CN105431250B - 通过粉末合金和焊剂材料添加的超合金部件修复 - Google Patents
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Abstract
通过沉积多层(22，24，26，28)添加剂超合金材料来修复或制造超合金部件(50)的方法，所述添加剂超合金材料具有不同于下面的原始超合金材料(30)的选择。在原始材料和添加剂材料之间被改变的性质例如可以是材料组成、晶粒结构、主晶轴、晶界增强剂和/或孔隙率。当相比于原始材料时，由添加剂材料形成的部件的区域(60)将显示出改进的性能，例如更大的抗裂性(58)。
Description
本申请是2013年11月05日提交的共同未决美国专利申请号14/071774(代理人案卷2013P14584US)的部分继续申请。本申请也是2013年12月31日提交的共同未决的美国专利申请号14/144680(代理人案卷2012P28296US01)的部分继续申请，其继而又要求提交日为2013年1月31日的美国临时专利申请号61/758795(代理人案卷2012P28296US)的权益。本申请也是2013年8月1日提交的共同未决美国专利申请号13/956431(代理人案卷2013P03470US)的部分继续申请，该13/956431继而是2013年1月31日提交的美国专利申请号13/755098(代理人案卷2012P28301US)的部分继续申请，该13/755098继而是2011年1月13日提交的美国专利申请号13/005656(代理人案卷2010P13119US)的部分继续申请。
技术领域
本发明一般涉及材料技术领域，更具体地涉及材料添加方法，并且在一个实施例中涉及用于对超合金部件执行基于功能的修复的方法。
背景技术
认识到，由于对焊接凝固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”如其在本领域通常使用的那样在本文中被使用，；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，铬镍铁合金(例如IN738，IN792，IN939)，雷内(Rene)合金(例如Rene N5，Rene 80，Rene 142)，海恩斯合金，Mar M，CM247LC，C263，718，X-750，ECY 768，282，X45，PWA 1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。
已知的是，利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)熔融一薄层超合金粉末颗粒到超合金基底上。在激光加热过程中，通过施加惰性气体，例如氩气，将熔池从大气屏蔽。这些工艺往往捕获氧化物(例如铝和铬的氧化物)，这些氧化物附着在沉积材料层内的颗粒表面上，从而造成孔隙率、夹杂物，和与被捕获氧化物相关的其他缺陷。后处理热等静压(HIP)经常被用来去除这些空隙、夹杂物和裂纹，以改善沉积涂层的特性。由于预先放置粉末的要求，这些方法的应用还仅限于水平表面。
激光微熔覆是3D工艺，其通过使用激光束来熔融被朝向表面引导的粉末流在表面上沉积小的薄材料层。该粉末通过气体的喷射朝向表面被推进，并且当粉末是钢或合金材料时，所述气体是氩气或其它惰性气体，其从大气的氧气中屏蔽熔融合金。激光微熔覆受到其低沉积速率，例如1至6cm3/hr的量级的速率限制。此外，因为保护氩气屏蔽趋于在熔覆材料被充分冷却之前消散，在沉积表面上可能会发生表面氧化和氮化，当需要多层熔覆材料以实现期望的熔覆厚度时，这是有问题的。
图1是一个常规的曲线图，其示出了作为其铝和钛含量的函数的各种超合金的相对焊接性。合金如(铬镍铁合金)IN718，其具有相对较低的这些元素的含量，并必然具有相对较低的γ'含量，被认为是相对可焊接的，虽然这种焊接通常被限制到部件的低应力区域。合金例如铬镍铁合金IN 939，其具有相对较高的这些元素的含量，焊接困难得多。虚线10表示可焊性区域的可识别上边界。线10在竖轴上与3wt％的铝相交，在横轴上与6wt％的钛相交。在可焊性区域以外的合金被认为是使用传统工艺非常难以焊接的，具有最高铝含量的合金一般被发现是最难以焊接的，如箭头所示。
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是常规的曲线图，其示出了各种超合金的相对焊接性。
图2是经历材料添加工艺的超合金部件的剖面图。
图3是燃气涡轮机叶片的透视图。
具体实施方式
服务运行的超合金燃气涡轮部件的修复传统上被高合金材料的焊接修复的困难所限制。美国专利申请公开号US 2013/0136868 A1，其通过参考被引入本文，公开了用于沉积否则难以焊接的超合金材料的改进方法。这些方法包括粉末状超合金材料连同粉末状焊剂材料的激光熔融以形成在保护熔渣层下方的熔池。除了从大气保护熔融合金材料，该熔渣执行清洁功能。在凝固凝固时，熔渣被从新沉积的超合金材料移除以露出无裂纹表面。这样的方法已被证明即使对于超出图1所示的传统可焊接性区域以外的超合金材料也是有效的。
本发明人现在通过公开方法来延伸在美国专利申请公开号US2013/0136868A1中所描述的能力，其中添加剂超合金材料被沉积到原始超合金材料上，使得该添加剂超合金材料具有不同于原始超合金材料的对应特性的特性。在原始材料和添加剂材料之间改变的性质作为非限制性示例，可以是材料组成、晶粒结构、主晶轴、晶界强化和/或孔隙率。此外，添加剂材料本身可以具有贯穿其体积的变化特性，添加剂材料的全部或仅部分不同于原始超合金材料。在下面更全面描述的一些实施例中，添加剂材料的性质可被选择为响应于所得到的组件可被设计以工作的预期环境。
图2是超合金部件20的局部剖面图，该超合金部件可以是燃气涡轮发动机的热气体路径部件，例如诸如叶片，轮叶或燃烧器喷嘴或燃烧器。部件20被示为经历材料添加工艺，其中多层添加剂超合金材料22，24，26，28已经被沉积在原始超合金材料30上。应该理解，原始超合金材料30可以是制造部件20的原始铸造材料，或者它可以是在先前修复或制造步骤期间被添加到部件20中的材料层。
图2示出在例如通过类似于在美国专利申请公开号US 2013/0136868 A1中所描述的工艺被沉积到先前沉积的层26上的过程中的添加剂超合金材料层28。在本实例中，混合的粉末状超合金材料和粉末状焊剂材料的层32已被沉积在层26上并正被在箭头36的方向上横穿过层32的能量束，例如激光束34熔融。激光束34熔化粉末以形成熔池38，其中熔渣材料层40浮动以覆盖添加剂超合金材料层28。熔池38在使激光束34横穿之后冷却并凝固。熔渣层40然后通过任何方便的方法，例如喷砂处理，被去除(未示出)，以露出添加剂超合金材料28的新表面42。
如上所述，由于这种材料开裂的倾向，用于超合金部件的现有技术的修复技术在其材料的选择上被约束。本发明人已经认识到，现在能够修改添加剂超合金材料的性质，以便改进或优化所得部件的性能特征。例如，在图3所示的燃气涡轮机叶片50中，局部热气体路径环境和在叶片50的材料中的应力水平在燃气涡轮发动机(未示出)的叶片使用期间，将跨叶片50的根部分52、平台54和尖端区域56而变化。通过控制诸如示于图2的材料沉积工艺，本发明人现在能够提供一种例如诸如通过在尖端区域56内提供更多耐氧化性，和在平台54处提供更多耐腐蚀和耐侵蚀性，响应于这种变化的工作条件的修复。在叶片50的原始制造期间或在修复期间，其中在原始(通常是铸造)超合金材料中服务诱发的裂纹58被去除，并且裂纹的材料被具有不同于原始超合金材料的对应性质的性质的添加剂超合金材料所替代，这种改进可以被实现。叶片平台54的区域60被示为已被以这样的方式修复，与原始制造叶片相比时，被修复叶片50现在能够在操作过程中提供改进的性能(例如裂纹发生前的小时数，或耐侵蚀或耐腐蚀性等)。
如果设想图3的区域60是使用如图2所示的工艺修复的，则添加剂材料的组成，诸如图2中的层22，不同于原始超合金材料30的组成。另外，跨添加剂材料的体积也可能存在组成变化，诸如当最上面的添加剂材料层26，28具有不同于最下面的添加剂材料层22，24的组成时。跨添加剂材料体积的组成变化可以替代地或附加地在单层内，例如通过改变跨层26的表面的沉积的粉末状材料层32的组成来实现。这种变化可以通过改变粉末状合金材料、粉末状焊剂材料或两者的组成来实现。例如，添加的粉末状铝可以被包括在期望更高的耐氧化性的区域内。并且随着铝含量增加以及所得的超合金变得更容易开裂，如图1所示，粉末状焊剂材料的组成可以，例如通过包括更多的清除元素以降低在所得的添加剂合金中的杂质而变化。
在其他实施例中，添加剂超合金材料22，24，26，28的晶粒结构可能不同于原始超合金材料30的晶粒结构。这可以通过控制熔池38的凝固过程实现。例如，原始超合金材料30可以被传统地铸造成具有等轴晶粒结构。但是，为了提高其沿预定轴线的强度，可能期望控制沉积的添加剂材料层22，24，26，28的熔化、冷却和凝固步骤，以在添加剂材料中形成定向凝固的晶粒结构。在图2的图示中，激光束36的运动方向在方向36上，可以理解的是，熔池38主要由下面的合金材料冷却，而且所产生的晶粒生长方向将是大致垂直的。然而，由于运动方向，晶粒生长方向将不完全垂直于下面的表面，而是偏离垂直倾斜几度。由于倾斜趋于随着多个层22，24，26，28被施加积累，该材料将趋于形成等轴晶粒结构。认识到这种现象，本发明人例如通过在层之间使运动方向交替180度，控制从一层到另一层的凝固条件和运动方向36，以在所得到的总添加剂材料体积31内维持定向凝固晶粒结构。通过借助冷却板、加热器控制加热和凝固变量和激光工艺控制，可以在任何原始材料的晶粒结构上实现任何期望的添加剂材料晶粒结构，包括控制定向凝固添加剂超合金材料的主晶轴不平行于定向凝固原始超合金材料的主晶轴。
其他实施例可以包括控制材料添加工艺，使得添加剂超合金材料的孔隙率不同于原始超合金材料或添加剂材料体积的其它部分的孔隙率。这例如可以通过在粉末状材料层32内包括易挥发或中空颗粒来实现。因而，热传导系数、热膨胀系数、材料的硬度或磨损性质可以被改变，并且可以通过石墨颗粒的选择性添加进一步被改变。又一示例包括例如通过在沉积过程中硼的添加来局部加强部件的一部分的晶界。
当与平台54的剩余部分内的周围原始超合金材料相比时，图3的燃气涡轮机叶片50的修复的区域60的热膨胀系数的局部增加，将导致当叶片50被加热时，区域60比周围材料更膨胀。其结果是，当叶片50被恢复到燃气涡轮发动机内的升高工作温度环境时，原始超合金材料的相邻区域62(其可能是重要的，否则容易发生裂纹)和添加剂超合金材料，将经历压缩力。所得的压缩应力将倾向于在随后的运行过程中，减轻在修复区域60和在其周围材料62内的裂纹58的再次发生。在平台54的至少顶部100微米的厚度内热膨胀系数的局部增加在减轻服务诱导裂纹的形成和生长方面可能是特别有用的。在一个实施例中，由合金IN939形成的叶片可以具有由合金825形成的修复区域60。合金939具有14.0in/in/K的热膨胀系数，而合金825具有17.1in/in/K的热膨胀系数。当叶片50被恢复服务时，在工作温度下所得到的热生长差异将倾向于在区域60及其周围材料内形成压缩应力。
用于超合金燃气涡轮机部件的修复管理现在可包括在从服务运行燃气涡轮发动机的工作环境移除部件时，评估原始超合金材料的性能的步骤。如果评估识别出部件的服务限制区域，有可能识别具有不同于原始超合金材料对应性质的性质的超合金，这将在发动机内提供具有改进的性能的部件。可能的是，这样的材料可具有在图1中的线10上方的组成。在部件的修复过程中，这样的材料可以作为添加剂材料使用例如如图2所示的工艺被应用，代替的原始超合金材料，或更换部件可以被如此制造。修复或更换的部件然后可用于在燃气涡轮发动机的操作环境下的进一步服务。
在另一个实施例中，燃气涡轮发动机燃烧器可以被修复或制造以具有带超合金组成的燃烧器末端，该超合金组成响应于发动机中使用的燃料类型。目前，由于该合金的制造容易性，燃气涡轮机燃烧器末端通常被Hast X合金代替。现在可以使用添加剂超合金材料定制末端修复，当暴露在高硫或其它不太理想的燃料中时，该修复提供改进的性能。
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。
Claims (18)
1.一种用于修复超合金部件的方法，包括：
在原始超合金材料的表面上同时熔融粉末状增材超合金材料和粉末状焊剂材料以形成包括覆盖所述增材超合金材料的熔渣层的熔池；
冷却并凝固所述熔池；以及
去除所述熔渣层以露出所述增材超合金材料的表面；
其中所述熔融、冷却和凝固步骤被执行，使得所述增材超合金材料具有与所述原始超合金材料的对应性质不同的性质；
其中所述方法还包括选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得所述增材超合金材料的组成不同于所述原始超合金材料的组成；并且
其中所述增材超合金材料响应于预期环境而被选择，所得到的部件被设计为在所述预期环境中工作。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述冷却和凝固步骤期间控制凝固方向，使得所述增材超合金材料的晶粒结构不同于所述原始超合金材料的晶粒结构。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述原始超合金材料包括定向凝固材料，并且还包括在所述冷却和凝固步骤期间控制凝固方向，使所述得增材超合金材料的主晶轴不平行于所述原始超合金材料的主晶轴。
4.如权利要求1所述的方法，还包括执行所述熔融、冷却和凝固步骤，使得所述增材超合金材料的孔隙率不同于所述原始超合金材料的孔隙率。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
多次重复所述熔融、冷却、凝固和去除熔渣的步骤以构建多层增材超合金材料到所期望的几何形状；以及
以使得所述多层增材超合金材料中的第一层具有与所述多层增材超合金材料中的第二层的对应性质不同的性质的这样的方式执行多个熔融、冷却、凝固和去除熔渣的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，还包括以响应于与所述原始超合金材料相关联的运行参数的方式执行所述熔融、冷却和凝固步骤，使得当暴露于所述运行参数时，所述增材超合金材料的不同性质提供与所述原始超合金材料的性能相比改进的性能。
7.如权利要求1所述的方法，还包括选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得所述增材超合金材料的组成包含不同于所述原始超合金材料的晶界增强剂。
8.一种用于修复超合金部件的方法，包括：
在运行环境下评估原始超合金材料的性能；
识别增材超合金材料，所述增材超合金材料包括与所述原始超合金材料的对应性质不同的性质，并且当与所述原始超合金材料的性能相比时，所述性质将为所述增材超合金材料提供在所述运行环境下的改进性能；
在所述原始超合金材料的表面上同时熔融粉末状增材超合金材料和粉末状焊剂材料以形成包括覆盖所述增材超合金材料的层的熔渣层的熔池；冷却和凝固所述熔池；以及在暴露于所述运行环境的预期下，去除所述熔渣层以露出所述增材超合金材料的表面；
其中所述方法还包括选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得所述增材超合金材料的组成不同于所述原始超合金材料的组成；并且
其中所述增材超合金材料响应于预期环境而被选择，所得到的部件被设计为在所述预期环境中工作。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述冷却和凝固步骤期间控制凝固方向，使得所述增材超合金材料的晶粒结构不同于所述原始超合金材料的晶粒结构。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述原始超合金材料包括定向凝固材料，并且还包括在所述冷却和凝固步骤期间控制凝固方向，使得所述增材超合金材料的主晶轴不平行于所述原始超合金材料的主晶轴。
11.如权利要求8所述的方法，还包括执行所述熔融、冷却和凝固的步骤，使得所述增材超合金材料的孔隙率不同于所述原始超合金材料的孔隙率。
12.如权利要求8所述的方法，还包括选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得所述增材超合金材料的组成包括不同于所述原始超合金材料的晶界增强剂。
13.如权利要求8所述的方法，还包括：
多次重复所述熔融、冷却、凝固和去除熔渣的步骤以构建多层增材超合金材料到所期望的几何形状；以及
以使得所述多层增材超合金材料中的第一层具有与所述多层增材超合金材料中的第二层的对应性质不同的性质的这样的方式执行多个熔融、冷却、凝固和去除熔渣的步骤。
14.如权利要求8所述的方法，还包括去除所述原始超合金材料的退化部分以露出所述原始超合金材料的表面。
15.如权利要求8所述的方法，还包括：
从服务运行部件的所述原始超合金材料的剩余部分去除所述原始超合金材料的退化部分以露出所述原始超合金材料的表面；
执行所述熔融、冷却和凝固的步骤，使得所述增材超合金材料的热膨胀系数不同于所述原始超合金材料的热膨胀系数，从而当所述部件恢复到升高的运行温度环境时，所述增材超合金材料和所述原始超合金材料的相邻区域将经历压缩应力。
16.如权利要求8所述方法，其应用到燃气涡轮发动机燃烧器末端，并且所述方法还包括：
响应于所述燃气涡轮发动机中所使用的燃料类型而选择所述增材超合金材料；以及
选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得同时熔融、冷却和凝固的步骤产生所述增材超合金材料的燃烧器末端。
17.一种用于修复超合金部件的方法，包括：
在表面上同时熔融粉末状增材超合金材料和粉末状焊剂材料以形成包括覆盖增材超合金材料层的熔渣层的熔池；
冷却并凝固所述熔池；
去除所述熔渣层以露出所述超合金材料的表面；
多次重复所述熔融、冷却、凝固和去除的步骤，以形成超合金部件的期望的几何形状；以及
以响应于所述超合金部件的预期运行环境跨所述几何形状有效改变所述超合金材料的性质的这样的方式控制所述熔融、冷却和凝固的步骤；
其中所述方法还包括选择所述粉末状增材超合金材料和所述粉末状焊剂材料，使得所述增材超合金材料的组成不同于原始超合金材料的组成；并且
其中所述增材超合金材料响应于预期环境而被选择，所得到的部件被设计为在所述预期环境中工作。
18.一种通过权利要求17所述的方法形成的超合金部件。
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