CN104284752B - 定向凝固合金的修补 - Google Patents

Abstract

一种以外延方式向定向凝固部件(30)的处理表面(38)上增加修补材料的方法。所述部件放置在流化床(34)中，在激光能量(36)以光栅方式投射到处理表面上的同时，修补材料微粒流动到表面上，从而熔化这些微粒，并使修补材料同时熔合到整个表面上。随着向表面增加材料，所述部件沿平行于部件中的晶粒取向的方向在流化床中向下方(39)移动，从而实现以外延方式连续不断地向表面增加材料，而不会发生重结晶。

Description

定向凝固合金的修补

本专利申请要求于2012年5月11日提交的美国临时专利申请61/645,800的权益。

技术领域

本发明总体上涉及材料领域，尤其涉及定向凝固合金的修补。

背景技术

为了实现高温、高应力机械应用(例如燃气涡轮发动机)，需要开发镍基和钴基高温高强合金。由这种合金制成的部件可以铸造为等轴结构(随机多晶结构)、柱晶结构(晶粒平行于主应力轴线形成)、或单晶结构(无晶界)。柱晶和单晶结构是通过在铸造过程中使熔融合金材料有方向性地凝固而形成的，对于某些应用，这种结构具有性能优势。

为了节省开支，可取的办法是对定向凝固高温合金部件进行修补，而不是整体更换。但是，修补这种材料比较困难，因为修补过程可能破坏下层晶体结构的方向性，从而削弱部件的强度。

美国专利US8,141,769揭示了一种定向凝固材料的修补工艺，其中，在不会使下层基底材料的晶体结构发生变化的足够低的温度下在修补区域中敷设焊料，并诱发温度梯度，从而在焊料材料中产生定向凝固晶粒结构。虽然这种工艺能保护下层晶粒结构，但是它仅限于宽度为1-1000微米的局部修补。而且，焊料中必须有低熔点成分，这限制了可用于进行修补的材料的选择。

美国专利US7,784,668揭示了一种使用预成形修补材料的方法，该材料熔化并凝固到定向凝固基底上，从而随基底材料晶粒择优结晶和取向。但是，由于熔融添加材料的流动性和表面张力的限制，必须限制预成形型材的厚度。为了实现较厚的修补，必须按一系列重复的步骤顺次地使用多块预成形型材，或者必须使用容器或模具来支撑处于熔融状态的修补材料。

对于燃气涡轮发动机的高温合金翼片，最常用的修补方法是通过焊接或熔敷工艺在翼片基材表面上递增地沉积多层修补材料。所选择的修补材料必须与基底材料相配，或者具有类似的高温特性。这种熔敷修补可通过利用金属丝作为焊补材料的气体保护钨极电弧焊(GTAW)来完成，对于热量较低的应用，可使用通常利用粉末材料作为焊补材料的微等离子体电弧焊(PAW)或激光焊(LBW)来完成。人们开发了此技术的多种变化形式，包括对基材进行焊前热处理调节、提高基材的预热温度、以及进行焊后热处理，例如高温等静压(HIPing)。但是，这种焊接过程不能复现下层基材的显微结构，因此不能产生与原部件中实现的材料性质相当的材料性质。

附图说明

下面将参照附图详述本发明。在附图中：

图1是采用现有技术的层敷工艺修补的定向凝固部件表面的显微照片；

图2是在现有技术的层敷修补过程中表面的熔池区的示意图；

图3是采用本发明的一个实施例的修补工艺修补的燃气涡轮叶片的示意图；

图4是图3所示的叶片的俯视图；

图5是表明基材熔化与移动速度和功率密度的关系的数据曲线图。

具体实施方式

图1是典型的现有技术焊接熔敷修补的结果的显微照片，其中示出了在定向凝固基底材料14的表面12上沉积的多层覆层区10。在覆层区10的最下部分16中，以黑线突出示出了基材晶粒的定向凝固外延。但是，这些晶粒在经过数层覆层之后终止，并被覆层区10的最上部分18覆盖，在最上部分18中发生了重结晶，并且晶粒不再定向凝固。本发明人认识到，这是在覆层过程中发生的局部凝固方向的结果。图2是说明这种发生方式的示意图。

图2是覆层材料的熔池20沿定向凝固基材24的表面22前进的剖面图。基材24的晶粒沿基材晶粒轴线26按大致垂直于表面22的方向生长，但是，由于熔池20的移动(在图2的示意图中是从左向右移动)，熔池材料沿凝固轴线28凝固的实际发生方向从基材晶粒的方向稍稍倾斜一个角度A。如果凝固轴线方向28相对于基材晶粒轴线26不过分倾斜，那么基材晶粒会以外延方式(具有相同的结晶取向)伸入覆层材料中。基材晶粒可能在这些层中的第一和第二层中发展一段距离，如图1所示。但是，后续层的重复处理会不可避免地遇到更优的晶粒生长方向，因为凝固的持续方向与下层显微结构成一个角度，并且其它晶粒取向会择优到凝固方向28。其结果是，定向凝固或单晶显微结构不再发展，而重结晶发生作用，如图1的覆层区10的最上部分18中所示。对于易发生裂纹的合金，例如牌号为MAR-M-247或CM247的镍合金，随着这种显微结构变化，沉积层开始出现裂纹。发生这种现象是因为这种复杂的显微结构中的析出物在新取向的晶界处产生应力，从而引起微裂纹。

认识到沉积在定向凝固基底材料上的多层覆层的重结晶的原因，本发明人创新性地开发了一种修补定向凝固铸造材料的改进工艺。该改进工艺能保护下层基材的定向凝固显微结构，使定向凝固显微结构延展到修补材料中，并且对待增加的定向凝固修补材料的厚度基本上没有限制，从而克服了现有技术工艺的限制。

图3是本发明的一个实施例的示意图，其中，以正视图示出的定向凝固(单晶或柱晶)燃气涡轮叶片30正在经历材料添加过程，以修补其凹槽状叶顶(squealer tip)32。术语“凹槽状叶顶”在业界中用于描述叶片材料沿叶片30的外缘延伸的部分，如图4所示。图4中的叶片30的俯视图示出了凹槽状叶顶32的位置和几何形状，并隐去了图3中的其它结构。在燃气涡轮发动机的工作过程中，凹槽状叶顶在与叶片周围的围带断续碰触时发生损耗。对凹槽状叶顶的修补通常涉及去除破损材料，然后通过材料添加过程重构新的叶顶。在图3所示的本发明的实施例中，叶片30浸没在修补材料粉末的流化床34中。流化床34使粉末流动到凹槽状叶顶32的整个顶面处理区上，同时激光能量36施加于整个处理区，以熔化粉末，并在连续激光熔铸过程中把粉末熔合到下层叶片表面38上。在此实施例中，向流化床34供送粉末的速度等于粉末在该过程中的消耗速度，因而粉末层的高度保持基本恒定。随着凹槽状叶顶32向上生长，叶片30向下移动并移离激光能量36的能量源(如箭头39所示)，从而当前处理表面基本保持竖向不变，并且粉末在处理平面上的流动是恒定的。因此，随着凹槽状叶顶32的生长，粉末以连续方式熔化和熔合。激光能量36的施加可通过根据需要使激光束在两个维度上快速扫描或以光栅方式投射来实现，以加热整个处理表面(即，如图4所示的凹槽状叶顶32的整个顶面区)。这样，通过沿平行于原铸件凝固轴线40(叶片基材晶粒取向)的方向39移动叶片30，能够有效地实现热传导和凝固，使基材的显微结构以单轴、外延的方式扩展，而不会发生重结晶。通过利用惰性气体(例如氩气)作为流化床34中的搬运流体，还能保护叶片30和熔融表面38，防止其发生不应有的气氛反应，例如氧化和氮化。整个处理界面同时处于精确地沿原铸造方向的连续熔化和凝固条件下，而不是通过与基材的晶粒取向成某个角度的累进多次固化步骤在其表面上递增地重构，因而能够复制基材的显微结构，并使复制的基材显微结构扩展至任何所需的厚度。

为了实现如图3所示的连续激光熔铸，需要很高的激光功率。图4示出了在裸钢基材上实现的表面熔化与移动速度和激光功率密度的关系的曲线图。在外推到较低的移动速度时，能够发现，约1千瓦/平方厘米的激光功率密度能够在基本上为零的移动速度下实现熔化，而这就是上述的单轴激光熔铸过程。随着粉末的增加，表面反射造成的能量损失会从图5所示的结果减少，因为粉末是众所周知的有效的激光吸收物质。由于激光束的耦合会更高效，因此预计能够以0.6千瓦/平方厘米的较低功率密度使粉末熔化并熔合到基材上。如果基材经过预热，那么预计维持熔化所需的功率密度会更低，甚至可低至0.4千瓦/平方厘米。在这种功率密度级别上，可使用商售的8千瓦激光功率源来处理20平方厘米的修补区。这个尺寸比典型燃气涡轮叶片平台的修补尺寸要大，几乎和典型燃气涡轮叶片的凹槽状叶顶32的顶面区相等。现在已经有更高功率的激光器，例如，爱迪生焊接研究所展示了使用一种采用纤维激光器并且功率等级高达10千瓦的多边形光学扫描仪进行除漆的情况。可以把高功率二极管或二氧化碳激光器与集成光学器件或扫描光学器件结合使用来代替光栅式纤维激光束，其中，接触激光能量的处理区的形状由光学器件和/或遮罩控制，以露出同时承受激光能量的整个处理区。

本发明的优点是，对于任何形状的修补区，本发明能使定向凝固显微结构在高温合金材料中以外延方式扩展到无限制的深度，同时能避免重结晶和开裂。与采用多道次处理方式的工艺相比，本发明所需的时间也较短，并且能避免各道次之间的温度限制和各道次之间的清理问题。不需要对被修补的部件进行复杂的操控，因为激光束光栅在处理表面上分布功率，唯一需要的其它运动是使部件相对于激光束竖向位移。

实施本发明的设备可包括：使材料34的微粒在基材30的处理表面上移动的装置；在整个处理表面上施加能量36的装置，该装置能够有效地熔化材料并使材料以外延方式同时熔合到整个处理表面上；以及使基材和移动材料微粒的装置之间实现有效的相对运动39的装置，该装置用于保持以外延方式连续不断地向基材增加材料的条件，直到增加的材料达到所需的厚度。用于实现相对运动的装置可以是电机驱动的平台，或者是工装领域的技术人员所熟知的其它机械装置。

虽然本发明在上文中是通过各种实施例来展示和说明的，但显而易见的是，这些实施例仅是示例性的。在不脱离本发明的精神的前提下，能够进行无数的变更、更改和替换。例如，可通过除流化床之外的其它装置把粉末移动到处理表面上，例如采用使基材振动的振动器系统，或者采用容纳微粒的容器，或者通过施加声能、电能或磁能使微粒移动，利用喷撒系统等。可在增加材料之前或之后通过业界所熟知的任何过程对部件进行调节或加热。可以对部件的两侧进行保温，以便更精确地仿真部件在其原铸造过程中所承受的加热条件。在不同应用中，可以使用不同粒度的粉末，使微粒的运动和处理结果达到最佳。随着修补的进展，粉末物料和/或粒径范围可保持不变，也可适当变化。可以采用微粒源、部件和能量源的任何组合，使这些构件彼此相互运动，以保持连续不断的熔化/熔合条件，并使凝固表面保持垂直于晶粒朝向的方向并平行于晶粒朝向移动，而不是使部件在配有固定激光能量源的固定流化床中向下移动。最后，可以使用除激光能量之外的其它能量，例如电磁能或声能，只要该能源能够在整个处理区上连续不断地加热和熔化粉末。

因此，本发明仅受所附权利要求书的精神和范围的限定。

Claims (19)

1.一种以外延方式向定向凝固基底材料的表面增加修补材料的方法，包括如下步骤：

向基底材料的整个处理表面连续不断地供应修补材料微粒；

在整个处理表面上施加能量，从而在连续熔化和凝固条件下，而不是通过累进多次固化步骤在表面上递增地重构，有效地熔化修补材料，并使修补材料以外延方式同时熔合到整个处理表面上，使得熔化微粒的凝固过程界面沿平行于基底材料的晶粒取向的方向前进；和

使修补材料微粒的连续供应源、能量源、以及基底材料之间实现有效的相对运动，以保持在凝固过程界面处以外延方式连续不断地增加修补材料的条件，直到增加的修补材料达到所需的厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述连续供应地修补材料微粒的步骤包括把基底材料布置在修补材料微粒的流化床中。

3.如权利要求2所述的方法，还包括使用惰性气体作为流化床中的搬运流体。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述连续供应地修补材料微粒的步骤包括通过播撒方式敷设修补材料微粒。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述连续供应地修补材料微粒的步骤包括振动基底材料。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述连续供应地修补材料微粒的步骤包括把基底材料布置在修补材料微粒的流化床中，并振动流化床。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述施加能量的步骤包括以光栅方式向整个处理表面投射激光束。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述施加能量的步骤包括通过光学器件把激光能量同时导引到整个处理表面上。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述实现有效的相对运动的步骤包括在修补材料微粒的流化床中使基底材料相对于微粒表面降低。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：使用惰性气体作为流化床中的搬运流体。

11.如权利要求1所述的方法，用于向由定向凝固高温合金材料构成的燃气涡轮叶片的凹槽状叶顶上增加材料。

12.一种用于修补燃气涡轮发动机的定向凝固部件的方法，包括如下步骤：

把所述部件布置在修补材料微粒的流化床中；

开动流化床，使修补材料微粒流到部件的修补表面上；

以光栅方式在整个修补表面上投射激光能量，以在连续熔化和凝固条件下，而不是通过累进多次固化步骤在表面上递增地重构，熔化微粒，并使微粒以外延方式同时熔合到整个修补表面上，使得熔融微粒的凝固过程界面沿平行于所述部件的晶粒取向的轴线前进；和

随着凝固过程界面的前进，在流化床中沿轴线向下移动所述部件，从而使晶粒显微结构在所述部件上连续不断地以外延方式扩展。

13.如权利要求12所述的方法，用于修补燃气涡轮叶片的凹槽状叶顶。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：使用惰性气体作为流化床中的搬运流体。

15.一种以外延方式向定向凝固基材的表面增加材料的方法，包括：

使所述材料的微粒在基材的处理表面上移动；

在整个处理表面上施加能量，从而在连续熔化和凝固条件下，而不是通过累进多次固化步骤在表面上递增地重构，有效地熔化所述材料，并使所述材料以外延方式同时熔合到整个处理表面上；和

有效地保持基材相对于材料微粒和所施加的能量的位置，以保持外延方式连续不断地向基材增加所述材料的条件，直到增加的材料达到所需的厚度。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：在流化床中移动材料微粒，使材料微粒流到处理表面上。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：随着向基材增加所述材料，在流化床中降低基材，从而保持处理表面相对于流化床中的微粒表面的位置。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：通过以光栅方式连续不断地向处理表面上投射激光束来施加能量。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：使用惰性气体作为流化床中的搬运流体。