CN104010762A - 修复旋转机械部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于修复燃气涡轮发动机的部件的设备和方法。所述方法包括：定位所述部件的损坏区域，准备所述部件的包括所述损坏区域的一部分而保留所述部件的剩余部分，使用冷金属过渡（CMT）工艺将至少一层材料焊接至所述剩余部分，以及将多余材料从所述部件移除以达到预定尺寸。

Description

修复旋转机械部件的方法
背景技术
本发明的领域总体上涉及涡轮发动机密封组件，并且更确切地说，涉及用于修复燃气涡轮发动机的部件的方法和设备。
燃气涡轮发动机内的至少一些已知部件因在发动机内使用而易于磨损和破坏。因此，所述部件的有效性可能因磨损而显著降低。这种磨损对某些部件、包括由粉末金属合金形成的那些部件来说可能存在严重问题，因为所述粉末金属合金在发生磨损之后难以进行焊接。
发明内容
在一个实施例中，一种用于修复燃气涡轮发动机的部件的方法包括：定位所述部件的损坏区域，准备所述部件的包括所述损坏区域的一部分而保留所述部件的剩余部分，使用冷金属过渡（cold metaltransfer）（CMT）工艺将至少一层材料焊接至所述剩余部分，和将多余材料从所述部件移除而达到预定尺寸。
在另一个实施例中，一种用于修复由粉末金属合金制成的密封齿的方法包括：定位所述密封齿的损坏区域，从旋转轴移除所述密封齿，使所述轴围绕中心轴线旋转，和在所述旋转期间，使用冷金属过渡（CMT）工艺将至少一层材料焊接至所述密封齿。
在又一个实施例中，燃气涡轮发动机密封齿包括：第一径向内齿部分，其包括与所述燃气涡轮发动机的轴形成整体的根部和从所述根部径向向外延伸的远端，所述第一部分包含与所述轴的材料相同的金属合金材料；和所述密封齿的第二径向向外的部分，其以层叠至所述远端上的周向且径向向外延伸的组合式焊接件（built up weldment）的形式，使用冷金属过渡（CMT）电弧焊接工艺来形成。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是根据本发明的示例性实施例并且可用在图1中所示的燃气涡轮发动机内的密封齿组件的透视侧视图。
图3是用于修复燃气涡轮发动机部件、如图2中所示的转子盘的部件的示例性方法的流程图。
图4是根据本发明的另一个示例性实施例的用于修复燃气涡轮发动机部件的示例性方法的流程图。
具体实施方式
图1是包括风扇组件12、高压压缩器14和燃烧器16的示例性燃气涡轮发动机10的示意图。发动机10还包括高压涡轮机18和低压涡轮机20。风扇组件12和涡轮机20由第一转子轴24来连接，并且压缩器14和涡轮机18由第二转子轴26来连接。
在操作期间，空气轴向地流过风扇组件12并且向高压压缩器14供应压缩空气。向燃烧器16传送高度压缩的空气。来自燃烧器16的燃烧气流（图1中未示出）驱动涡轮机18和20。涡轮机18通过轴26来驱动压缩器14，并且涡轮机20通过轴24来驱动风扇组件12。
图2是根据本发明的示例性实施例并且可用在燃气涡轮发动机10（图1中示出）内的密封齿组件100的透视侧视图。在示例性实施例中，密封齿组件100可与轴（图2中未示出）形成整体，或可形成为独立的组件并且连接至所述轴。如本说明书中所使用的术语“整体地”是指部件是单件和/或形成为单体部件。密封齿组件100包括从所述轴径向向外延伸的多排单独的密封齿102。所述齿沿着所述轴的旋转轴线104轴向间隔开。
每个齿具有预定高度106，对于每个齿来说，围绕所述齿的圆周，所述预定高度106大体上是恒定的。每个齿被配置用于延伸到从壳体（图2中未示出）径向向内延伸的蜂窝状密封部分（图2中未示出）附近或接合所述蜂窝状密封部分。
在操作期间，齿108可与蜂窝体充分摩擦以产生所述齿的失圆区（out-of-roundness），例如，围绕所述齿的圆周，在点到点之间，所述齿的直径可能不是恒定的。或者，齿110可能出现缺口（chip），例如，在所述齿的一小部分脱离所述齿时。在任一这种情况下，由于允许气流通过由失圆区或缺口区产生的间隙逸出，密封齿组件100操作效率较低。
在对失圆区状况，或任何密封齿102的缺口或裂缝进行修复之后，修复过的密封齿112可包括第一径向内齿部分114，其包括与轴形成整体的根部116和从根部116径向向外延伸的远端118。在示例性实施例中，第一部分114由与所述轴的材料相同的金属合金材料形成。在多个实施例中，第一部分114由与所述轴的材料不同的材料形成。在其他多个实施例中，密封齿组件100独立于所述轴形成并且连接至所述轴。密封齿112的第二径向向外的部分120以层叠至远端118上的周向且径向向外延伸的组合式焊接件的形式，使用冷金属过渡（CMT）电弧焊接工艺来形成。在多个实施例中，第一部分114由铬合金钢、镍基合金、钛基合金、铁基合金或其组合形成。在其他实施例中，密封齿112由粉末金属合金形成。
在一些实施例中，密封齿112包括热障涂层，其包括涂敷至密封齿112的表面的粘合涂层122和涂敷在粘合涂层122之上的外涂层（top coat）124。
在这个实例中，使用改进的气体保护金属极电弧焊接（GMAW）工艺、如冷金属过渡焊接工艺来将第二部分120添加至远端118。众所周知，冷金属过渡促进焊滴形成。冷金属过渡还比其他焊接工艺利用更少的热量，从而便于减少回熔和热影响区（HAZ）。可使用自动和手动冷金属过渡焊接工艺两者将另外材料的第二部分120添加至远端118。
图3是用于修复由粉末金属合金构成的燃气涡轮发动机部件、如图2中所示的密封齿102的示例性方法200的流程图。将描述用于与镍合金密封齿一起使用的方法200，所述密封齿通过在发动机内使用已磨损。在示例性实施例中，移除202所述密封齿上的外涂层。在一个实施例中，使用具有氧化铝220粒度介质（grit media）的干磨料喷砂装置（dry abrasive grit blast）来移除外涂层。或者，可使用促进如本说明书中描述的部件的修复的、移除外涂层的任何方法。然后剥开204所述密封齿以移除所述密封齿上的粘合涂层。在一个实施例中，所述粘合涂层包含至少5%的铝。在一个实施例中，使用具有33至50重量百分比的硝酸洗液来移除204所述粘合涂层。或者，可使用促进如本说明书中描述的部件的修复的、移除粘合涂层的任何方法。
在示例性实施例中，在移除204所述粘合涂层之后，将所述密封齿机械加工206至预定高度以促进修复。然后，将酸蚀刻（acid etch）剂涂敷208至准备用于荧光渗透检验（FPI）的部件。在一个实施例中，所述酸蚀刻剂包括氯化铁、蒸馏水和/或去离子水以及盐酸。或者，可以使用使部件准备用于FPI的任何酸蚀刻剂。然后，实施荧光渗透检验以确定210是否存在可能危及所述密封齿的整体性或质量的任何缺陷。在一个实施例中，如果存在大量缺陷，则摒弃212所述密封齿。或者，如果确定210不存在大量缺陷，则清洗214所述密封齿以移除荧光渗透剂。在一个实施例中，使用蒸汽来清洗214所述密封齿。或者，可使用移除荧光渗透剂的任何方法。
在示例性实施例中，焊接216所述密封齿以修复所述密封齿已发生的任何损坏或毁坏。在示例性实施例中，使用冷金属过渡（CMT）电弧焊接来修复所述损坏和/或毁坏的密封齿。在一个实施例中，在焊接216期间，修复和/或复原因使用而磨损的密封齿的多个部分。在这种实施例中，密封齿可返回到其原始大小和形状。或者，可将密封齿修复成具有使得所述密封齿能够如预期起作用的任何预定尺寸。在粉末金属合金密封齿上使用CMT焊接使得密封齿能够具有更长的使用寿命，因为使用其他已知焊接方法难以（如果可能的话）修复和/或复原许多粉末金属部件。
在示例性实施例中，在焊接216之后加热218密封齿。加热218密封齿使得所述密封齿能够释放可能在焊接216期间已经产生的内部压力和/或应力。在一个实施例中，如果密封齿由包含Inconel718的基底材料制成，那么将所述密封齿加热至约1400℉，持续至少1小时，以释放任何潜在的内部压力和/或应力。或者，可将由包含Inconel718的基底材料制成的密封齿加热至1150℉，持续至少2小时，以实现类似所需的效果。在另一个实施例中，如果密封齿由包含Rene88DT粉末的基底材料制成，那么将所述密封齿加热至约1400℉，持续至少2小时，以释放任何潜在的内部压力和/或应力。在另一个实施例中，如果密封齿由包含Rene65的基底材料制成，那么将所述密封齿加热至约1400℉，持续至少2小时，以释放任何潜在的内部压力和/或应力。在又另一个实施例中，如果密封齿由例如Ti6-4的钛基合金（basetitanium alloy）制成，那么将所述密封齿加热至1000℉至2000℉的范围之内，持续至少1小时，以释放任何潜在的内部压力和/或应力。
在一个实施例中，去除220在热处理218期间施加至所述密封齿的任何羿色（discoloration）。在示例性实施例中，使用包括玻璃珠介质的干磨料喷砂装置来去除220羿色。或者，可通过将会大体上去除来自可使用的热处理的羿色的任何工艺来去除220羿色。在示例性实施例中，机械加工222密封齿以使所述密封齿符合预定高度和宽度。
然后，将酸蚀刻剂涂敷224至准备用于第二荧光渗透检验（FPI）的部件。在示例性实施例中，实施第二荧光渗透检验以确定226是否存在可能危及密封齿的整体性或质量的任何缺陷。在一个实施例中，如果存在大量缺陷，则摒弃212所述密封齿。或者，如果确定226不存在大量缺陷，则检验228密封齿，以确保所述密封齿与使得所述密封齿能够在所需条件下起作用所必需的尺寸对应。如果密封齿并不与使得所述密封齿能够在所需条件下起作用所必需的尺寸对应，则摒弃212所述密封齿。
如果确定228密封齿与使得所述密封齿能够执行其预期功能所必需的尺寸对应，则可实施230所述密封齿的最终机械加工，并且然后将粘合涂层和外涂层涂敷232至所述密封齿。在示例性实施例中，使用包括60至120氧化铝粒度介质的干磨料喷砂装置来使所述密封齿准备用于粘合涂层。在喷砂之后，涂敷232粘合涂层和外涂层。在一个实施例中，使用热喷涂来涂敷粘合涂层和外涂层。所述热喷涂可包括将使得部件能够如本说明书中所描述起作用的任何热喷涂，包括（但不限于）等离子体、火焰和电弧。或者，可以使得粘合涂层和外涂层能够充分粘附至部件的任何方式来涂敷所述涂层。
图4是根据本发明的另一个示例性实施例的用于修复由粉末金属合金形成的燃气涡轮发动机部件的示例性方法400的流程图。在这个示例性实施例中，方法400包括：定位402所述部件的损坏区域，移除404所述部件的包括所述损坏区域的一部分而保留所述部件的剩余部分，使所述部件围绕中心轴线旋转408，使用冷金属过渡（CMT）工艺将至少一层材料焊接410至所述剩余部分，和将多余材料从所述部件移除412达到预定尺寸。
所述部件的损坏区域的定位可进一步包括：定位例如所述部件的失圆区或所述部件的缺口区。在密封齿冲击涡轮机壳体或形成密封组件的一部分的蜂窝状材料时，可能出现失圆区。
方法400包括：将多余材料从所述部件移除而达到所述部件的预定外径（outside diameter）。这种移除可能在使用例如研磨或机械加工工艺时出现，并且所述移除配置用于移除齿的径向外部部分至少达到所述齿损坏的水平，以使得焊接复原工艺起始于具有准备好的边缘（对该边缘施加堆焊）的圆齿。
方法400还可以包括：在移除所述部件的损坏区域的同时和在使用冷金属过渡（CMT）工艺将一层或多层焊接件焊接至所述部件期间，使所述部件围绕中心轴线旋转。在多个实施例中，CMT工艺受机器人控制来准确地定位焊接头并且控制到焊接位点的能量传送。密封齿或其他部件可包含粉末金属合金，所述粉末金属合金包括镍基合金、钛基合金或其他合金。方法400进一步包括恢复在修复过程中从部件移除的任何涂层，如将粘合涂层和/或热障涂层涂敷至所述部件。
上文描述的用于修复合金部件、包括粉末金属合金部件的方法为粉末冶金合金部件提供更长的寿命。更确切地说，在已经证明其他焊接技术无效的情况下，修复方法（如上文描述的那些修复方法）允许通过使用CMT焊接技术来修复。因此，上文描述的方法使得粉末金属合金部件在已发生大体上影响部件有效性的磨损之后能够继续使用。
上文详细描述了用于修复粉末金属合金部件的方法的示例性实施例。所述方法并不限于本说明书中描述的具体实施例，而设备的部件和/或方法的步骤可独立于本说明书中描述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述方法可与任何粉末金属合金部件一起使用，并且所述方法的实施不限于仅如本说明书中描述的转子盘的密封齿。另外，上文描述的方法可与任何粉末金属合金一起使用，并且所述方法的实施不限于如上文描述的镍合金。例如，上文描述的方法可与任何粉末金属合金、如镍合金（例如Rene88DT）一起使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出，但并未在其他附图中示出，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征进行参考和/或提出权利要求。
本说明书使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于修复由超合金材料形成的燃气涡轮发动机部件的方法，所述方法包括：
定位所述部件的损坏区域；
准备所述部件的包括所述损坏区域的一部分；
使用冷金属过渡CMT工艺将至少一层材料焊接至所准备的部分；以及
将多余材料从所述部件移除以达到预定尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将多余材料从所述部件移除以达到预定尺寸包括：将多余材料从所述部件移除以达到所述部件的预定外径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中定位所述部件的损坏区域包括：定位所述部件的失圆区和所述部件的缺口区中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中准备所述部件的包括所述损坏区域的一部分包括：使用研磨和机械加工所述部件中的至少一种，来移除所述部件的外周向延伸部分达到小于所述损坏区域的外径的一个外径，以移除所述部件的一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在移除所述部件的包括所述损坏区域的一部分同时，使所述部件围绕中心轴线旋转。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在使用冷金属过渡CMT工艺将至少一层材料焊接至所述剩余部分的同时，使所述部件围绕中心轴线旋转。
7.根据权利要求1所述的方法，其中提供燃气涡轮发动机的合金部件进一步包括提供镍基合金。
8.根据权利要求1所述的方法，其中提供燃气涡轮发动机的合金部件进一步包括提供钛基合金。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：将热障涂层涂敷至所述部件。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使用CMT工艺将至少一层材料焊接至所述剩余部分包括自动控制所述CMT工艺。
11.一种用于修复由粉末金属合金制成的密封齿的方法，所述方法包括：
定位所述密封齿的损坏区域；
从旋转轴移除所述密封齿；
使所述密封齿围绕中心轴线旋转；以及
在所述旋转期间，使用冷金属过渡CMT工艺将至少一层材料焊接至所述密封齿。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：将多余材料从所述部件移除以达到预定尺寸。
13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：移除所述密封齿的包括所述损坏区域的一部分而保留所述密封齿的剩余部分。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：将所述密封齿安装在旋转支撑装置中。
15.一种燃气涡轮发动机密封齿，所述燃气涡轮发动机密封齿包括：
第一径向内齿部分，其包括与所述燃气涡轮发动机的轴形成整体的根部和从所述根部径向向外延伸的远端，所述第一部分包含与所述轴的材料相同的金属合金材料；
所述密封齿的第二径向向外的部分，其以层叠至所述远端上的周向且径向向外延伸的组合式焊接件的形式，使用冷金属过渡CMT电弧焊接工艺来形成。
16.根据权利要求15所述的密封齿，其中所述第一内齿部分由铬合金钢、镍基合金、钛基合金和铁基合金中的至少一种形成。
17.根据权利要求15所述的密封齿，其中形成所述第二部分的材料不同于形成所述第一部分的所述材料。
18.根据权利要求15所述的密封齿，其中所述密封齿包括热障涂层，所述热障涂层包括涂敷至所述密封齿的粘合涂层和涂敷在所述粘合涂层上的外涂层。
19.根据权利要求15所述的密封齿，其中所述密封齿包括机械加工成预定尺寸的密封边缘。
20.根据权利要求15所述的密封齿，其中所述密封齿包含粉末金属合金。
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