CN106964860B - 在开口上进行焊接包覆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在开口上进行焊接包覆的方法，所述方法包括：用支承结构(72)跨越相对较大的开口(50)，以将相对较大的开口划分成多个相对较小的开口(78)；将超级合金粉末设置成跨过较小的开口并与支承结构接触；以及使超级合金粉末熔融，以形成跨越开口并且冶金地结合至支承结构的包覆层(104)。

Description

在开口上进行焊接包覆的方法

技术领域

本发明一般性涉及焊接领域，并且更具体地涉及利用下层支承布置而在开口上方进行焊接包覆的方法。

背景技术

诸如燃气涡轮叶片的薄壁结构的修复通常需要挖去延伸穿过该结构的缺陷。所导致的开口/孔必须用匹配的材料或近似匹配的材料重新填充，以确保结构的完整性。小的开口可以在熔融金属相对于邻接的基底的表面张力足以阻止熔融金属由于重力而穿过该开口滴落的情况下用焊接金属“桥接”。然而，该技术对相对较大的开口不起作用。

原则上，大的开口可以与固体预成形修复材料定制配合，该固体预成形修复材料随后通过周边焊接接头被焊接到开口中。这种做法繁琐、昂贵，并且在开口的形状被确定之后需要制造预成形件，或者相反地，需要使开口成形为适应预定的预成形件形状。这种较大的预成形材料的固有限制还可能在该材料由于焊接而收缩时引起开裂。替代性地，大的开口可以用围绕该开口的周缘设置的许多较小的焊道来逐渐地填充，直到该开口用填充金属填满为止。然而，这种方法也繁琐、昂贵，并且当添加了多层时受到焊接材料塌陷的影响。

用于通过焊接来桥接大的开口的替代技术包括使用背衬材料如陶瓷或匹配的合金板。然而，对于关键设计而言，这些背衬板必须被移除。例如，如果背衬板保留，则该背衬板形成保留的应力梯级(stress risers)，并且该背衬板增加了质量，这在包括燃气涡轮发动机叶片的许多应用中可能是不期望的。许多部件构造成使得一旦包覆层形成，修复件的背侧不容易接近，并且因此，这种背衬技术不可行。

另一替代的桥接技术涉及在开口内包括部分熔合的焊接填料并在焊接填料上面进行焊接以桥接该开口。这种做法被称为填料焊接(slugging)并且通常导致不符合设计、图纸或规格要求的焊接接头。因此，在该领域中仍存在改进的空间。

发明内容

本发明的实施方案涉及一种方法，尤其是包括下列步骤的方法：

用支承结构(72)跨越相对较大的开口(50)，以将该相对较大的开口分成多个相对较小的开口(78)；

使合金填料在与支承结构接触并由该支承结构支承的情况下熔融，以形成横跨各个相对较小的开口的熔池；以及

使熔池冷却并凝固，以形成跨越相对较大的开口并且与支承结构冶金结合的包覆层(104)。

附图说明

在以下描述中基于附图对本发明进行说明，附图示出：

图1为移除梢端帽(tip cap)之后的传统燃气涡轮发动机叶片的俯视图。

图2为利用第一现有技术修复技术进行的失败修复尝试的截面图；

图3为利用第二现有技术修复技术进行的失败修复尝试的截面图；

图4示出了包覆支承布置的示例性实施方案的俯视图；

图5示出了包覆支承布置的替代的示例性实施方案的俯视图；

图6示意性地示出了包覆支承布置的替代的示例性实施方案的俯视图；

图7示意性地示出了图6的支承布置的侧截面图；

图8示意性地示出了利用本文中公开的方法生产的修复件的侧截面图；

图9示意性地示出了利用本文中公开的方法生产的部件。

具体实施方式

本发明人已经设计出用于对通过使用支承结构以及可选地使用支承粉末来支承跨越相对大的开口的包覆层的独特且新颖的方法。该方法包括形成诸如金属丝或金属格栅的支承布置，该金属丝或金属格栅进而可以由支承粉末支承。焊接材料沉积在支承布置上面并且被处理成冶金结合至支承结构的包覆层。如果使用了支承粉末，则随后将支承粉末移除，以露出结合有支承结构的包覆层。

该技术可以应用于修复部件或者可以结合到增材制造工艺中。尽管本理念可以应用于任意的修复技术或增材制造技术，但本文中的论述集中于燃气涡轮叶片梢端的修复。

图1为在先前的叶片梢端已被移除以安装新的叶片梢端之后的典型的燃气涡轮发动机叶片10的俯视图。可以观察到叶片10的厚度从后缘12至前缘14不同，相关联的开口的宽度也是如此。例如，后缘厚度16可以相对较小，而中跨厚度18可以相对较大。相应地，后缘开口20具有相对较小的后缘开口宽度22，而中跨开口24具有相对较大的中跨开口宽度26。同样地，前缘开口30具有相对较小的前缘开口宽度32。

相对较小的宽度例如最高达5毫米的宽度可以利用Bruck的美国专利申请公开号20150034266中公开的方法来成功地修复，该申请的全部内容通过参引并入本文中。在该工艺中，将支承粉末如陶瓷放置在开口(例如后缘开口20或前缘开口30)中，将粉末状金属跨过整个宽度预先放置在支承粉末上，并且将粉末状焊剂放置在粉末状金属上。激光束从一侧扫描至另一侧以使粉末状金属在开口上方熔融并熔合至下层叶片材料，从而形成包覆层。粉末状金属可以是超级合金比如镍基超级合金。支承粉末可以包含金属或金属合金如超级合金，并且可以与粉末状金属具有相同的组成。

发明人已经认识到，该方法在应用于相对大的开口(如5毫米及更大的开口)时面临限制。例如，图2示出了相对较大的宽度部40(例如，与中跨开口24相似)的截面图，在该相对较大的宽度部40上方尝试利用支承粉末(不可见)形成包覆层。可以观察到的是，熔合限于围绕宽度部40的壁42，同时开口上方的区域中的沉积金属41已落到塌陷的支承粉末中并且无法附接至壁。图3示出了相对较大的宽度部40的截面图，在该相对较大的宽度部40上方尝试使用固体的背衬支承件46形成包覆层。尽管结果相对于图2的粉末支承得以改善，但仍然不令人满意，这可能部分地由于固体的背衬支承件46与熔融材料之间的不良润湿性以及焊接金属的由于表面张力而导致的团块43。此外，在燃气涡轮叶片梢端修复的情况下，一旦包覆层就位，固体的背衬支承件46不能被移除，从而使得这种方法对于该应用是无法接受的。

本文中公开的方法包括通过使用被至少部分地消耗到包覆层中的支承材料将相对大的开口(例如，5毫米及更大的开口)处理(manipulating)成多个相对较小的开口。各种因素影响何种开口尺寸可以利用Bruck的美国公开号20150034266中公开的现有技术方法来修复以及何种开口尺寸过大。例如，特定于粉末状金属、焊剂、激光参数、厚度、熔融金属和熔渣的流动性和表面张力以及环境的特性可以有助于该决定。因此，阈值尺寸(其在本发明中特别有用)为下述开口尺寸：低于该开口尺寸以下时仅粉末支承就足够了，而高于该开口尺寸时仅粉末支承则不足够。在一些情况下，利用现有技术的粉末支承工艺可以跨越的最大尺寸可以最高达约5毫米。在其他情况下，该最大尺寸可以最高达约10毫米。因此，在一些应用中，相对小的开口可以被视为最高达约5毫米，从而使相对大的开口为约5毫米及更大。在其他应用中，阈值尺寸可以为10毫米。对于本发明人的知识而言，现有技术工艺在20毫米及更大的开口的所有情况下都是不适当的，而本发明允许跨越20毫米及更大的开口以及理论上允许跨越具有不受限制的宽度的开口。

一旦相对大的开口已经被处理成多个相对小的开口，布置在相对大的开口上的粉末状金属合金和焊剂就可以像覆盖多个相对较小的开口以形成单一的大的包覆层那样被处理。将相对大的开口处理成多个相对小的开口可以以多种方式实现。例如，如图4中所示，如十毫米宽的开口50用放置在支承粉末54中间、放置在支承粉末54上或安置在支承粉末54中的单个独立的细丝52来分隔，从而将单个的十毫米宽的开口50分成两个小于五毫米的开口56。细丝52可以是例如合金线材或者如下面更充分地论述的其他材料。开口56的实际宽度将取决于独立的细丝52的宽度58，该宽度58可以根据需要而改变。粉末状合金金属和粉末状焊剂可以放置在独立的细丝52的上表面60上以及支承粉末54上以及放置在叶片壁62上面，并且被激光处理以形成覆盖十毫米的开口50以及下层叶片材料(例如，叶片壁62)的单个包覆层。这由于激光包覆工艺对跨越相对较小的开口56中的每个开口均有效而是可行的，而在没有插入的支承细丝52的情况下跨越相对较大的开口50将提供无法接受的结果。

由于每个应用具有特定于粉末状金属、焊剂、激光参数和环境等的材料特性/工艺特性以及不同的尺寸，因此可能需要本发明的其他实施方案。例如，如图5中所示，三个独立的细丝52可以放置在十毫米宽的开口50中，以将十毫米宽的开口50分成相等或不等宽度的四个开口64。使多个开口66中的每个开口64的宽度减小在例如所使用的支承粉末54比其他支承粉末相对更容易塌陷的情况下或者在特定材料的熔池具有相对较低的表面张力等情况下会是有益的。

独立的细丝52取向成产生在至少一个方向68上具有足够小的尺寸的开口以支承焊池，以防止熔融金属落到开口中以及/或者防止支承粉末54塌陷。在示例性实施方案中，在激光加热工艺期间，激光束沿着方向68从一个叶片壁62到另一个叶片壁62来回移动，并且随后沿与方向68垂直的方向行进，此后激光束再次从一个叶片壁62移动至另一个叶片壁62。由于激光束使熔池沿着开口50的宽度的方向68移动跨过开口50，并且宽度尺寸已经被减小至低于阈值尺寸，因此熔池将不会塌陷或穿过开口落下。得到跨越开口50并且由独立的细丝52支承的焊道。由于该示例性实施方案中的焊池并未沿着与方向68垂直的线路行进，并且由于细丝/结构支承件主要在熔池的行进方向上被需要，因此开口50的在与方向68垂直的方向上的尺寸不需要减小。因此，开口50的在与方向68垂直的方向上的尺寸不一定也需要低于阈值尺寸(例如五毫米)，原因在于焊池并未沿该方向移动。当正形成的焊道结合至相邻的焊道时(在该情况下，焊池还由相邻的先前形成的焊道支承)尤其如此。于是形成包覆层是形成多个焊道的问题，所述多个焊道跨越开口50、定向成横向于独立的细丝52、结合至独立的细丝52、并且结合至彼此。

替代性地，激光束可以被调节功率并且跨越整个叶片宽度快速扫描，从而保持完全跨过整个宽度的熔融。在此情况下，在向前行进的方向上的相对较长的熔潭(meltpuddle)可能需要横向于独立的细丝52的增加的支承件。

更一般地，采用包括支承结构72和支承粉末54在内的支承布置70来使得可以进行这种包覆。支承结构72可以采取任意数目的形式。图6示出了替代性的示例性实施方案，在该示例性实施方案中，代替使用独立的细丝52，支承结构72包括由接合的细丝76构成并且具有格栅开口78的格栅74。图7为图6的装置在沿着截面7-7观察时的截面图。格栅的优点在于其在每个方向上都提供支承，这提供了激光处理期间的宽容度。例如，格栅可以在快速扫描的激光和细长的熔潭的前述情况下具有特别的优点。格栅的另一优点在于其提供了细丝的整体支承并且使处理期间细丝的间距的精确度固定。在开口50与燃气涡轮发动机叶片10的中跨开口24对应的情况下，开口50的宽度可以为约二十毫米。在接合的细丝76均匀地隔开的情况下(一致的间距不是必需的)，格栅开口78中的每个格栅开口的宽度可以小于4毫米(当考虑接合的细丝76的宽度86时)，该宽度低于阈值尺寸，从而允许开口50的包覆。粉末状金属和粉末状焊剂可以放置在格栅74的上表面88以及支承粉末54上，并且被激光处理以形成覆盖二十毫米的开口50以及下层叶片材料(例如，叶片壁62)的单个包覆层。

支承粉末54可以包含在激光处理期间不熔融的材料。实例材料包括陶瓷(例如，氧化铝、氧化锆、氧化铍、蓝宝石、氧化硅、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、硅酸铝和硅酸镁)、如莫来石的化合物混合物、或者如碳(石墨)的单一元素。支承粉末54可以包含粉末状焊剂，该粉末状焊剂与放置在置于支承结构72上的粉末状金属上或放置在该粉末状金属中的粉末状焊剂相同或相似。替代性地，支承粉末可以包含粉末状金属或合金，该粉末状金属或合金与放置在支承结构72上以形成沉积物的粉末状金属合金相同或相似或者互补。

支承结构72可以包含金属或金属合金并且可以具有与用于沉积物的粉末状金属合金相同的组成。由于支承结构72可以仅在其顶表面附近被熔合并且通常仅部分熔融，因此支承结构72并未表现出熔池的明显合金化。因此，支承结构72可以包含较少的金属，例如纯镍、

合金625(最少58％的Ni，20％-23％的Cr，8％-10％的Mo，3.15％-4.15％的Nb+Ta，最多5％的Fe)、

X合金(47％的Ni，22％的Cr，18％的Fe，9％的Mo，1.5％的Co，0.6％的W，0.10％的C，最多1％的Mn，最多1％的Si，余量为0.008的B)和不锈钢。在一个实施方案中，支承结构72可以由包含作为被沉积的粉末状合金材料的组成部分的元素的材料形成，如当使用镍、钴、钨或铝线材时，支承含这些元素的超级合金粉末状合金材料。一些激光沉积处理在沉积过程期间往往由于钛与CO₂或O₂的反应而失去钛，因此在实施方案中，支承结构72可以包含钛，钛随后熔融到熔池中以抵消这种损失。支承结构72(独立的细丝52或格栅74)可以搁置在支承粉末54的顶部上。替代性地，支承结构72可以在独立的细丝52的情况下被浸没直至上表面60或者在格栅74的情况下被浸没直至上表面88。替代性地，支承粉末54可以延伸至其间的任意水平高度。支承结构72在激光处理期间被部分地熔融以确保支承结构72机械结合至沉积的材料层，但支承结构72的至少一部分可以保持未熔融，其中，未熔融部分为包覆层提供结构支承。未熔融的支承结构还可以留下用于加强冷却的肋部。在一些实施方案中，支承结构72的整个深度可以被熔融并且在至少一些局部区域中结合到熔池中，然而，紧接在熔池前方的区域中的未熔融的支承结构72由于表面张力作用而以悬臂方式提供了熔池所需的支承。

支承结构72(独立的细丝52或格栅74)可以接触下层叶片材料(例如，叶片壁62)并且可以由该结构支承，或者支承结构72可以与下层叶片材料间隔开。可以使用任意形状的格栅如具有圆形或六边形开口的格栅等。金属网(expanded metal)(具有圆形开口的板)是相对便宜且可用的。筛网也易于由线材制造并且可以被整平以建立一致的(平坦的)支承表面。格栅可以被容易地切割以适应多种开口形状。

图8示意性地示出了在包覆层104沉积于图7的结构上面之后经修复的叶片梢端100的侧截面图。在该示例性实施方案中，细丝76包括基本上保持完整的厚度102。示例性厚度包括一毫米及一毫米以上。在示例性实施方案中，厚度102为1.2毫米。在该实施方案中，支承粉末54延伸进入格栅开口78中达接合的细丝76的大约整个厚度102。包覆层104已经在开口50上方形成并且已将开口50封闭，并且包覆层104已经冶金地结合至格栅74。支承粉末54随后被移除(如通过借助于部件中形成的冷却通道开口被排出)以完成对叶片梢端100的修复。未熔融格栅的尺寸102可以局部地被调节，以例如在需要时增强结构支承或特定位置处的翅片散热。

如在图9中可以观察到的，代替在开口上方进行包覆以形成修复件，利用本文中所公开的方法可以构建增材制造的新产品。例如，新部件110的激光增材制造不再必须起始于最终必须被加工去除的固体端板上。相反，该工艺可以在支承布置70上形成包覆层104，并且随后可以利用所需的任何增材制造工艺在包覆层104上形成额外的包覆层112，直到完成新部件110为止。以此方式，所产生的结构110并不附着于开始的端板。支承结构72可以成为最终产品的一部分，或者支承结构72可以被移除。

尽管许多实施方案可以利用支承粉末来阻止合金粉末在支承结构周围穿过开口落下，但也可以利用不带有支承粉末的支承结构。这可以通过同时递送合金粉末/焊剂粉末和熔融能量束使得粉末在被递送时被熔融而形成焊池(该焊池由支承结构通过表面张力支承)来实现。在额外的粉末被递送并且被熔融成熔池的同时，能量束从开口的一个边缘开始横越开口，从而使熔池的范围扩大直到熔池将开口桥接为止，在能量束横越之后冷却和凝固。熔池与熔池后面的和熔池旁边的环绕支承结构之间的表面张力足以在能量束横跨整个开口时支承熔池。类似地，在供给填料时，可以将预成形件如烧结的粉末板预先放置成跨过支承格栅，而无需支承粉末。

尽管本文中已经示出和描述了本发明的各种实施方案，但将明显的是，这些实施方案仅作为实例提供。在不背离本文中的发明的情况下可以做出许多变型、改变和替代方案。因此，意在仅由所附权利要求的精神和范围限定本发明。

Claims (9)

1.一种焊接包覆的方法，其包括：

用支承结构(72)跨越相对较大的开口(50)，以将所述相对较大的开口分成多个相对较小的开口(78)；

用支承粉末(54)支承所述支承结构；

使合金填料在与所述支承结构接触并由所述支承结构支承的情况下熔融，以形成横跨各个相对较小的开口的熔池；

使所述熔池冷却和凝固，以形成跨越所述相对较大的开口并且与所述支承结构冶金结合的包覆层(104)；以及

在所述冷却和凝固的步骤之后移除所述支承粉末，

其中，至少部分所述支承粉末(54)设置于所述支承结构下方，以及

其中，所述支承结构未被移除并与所述包覆层形成为一体。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述支承结构放置在所述支承粉末的顶部上。

3.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述支承结构定位在所述支承粉末中，使得所述支承粉末向上延伸至所述支承结构近旁。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述支承粉末包含下述材料中之一：a)在所述熔融步骤期间不熔融的陶瓷；b)在所述熔融步骤期间部分地熔融的焊剂和金属。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述支承粉末包含选自氧化铝、氧化锆、氧化铍、氧化硅、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、硅酸铝和硅酸镁的陶瓷，或莫来石，或石墨。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述支承粉末包含焊剂。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述支承结构的厚度的仅一部分在所述熔融步骤期间熔融以与所述包覆层冶金结合。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述支承结构包含作为所述合金填料的组成部分的元素。

9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

在所述支承结构下面设置支承粉末；以及

在所述熔融步骤之前，使所述合金填料的层沉积在所述支承粉末和所述支承结构上面。

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