CN105408055A - 超合金中空部件的建造和修复 - Google Patents

Abstract

一种建造或修复中空超合金部件的(20，61)方法，通过在所述部件的壁(28)内形成开口(38，62)；使用易消失支撑材料(34，52，54，68)填充在所述开口后方的空腔(22B，64)，以跨所述开口支撑填料粉末(36)；跨填料粉末使能量束(42)穿过以形成跨越并关闭所述开口的沉积物(44)；其中所述沉积物被熔合于所述开口的边缘(32，62)，来建造或修复所述部件。填充材料粉末包括至少金属，并且可以进一步包括焊剂。支撑材料可以包括填料粉末、固体(54)、泡沫(52)插入件、焊剂粉末(34)和/或其他陶瓷粉末(68)。支撑粉末可以具有比所述填料粉末小的筛目尺寸。

Description

超合金中空部件的建造和修复

本申请是2013年8月01日提交的美国专利申请号13/956635，代理人案号2013P12505US的部分继续申请，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及金属接合和添加制造领域，并且更具体地涉及一种用于使用激光热源沉积金属的方法。

背景技术

由于其对焊接凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，超合金材料被认为是最难焊接的材料之一。术语“超合金”如它在本领域通常使用的在本文中被使用；即在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变性能的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超合金通常包括高的镍或钴含量。超合金的例子包括以商标和品牌名出售的合金：哈氏合金，Inconel(铬镍铁)合金(例如IN738，IN792，IN939)，Rene(雷内)合金(例如ReneN5，Rene80，Rene142)，Haynes(海恩斯)合金，MarM，CM247LC，C263，718，X-750，ECY768，282，X45，PWA1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。

图1是示出了作为其铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性的曲线图。诸如的合金，其具有相对较低的这些元素的含量，并必然相对较低的γ'含量，被认为是相对可焊接的。合金例如其具有相对较高的这些元素的含量，被认为是不可焊接的或只可使用上面讨论的特定步骤被焊接，所述特定步骤提高了材料的温度或延展性并且最小化工艺的热输入。为了本文讨论的目的，虚线19表示线19下方的可焊性区域和线19上方的不可焊性区域之间的边界。线19在述轴上与3wt％的铝相交，在横轴上与6wt％的钛相交。在非可焊性区域内，具有最高铝含量的合金一般被发现是最难以焊接的。本发明人已经开发了用于成功焊接这种材料的技术，例如如在美国专利申请公开号US2013/0136868A1和US2013/0140278A1中所描述的，两者通过引用被并入本文。

燃气轮机翼型，旋转叶片和固定轮叶两者，通常通过围绕易消失陶瓷芯铸造超合金材料来制造，所述易消失陶瓷芯然后被去除，以形成冷却室和在叶片内的通道。在铸造过程期间，最好是在根部端和尖端处固定所述芯，用于所述芯的准确定位和稳定。然而，这样的固定妨碍了在初级铸造过程中封闭叶片尖端的铸造。尖端帽必须通过二次加工被建造或完成以封闭由陶瓷芯留下的开口。类似地，服务损坏的叶片尖端的修复可以典型地包括研磨或切断现有尖端和在中空叶片结构上方的适当位置焊接替换尖端帽。其他超合金部件的修复可能要求在中空部件内的开口的封闭。

附图说明

本发明在下面的描述中基于附图进行说明，所述附图示出：

图1是示出各种超合金的相对可焊性的曲线图。

图2是没有帽的涡轮机叶片尖端的顶视图。

图3是沿图2的3-3线截取的涡轮机叶片尖端部分的局部剖视图，其被封闭在帽建造外壳内。

图4示出了穿过填料粉末的激光束，形成具有保护熔渣的覆盖层的金属沉积物。

图5示出了在其上形成帽后的涡轮机叶片的尖端部分。

图6示出了在根据需要加工帽后的叶片的尖端部分。

图7示出了围绕帽的周边形成的声响器(squealer)脊。

图8示出了放置在空腔内作为填料支撑的部分的插入件。

图9示出了在铸造后延伸超出叶片尖端的陶瓷芯。

图10示出了在外壳内的叶片尖端，该外壳用于使用陶瓷芯为填料支撑建造叶片帽。

图11示出了在叶片尖端表面下方加工的陶瓷芯，其为填料支撑粉末留下空间。

图12示出了激光光栅扫描图案。

图13是如上所述其上具有填料粉末和焊剂覆盖层40的叶片尖端20的顶视图。

图14示出了具有同心轨道的重叠组的光束光栅扫描图案。

图15是一部件的剖面图，其具有被本文的工艺的一实施例所封闭的修复开口。

图16是一部件的剖面图，其具有被本文的工艺的另一个实施例所封闭的修复开口。

图17示出了本发明的方法的各方面。

具体实施方式

本发明人已经创造了在中空超合金涡轮机叶片上构建尖端帽或通过跨在部件的空腔内的支撑元件上的开口支撑填充材料来封闭部件中的另一开口，然后使用能量束穿过填充材料以熔融它，从而跨开口形成熔合到开口的边缘的沉积物的工艺。填充材料可以是粉末，其包括金属，并且可以进一步包括焊剂。它由开口后方的易消失支撑元件跨开口被支撑。“易消失”意味着在金属熔融和冷却之后，例如通过机械过程、通过流体冲洗、通过化学浸出和/或通过能够从其位置去除易消失材料的任何其它已知方法可移除。支撑元件可以是粉末和/或设置在开口后方的空腔内的其他形式材料。

示例包括附加的填料粉末和/或焊剂或陶瓷粉末。可替代地，支撑元件可以是放置在空腔中的固体易消失插入件，以支撑中间支撑粉末或直接支撑填料粉末。仍可替代地，支撑元件可以是喷涂泡沫，其膨胀以填充空腔但可使用溶剂来易消失地除去。仍可替代地，支撑元件可以是柔性囊，其可以气动或液压加压以填充空腔，随后放气除去。

能量束，例如激光，跨开口穿过填料粉末，熔融它到期望深度，诸如尖端帽的厚度或被修复的壁的厚度。在冷却时，这跨开口形成固体金属沉积物。支撑元件从空气中屏蔽沉积物的背面。在一个实施例中，支撑元件是一种粉末，它包括或完全由屏蔽焊剂形成。对于外部屏蔽，粉末状焊剂层可以被设置在填充材料上方或焊剂可以与粉末状金属混合以在加热过程中形成熔渣层，该熔渣层能够从大气中保护沉积物。或者，该工艺可在一腔室中进行，并且惰性气体可被引入或真空可以被提供。

图2是没有帽的涡轮机叶片尖端20的顶视图，如可以在现有技术铸造方法中形成的，其中陶瓷芯元件延伸通过铸模以限定中空冷却通道22，22A-D的形状。这种情况在其上建造尖端帽之前出现在新铸叶片上，并在退化的尖端帽被去除用于更换后出现在使用过的叶片上。该叶片具有前缘LE；后缘TE；压力和吸入侧PS，SS。它可以具有前缘冷却通道22和由内部隔板24A-D分离的蛇形冷却通道22A-D，隔板中一些(24A，24C)可以延伸到尖端帽，隔板中的另一些(24B，24D)可以不延伸到尖端帽。它可进一步包括后缘出口通路26。虽然本发明的实施例关于涡轮机叶片被描述，但本发明并不局限于此，并且可以包括其它部件。

图3是沿图2的线3-3线截取的并且被封闭在帽构建外壳30内的涡轮机叶片尖端的外壁28的局部剖视图。叶片可以是在易消失铸造芯被去除并且加工尖端表面32之后被重新浇铸的。可替代地，它可以是去除旧尖端帽用于更换后的用过的叶片。冷却通道被填充有支撑粉末34，并且叶片可以在外壳内由支撑粉末包围达到尖端表面32的水平。在一个实施例中，支撑粉末可以包括或者是焊剂材料。包括金属粉末的填充材料36层覆盖叶片尖端表面32，并在叶片尖端处跨越开口38。焊剂40的层可以覆盖填料粉末36来创建屏蔽熔渣层，该熔渣层热绝缘熔融金属沉积物并从空气屏蔽它。

金属粉末可具有与部件壁28的金属组成相似或相同的组成。可选地，填充材料可以是混合有粒状焊剂或复合金属/焊剂颗粒的粒状金属粉末。焊剂材料可包括例如氧化铝、碳酸盐、氟化物和硅酸盐。相对于一些涡轮机部件，壁28可以由超合金构成，并且填充材料可以包含呈粒状粉末形式的类似超合金组成。

图4示出了激光束42，其跨开口38的穿过填充材料36，并跨开口形成了覆盖有保护熔渣覆盖层46的金属沉积物44。图5示出了在从外壳30移除并且诸如借助在部件的相对端中通过开口排出支撑填料粉末34来去除该支撑填料粉末之后的叶片尖端部分。金属沉积物44被熔合到叶片的壁28，并横跨该开口。图6示出了在根据需要加工沉积物以抛光表面和叶片帽47的边缘之后的叶片的尖端部分。

作为提供焊剂40的覆层(over-layer)的替代或附加，加热过程可在腔室中进行。真空可在腔室中产生以从空气中保护沉积物44。可替代地，惰性气体可被引入到腔室中和/或到空腔22B中，以从空气中保护沉积物。

支撑填料粉末34可包括陶瓷，例如氧化锆，和/或可以包括焊剂材料，例如氧化铝、碳酸盐、氟化物和硅酸盐。如果支撑粉末34具有小于填料粉末36的筛目尺寸，例如小于平均粒径的一半，两种粉末之间的分界线将更尖锐，并且熔融金属将具有更小的流入支撑粉末的倾向，由此在沉积物44上产生更平滑的内部表面。在使用之前，支撑粉末34可以被研磨到所希望的较小的筛目尺寸范围。

图7示出了围绕帽47的周边形成的称作声响器(squealer)尖端48的径向延伸脊。声响器尖端48可通过任何已知的方法形成，或者它可以通过添加和熔融另一层合金粉末36并控制激光42以便以形成声响器尖端48的模式熔融粉末，被形成在外壳30内。声响器尖端可以由与尖端帽46相同或不同的材料形成。例如，声响器尖端可以由更具延展性的合金，诸如IN-625制成。在声响器尖端形成之后，叶片尖端可以被机械抛光。冷却剂出口孔50可被钻孔在叶片帽46和/或叶片外壁28中。可替代地，孔50可以在图4的熔融步骤期间提供激光42的适当控制形成。图6的一些或全部加工可被推迟直到声响器尖端被添加之后。

图8示出了插入件52，其被放置在叶片的空腔内作为支撑元件的一部分以部分地填充空腔，从而减少所需的支撑粉末34的量。它可以被形成为固体，并放置在空腔中，或者可以被形成在或装入空腔中，例如作为泡沫或陶瓷纤维或囊。

图9示出了用于铸造叶片内的剩余部分并在铸造后延伸超出叶片尖端的陶瓷芯54。这种芯可以通过将其加工成与叶片尖端表面32齐平或低于叶片尖端表面来为填料粉末提供支撑元件。图10示出了在外壳30中的所得的叶片尖端，用于如前所述建造叶片帽。芯54然后可通过化学浸出被除去。图11显示了陶瓷芯54，其被加工成低于叶片尖端表面32，以为支撑粉末留下空间。

图12示出了激光光栅扫描图案，其中具有直径D的光束42被从第一位置54移动到第二位置54'，然后到第三位置54"等。并且在该图案中光束与以前的相应位置的重叠部O优选处于D的25-90％之间，以提供材料的最佳加热和熔融，替代地，两能量束可以被同时光栅化以跨表面面积实现期望的能量分布，其光束图案之间的重叠部处于相应光束的直径的25-90％的范围内。

图13是叶片尖端20的顶视图，如上所述其上具有填料粉末和焊剂覆盖层40。激光扫描正在进行中，如通过示例性扫描线60所示。为了清晰起见，之前所示的包围叶片尖端的外壳和粉末在这里被省略。通过改变发射功率和/或光束停留时间和/或重复率和/或重叠百分比，可以改变在扫描区域上每单位面积的激光能量(强度)，以熔融沉积物到期望的深度并将其熔合到叶片尖端壁28及延伸到叶片尖端的顶部表面32的任何隔板24A，24C。能量强度可以在壁32的顶部表面和隔板上，相对于在叶片空腔上的较低强度被增加，以将填料沉积物熔合到顶部表面。

图14示出了束扫描图案，其中能量束跟随围绕第一中心C1的第一组同心轨道56A，56B，56C，然后跟随围绕第二中心C2的第二组同心轨道58A-C，并可以继续跟随围绕连续中心C3-C6的附加组同心轨道。每一组同心轨道可以包含至少2个同心轨道，或至少3个，并与同心轨道的相邻一组或多组重叠。例如，重叠部可以是每一组的最大轨道的直径的大约1/3。此图案在有限的区域内提供可控的多程停留时间，而表面上没有热点，从而允许取得所期望的均匀熔融深度。它减少了对完善如图13的平行线光栅图案60的需求，以在金属沉积物上保持长的横向熔体前沿。光栅图案60或另一扫描图案可以在具有或不具通过图14的同心轨道组的增强的情况下使用。

图15是部件61的剖视图，其开口62已在壁28内被制出以除去壁的退化部分。部件的空腔64填充有支撑元件，例如支撑粉末34或如前所述的插入件。填料粉末36溢出开口，以在熔融期间允许减少到与开口平齐或高于开口的最终沉积水平。

加工可以被用于在如前所述除去熔渣层后抛光外表面。

图16是部件61的剖视图，其开口62已在壁28内被制作出以除去壁的退化部分。部件的空腔64填充有支撑元件，例如泡沫插入件52，在开口62下方具有包含支撑粉末诸如陶瓷粉末68的空间或凹陷。包括金属粉末和焊剂粉末的填料粉末36溢出开口，以允许在熔融期间减少到与开口平齐或高于开口的最终沉积水平。它可以由围绕开口的容纳环或框架70构成边界。陶瓷粉末可以具有小于填料粉末36的筛目尺寸，例如小于填料粉末的筛目尺寸的一半，以减少将金属粉末排到支撑粉末中并减少熔融金属到支撑粉末的浸透。加工可以被用于在如前所述除去熔渣层后抛光外表面。

图17示出了本发明的一个实施例的方法80的各方面，其包括以下步骤：

82-铸造没有叶片尖端帽的超合金涡轮机叶片；

84-在叶片的空腔内放置支撑元件；

86–在支撑元件上跨叶片尖端支撑添加剂填充材料；

88-使能量束跨填充材料穿过以熔融填充材料，从而形成跨叶片尖端熔合到叶片尖端壁的超合金帽；和

90-经由添加剂焊接围绕帽的周边建造径向延伸的声响器脊。

在本文的工艺中使用的能量束42可以是激光束或其它已知类型的能量束，例如电子束、等离子束、多激光束等。具有广泛区域的束可以由二极管激光器来制造以降低强度，减少热梯度和开裂效应。

在填料粉末36和/或焊剂覆层40中包含焊剂，产生了从大气中屏蔽熔融材料和凝固的热修复沉积材料44的熔渣层46。熔渣浮动到表面，从大气中分离熔融的或热的金属，从而避免或最小化昂贵的惰性气体的使用。熔渣也充当热覆盖层，其允许凝固的材料缓慢而均匀地冷却，从而减少可以促进焊后的再热或应变时效裂纹的残余应力。在填料粉末中的焊剂提供清洁效果，其去除有助于焊接凝固裂纹的痕量杂质，诸如硫和磷。这种清洁包括金属粉末的脱氧。由于焊剂粉末与金属粉末的紧密接触，其在完成此功能上特别有效。焊剂覆层可以提供能量吸收和捕获以更有效地将激光束转换成热能，从而有利于热输入的精确控制，和在处理过程中材料温度所得到的控制。焊剂可被配制为补偿挥发元素在处理过程中的损失或积极贡献否则由金属粉末提供的添加剂元素到沉积物。

虽然本发明的各种实施例已经被示出和描述，但显然，这些实施例仅通过示例的方式被提供。许多变化、改变和替换可以作出而不脱离本发明。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

在部件的壁中在开口下方的所述部件的空腔内设置支撑元件；

在所述支撑元件上跨所述开口支撑包括金属粉末的填充材料；

将热施加到所述填充材料以跨所述开口熔融所述填充材料；

使熔融的填充材料凝固，以跨所述开口形成金属沉积物；以及

去除所述支撑元件和任何未消耗的填充材料。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在超合金燃气涡轮机叶片的空腔内设置所述支撑元件，其中所述开口处于所述叶片的尖端处，并且其中所述金属沉积物形成叶片尖端帽。

3.如权利要求2所述的方法，还包括通过添加剂焊接围绕所述尖端帽的周界形成径向延伸的声响器脊。

4.如权利要求1所述的方法，还包括移除所述壁的磨损部分以形成所述开口，所述沉积物跨所述开口形成修复。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述壁由超合金材料制成，并且所述填充材料包括超合金和焊剂材料的组分。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述壁由超合金材料制成，所述金属粉末包括超合金材料的组分的第一子集，并且所述填充材料还包括焊剂粉末，所述焊剂粉末包含所述超合金材料的组分的第二子集。

7.如权利要求1所述的方法，还包括通过使激光束跨所述填充材料穿过来施加热量，以及控制所述激光束以熔融所述填充材料到对应于所述壁的厚度的深度。

8.如权利要求1所述的方法，还包括通过在所述填充材料上方光栅扫描所述激光束来施加热量，在所述激光束通过所述壁的边缘时增加光束强度以足以将所述沉积物熔融到所述壁，并在所述激光束通过所述空腔时，相对于通过所述壁的边缘的强度降低所述光束强度。

9.如权利要求1所述的方法，还包括在施加热量之前使用焊剂层覆盖所述填充材料；以及在所述沉积物凝固之后从所述沉积物除去熔渣层。

10.如权利要求1所述的方法，还包括通过至少部分地使用焊剂粉末填充所述空腔而形成所述支撑元件来跨所述开口支撑所述填充材料。

11.如权利要求1所述的方法，还包括通过至少部分地使用陶瓷粉末填充所述空腔而形成所述支撑元件来跨所述开口支撑所述填充材料。

12.如权利要求1所述的方法，还包括通过至少部分地使用易消失材料填充所述空腔而形成所述支撑元件来跨所述开口支撑所述填充材料，以及在所述沉积物凝固后去除所述易消失材料。

13.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述空腔内设置易消失材料，使得在所述易消失材料和所述开口之间存在凹陷；

使用支撑粉末填充所述凹陷，所述易消失材料和所述支撑粉末形成所述支撑元件；

在所述支撑粉末上跨所述开口支撑所述填充材料；以及

在所述沉积物凝固后去除所述易消失材料和所述支撑粉末。

14.如权利要求1所述的方法，还包括通过使能量束以一系列同心轨道的重叠组跨所述开口穿过来施加热量。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述能量束是激光束，并且还包括使所述激光束以多组同心圆形轨道穿过，每组均包括至少3个同心圆形轨道，并且每组与相邻组重叠相应重叠组的圆形轨道中的最大的直径的至少1/3。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述支撑元件被形成为具有小于所述金属粉末的筛目尺寸的一半的筛目尺寸的粉末。

17.一种方法，包括：

在部件的壁中在开口下方设置粉末支撑材料；

使用由所述粉末支撑材料支撑的填料粉末跨越所述开口，所述粉末支撑材料包括比所述填料粉末更小的筛目尺寸；

使能量束跨所述填料粉末穿过以跨所述开口熔融所述填料粉末并将它熔合到所述壁开口的边缘；以及

使熔融的填料粉末凝固以跨所述开口形成沉积物，其中所述沉积物被熔合到所述壁。

18.如权利要求17所述的方法，还包括以一系列同心轨道的重叠组使所述能量束穿过。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述部件是超合金燃气涡轮机叶片，并且所述开口是形成在其中的冷却通道空腔的部分，所述方法还包括：

在所述开口下方在所述空腔中设置粉末焊剂材料；

使用由所述焊剂材料支撑的超合金粉末跨越所述开口；

使用焊剂粉末层覆盖所述超合金粉末；

跨所述开口使激光束穿过，以跨所述开口形成由熔渣层覆盖的超合金材料的沉积物；以及

从所述空腔去除所述焊剂材料和去除所述熔渣。

20.一种方法，包括：

从损坏的燃气涡轮机部件上去除材料以露出穿过所述部件的壁进入冷却通道空腔的开口；

在所述开口下方在所述冷却通道空腔中设置支撑材料；

使用由所述支撑材料支撑的合金粉末覆盖所述开口；

跨所述合金粉末使激光束穿过以跨所述开口熔融所述合金粉末并将它熔合到所述壁开口的边缘；

使熔融的填料粉末凝固，以跨所述开口形成密封；以及

从所述冷却通道空腔移除所述支撑材料。