等静压法对所述金属部件及所述修理材料进行处理以进行修理。

2.一种如权利要求1所述的方法，其中相较于所述裂缝瑕疵，形成的所述开口具有较大的体积。

3.一种如权利要求1所述的方法，其中所述修理材料是以独立的金属件的形式或是以金属粉末的形式设置于所述开口中。

4.一种如权利要求1所述的方法，其中所述对结合区进行密封是对结合区的表面区域进行密封来完成的。

5.一种如权利要求4所述的方法，其中形成在所述表面区域上的密封材料的厚度处于从0.01毫米到1.0毫米的范围内。

6.一种如权利要求4所述的方法，其中密封在所述表面区域上的密封材料的厚度为0.5毫米。

7.一种如权利要求4所述的方法，其中所述对结合区进行密封和抽真空的步骤是在真空状态下进行的。

8.一种如权利要求4所述的方法，其中对所述结合区的表面区域进行密封形成了连续的首尾相接的接合线。

9.一种如权利要求4所述的方法，其中所述对结合区的表面区域进行密封的步骤形成了不连续的接合线及缺口，该步骤进一步包括设置有通过所述缺口与所述结合区相通的除气管以对所述结合区进行抽真空。

10.一种如权利要求4所述的方法，其中所述对结合区的表面区域进行密封的步骤使用的是混粉电火花沉积法。

11.一种修理燃气涡轮机部件的方法，包括：

设置具有裂缝瑕疵的燃气涡轮机部件；

把燃气涡轮机部件上形成有所述裂缝瑕疵的区域的材料移除以形成开口；

在所述开口中设置修理材料；

对定义于所述燃气涡轮机部件及所述修理材料间的结合区的表面区域进行密封并对该结合区抽真空；及

利用高温等静压法对所述燃气涡轮机部件及所述修理材料进行处理以进行修理。

12.一种如权利要求11所述的方法，其中相较于所述裂缝瑕疵，形成的所述开口具有较大的体积。

13.一种如权利要求11所述的方法，其中所述修理材料是以独立的金属件的形式设置于所述开口中。

14.一种如权利要求11所述的方法，其中所述对结合区的表面区域进行密封及对所述结合区抽真空是在真空状态下进行的。

15.一种如权利要求14所述的方法，其中对所述结合区的表面区域进行密封形成了连续的首尾相接的接合线。

16.一种如权利要求14所述的方法，其中所述对结合区的表面区域进行密封的步骤使用的是混粉电火花沉积法。

17.一种如权利要求11所述的方法，其中密封在所述表面区域上的密封材料的厚度处于从0.01毫米到1.0毫米的范围内。

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