CN107186309A - 超级合金的焊缝强制开裂和钎焊修补 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超级合金的焊缝强制开裂和钎焊修补。具体而言，一种修补超级合金物品(100)中的氧化缺陷(110)的方法(200)包括：大致移除所有氧化缺陷(110)以形成超级合金物品(100)的清除部分(112)；通过熔焊利用焊缝(116)填充清除部分(112)的一部分；使焊缝(116)开裂(118)；以及利用钎焊材料(120)填充开裂的焊缝(116,118)和清除部分(112)的剩余部分(114)。

Description

超级合金的焊缝强制开裂和钎焊修补
技术领域
本公开大体涉及修补高温性能合金，例如超级合金。
背景技术
金属和合金部分可由于应用疲劳经历各种磨损情形。例如，开裂、磨耗、腐蚀或各种其它作用可导致初始基底材料的移除或磨损。为了修补磨损的部分，可加入(例如，焊接或钎焊的)填充材料以填充开裂、碎片磨耗或另外替换受腐蚀损耗或在操作期间已经变得有缺陷的材料。为了跨过修补的部分提供强健均匀的机械性能，可使用与基底材料相同或大致类似的填充材料。
然而，高温性能合金(诸如用在燃气涡轮部分的热气体通路构件中的镍基和钴基超级合金)具有高熔化温度，在其可应用至初始基底材料之前需要能量的显著应用。结果，由用于熔化这样的填充材料的焊接设备产生的大量的热量也可影响附近基底材料。例如，热量可对初始基底材料的微结构导致陷入、熔化或其它变化。基底材料的这些变化可降低初始构件的强度、韧性和/或其它物理特性。虽然可备选地使用带有较低熔化温度的其它填充材料，但它们在高温下可提供较低性能且/或具有与初始基底材料的机械性能格外不同的机械性能。另外，填充材料可开裂且降低修补的有效性。
发明内容
根据一个示例，一种修补超级合金物品中的氧化缺陷的方法包括：大致移除所有氧化缺陷以形成超级合金物品的清除部分；通过熔焊利用焊缝填充清除部分的一部分；使焊缝开裂；以及利用钎焊材料填充开裂的焊缝和清除部分的剩余部分。
根据另一个示例，一种修补包括Al和Ti的Ni基超级合金物品中的氧化缺陷的方法包括：大致移除所有氧化缺陷以形成超级合金物品的清除部分，其中大致移除所有氧化缺陷包括真空炉清理、机械清理和/或化学清理；通过熔焊利用焊缝填充清除部分的一部分；通过在形成焊缝时输入热量或降低焊缝的温度或约束焊缝使焊缝开裂；利用钎焊材料填充开裂的焊缝和清除部分的剩余部分；利用钎焊材料覆盖焊缝；以及热处理钎焊填充且覆盖的焊缝。
技术方案1. 一种修补超级合金物品中的氧化缺陷的方法，所述方法包括：
大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述超级合金物品的清除部分；
通过熔焊利用焊缝填充所述清除部分的一部分；
使所述焊缝开裂；以及
利用钎焊材料填充开裂的焊缝和所述清除部分的剩余部分。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括真空炉清理。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述真空炉清理包括氟化物离子清理。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括机械清理。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括化学清理。
技术方案6. 根据技术方案1至技术方案5中任一项所述的方法，其中，利用所述焊缝填充所述清除部分的部分包括利用与所述超级合金物品相同的焊缝材料填充所述部分。
技术方案7. 根据技术方案1至技术方案6中任一项所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括在形成所述焊缝时输入热量。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括感应加热。
技术方案9. 根据技术方案1至技术方案6中任一项所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括以在焊接期间足以导致开裂的速率降低所述焊缝的温度。
技术方案10. 根据技术方案1至技术方案9中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
利用所述钎焊材料覆盖所述焊缝。
技术方案11. 根据技术方案1至技术方案10中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
热处理钎焊填充的焊缝。
技术方案12. 根据技术方案1至技术方案11中任一项所述的方法，其中，熔焊包括金属极惰性气体保护(MIG)焊或气体保护钨极电弧焊(GTAW)或钨极惰性气体保护(TIG)焊。
技术方案13. 根据技术方案1至技术方案12中任一项所述的方法，其中，所述钎焊材料包括高熔点材料和低熔点材料的组合。
技术方案14. 根据技术方案1至技术方案13中任一项所述的方法，其中，所述超级合金物品是包括Al和Ti的Ni基超级合金。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述Ni基超级合金包括大于大约3%的Al和小于大约6%的Ti。
实施方案1. 一种修补超级合金物品中的氧化缺陷的方法，所述方法包括：
大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述超级合金物品的清除部分；
通过熔焊利用焊缝填充所述清除部分的一部分；
使所述焊缝开裂；以及
利用钎焊材料填充开裂的焊缝和所述清除部分的剩余部分。
实施方案2. 根据实施方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括真空炉清理。
实施方案3. 根据实施方案2所述的方法，其中，所述真空炉清理包括氟化物离子清理。
实施方案4. 根据实施方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括机械清理。
实施方案5. 根据实施方案4所述的方法，其中，所述机械清理包括研磨。
实施方案6. 根据实施方案1所述的方法，其中，大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述清除部分包括化学清理。
实施方案7. 根据实施方案6所述的方法，其中，所述化学清理包括刻蚀。
实施方案8. 根据实施方案1所述的方法，其中，利用所述焊缝填充所述清除部分的部分包括利用与所述超级合金物品相同的焊缝材料填充所述部分。
实施方案9. 根据实施方案1所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括在所述焊缝形成之后使所述焊缝开裂。
实施方案10. 据实施方案1所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括在形成所述焊缝时输入热量。
实施方案11. 根据实施方案10所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括感应加热。
实施方案12. 根据实施方案1所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括以在焊接期间足以导致开裂的速率降低所述焊缝的温度。
实施方案13. 据实施方案12所述的方法，其中，使所述焊缝开裂包括将所述焊缝淬火。
实施方案14. 根据实施方案1所述的方法，其中，所述方法还包括：
利用所述钎焊材料覆盖所述焊缝。
实施方案15. 根据实施方案1所述的方法，其中，所述方法还包括：
热处理钎焊填充的焊缝。
实施方案16. 根据实施方案1所述的方法，其中，熔焊包括金属极惰性气体保护(MIG)焊或气体保护钨极电弧焊(GTAW)。
实施方案17. 据实施方案16所述的方法，其中，熔焊包括钨极惰性气体保护(TIG)焊。
实施方案18. 根据实施方案1所述的方法，其中，所述钎焊材料包括高熔点材料和低熔点材料的组合。
实施方案19. 一种修补包括Al和Ti的Ni基超级合金物品中的氧化缺陷的方法，所述方法包括：
大致移除所有所述氧化缺陷以形成所述超级合金物品的清除部分，其中大致移除所有所述氧化缺陷包括真空清理、机械清理和/或化学清理；
通过熔焊利用焊缝填充所述清除部分的一部分；
通过在形成所述焊缝时输入热量或降低所述焊缝的温度或约束所述焊缝使所述焊缝开裂；
利用钎焊材料填充所述开裂的焊缝和所述清除部分的剩余部分。
利用所述钎焊材料覆盖所述焊缝；以及
热处理钎焊填充且覆盖的焊缝。
实施方案20. 根据实施方案19所述的方法，其中，所述Ni基超级合金包括大于大约3%的Al和小于大约6%的Ti。
实施方案21. 根据实施方案19所述的方法，其中，通过熔焊填充所述焊缝包括金属极惰性气体保护(MIG)焊或气体保护钨极电弧焊(GTAW)。
附图说明
本公开的这些和其它特征、方面和优点在参照附图阅读以下详细描述时将变得更好理解，其中相似的符号贯穿附图表示相似的部分，在附图中：
图1是包括缺陷的超级合金物品的示意图；
图2是根据本公开在修补的中间阶段的图1的物品的示意图；
图3是在最终修补阶段中的图1的物品的示意图；
图4是根据本公开的修补方法的示意图；且
图5是示出了根据本公开的可修补的各种超级合金的图表。
除非另外指出，本文提供的附图意在说明本公开的特征。相信这些特征可在包括本公开的一个或多个示例的各种方法中应用。因而，附图不意在包括由本领域的普通技术人员已知的对于本文公开的实施例的实践必需的所有常规特征。
具体实施方式
参照图1，由超级合金形成的物品100可具有缺陷110，例如开裂或待移除的其它有缺陷或不期望的材料。物品100可为燃气涡轮构件。超级合金可为镍基或铁基或钴基超级合金。缺陷110可通过燃气涡轮中的物品或构件的操作而氧化。氧化缺陷110周围的物品100的一部分(以虚线示出)识别为用于清理以准备用于修补物品100。
参照图2，缺陷和缺陷周围的部分由清理过程移除以提供物品100的清除部分112。焊缝116在清除部分112中和清除部分112外提供。清除部分112的一部分114未利用焊缝填充。开裂118然后在焊缝116中形成。参照图3，钎焊材料120在焊缝116上提供，穿过焊缝116中的开裂118，且到物品100的清除部分112的未填充部分114中。
参照图4，一种修补由超级合金形成的物品中的缺陷的方法200包括：从物品移除氧化缺陷(即，移除物品的部分包括缺陷和缺陷周围的物品的氧化部分)，和通过将填充材料焊接到移除的部分中来修补物品210。焊缝然后开裂220且应用钎焊以闭合焊缝开裂且执行热处理循环230。
再次参照图1至图3，氧化缺陷110可通过机械过程、化学过程或机械和化学过程的组合来清理。氧化缺陷110也可通过真空炉清理来清理。对于由含有Ti和Al的超级合金形成的物品100，可使用氟化物离子清理。也可使用氢清理，例如对于铁基、镍基和钴基超级合金。机械清理可包括研磨物品100以移除氧化缺陷。化学清理可包括刻蚀。
焊缝116可由与物品100的材料相同的材料形成，或由与物品100的材料类似的材料形成。焊缝116可在形成期间或之后开裂。焊缝可由熔焊形成。如本文所使用，用语"熔焊"指依靠熔化来接合类似组分和熔点的材料的焊接过程，但不包括扩散粘结过程。可使用的熔焊过程包括电弧焊、氧燃料焊、电阻焊、激光束焊、电子束焊、铝热焊和等离子焊，以及恒定电流、恒定电压和高能束焊接过程。可使用金属极惰性气体保护(MIG)焊(例如印第安纳州波蒂奇市的Fronius International的Cold Metal Transfer™或Cold Metal TransferPrinting™技术)或气体保护钨极电弧焊(GTAW)(诸如，新泽西州兰尼米德市的TIP TIGUSA的钨极惰性气体保护(TIG)焊)。如图2中所示，物品100的清除部分112被焊接但包括未填充部分114，其允许通过例如毛细作用由钎焊材料120填充焊缝开裂118。未填充部分114还促进使焊缝116开裂。钎焊材料120可为任何扩散钎焊合金。钎焊材料120可为高熔点材料和低熔点材料的组合。
焊缝开裂118可在焊接期间通过热量输入形成(例如通过感应)，或通过极端温度降低(例如，淬火)，或通过约束焊缝。焊缝开裂118可在任何焊接环境(例如，富氩(Ar)环境)中形成。如在现有技术中使用的那样，焊缝开裂118不需要在卤化铬环境中形成。形成的焊缝开裂118大致不受由发动机操作导致的氧化腐蚀，由于用于形成清除部分112的过程大致移除物品100中的所有氧化缺陷110。焊缝开裂118的表面因此表面张力较低，且当钎焊材料120液化时通过毛细作用促进钎焊材料120的渗透。
钎焊焊缝可被热处理以促进将钎焊材料120填充到焊缝开裂118中，且从焊缝116移除残余应力。热处理可包括以足以利用钎焊材料120填充焊缝开裂118且从焊缝116移除残余应力的停留温度和时间来加热物品110和钎焊焊缝达一个或多个循环。
参照图5，Ni基超级合金(包括γ’超级合金)可如图所示包括变化量的Ti和Al。虚线代表大体上更加可焊的Ni基超级合金(虚线之下)以及由于可在焊缝和/或物品中产生的应变时效开裂而更加难以焊接的Ni基超级合金之间的大体边界。本文公开的方法可用于图5中所示的任何Ni基超级合金以及基于Fe或Co的其它超级合金，但可特别地适合于图5中所示的更加难以焊接的Ni基超级合金，即，那些具有高于大约3%的Al含量和高于大约6%的Ti含量的Ni基超级合金。
本文公开的用于修补由超级合金形成的物品中的缺陷的方法减少或消除昂贵清理过程(诸如氟化物离子清理)的使用。该方法也改进修补的超级合金物品或构件以及修补结构(例如，钎焊和焊缝)的结构。虽然现有技术方法已经聚焦于防止焊缝修补的开裂，但本文公开的方法采取了相反的途径且允许或产生焊缝的开裂以形成利用现有技术方法不可能的改进的修补。
如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个诸如"大约"和"大致"的用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情形下，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围是确定的且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
根据本公开的方法可修补的涡轮构件包括罩、轮叶、叶片、喷嘴、导叶、密封构件、阀杆、喷嘴盒和喷嘴板。
此书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本文描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种修补超级合金物品(100)中的氧化缺陷(110)的方法(200)，所述方法包括：
大致移除所有所述氧化缺陷(110)以形成所述超级合金物品(100)的清除部分(112)；
通过熔焊利用焊缝(116)填充所述清除部分(112)的一部分；
使所述焊缝(116)开裂；以及
利用钎焊材料(120)填充开裂的焊缝(118)和所述清除部分(112)的剩余部分(114)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大致移除所有所述氧化缺陷(110)以形成所述清除部分(112)包括真空炉清理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述真空炉清理包括氟化物离子清理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大致移除所有所述氧化缺陷(110)以形成所述清除部分(112)包括机械清理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大致移除所有所述氧化缺陷(110)以形成所述清除部分(112)包括化学清理。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述焊缝(116)填充所述清除部分(112)的部分包括利用与所述超级合金物品(100)相同的焊缝材料填充所述部分(112)。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，使所述焊缝(116)开裂包括在形成所述焊缝(116)时输入热量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述焊缝(116)开裂包括感应加热。
9.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，使所述焊缝(116)开裂包括以在焊接期间足以导致开裂的速率降低所述焊缝(116)的温度。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用所述钎焊材料(120)覆盖所述焊缝(116)。
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