CN107363356A - 制作构件的方法和构件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制作构件的方法和构件。该方法包括将预烧结的预制件射束钎焊到构件上，从而形成射束‑钎焊部分。该构件包括由预烧结的预制件形成的射束‑钎焊部分。

Description

制作构件的方法和构件
技术领域
本发明涉及成品构件和制作成品构件的方法。更具体地说，本发明涉及射束-钎焊构件和制作射束-钎焊构件的方法。
背景技术
通常，涡轮叶片可联接在中心轮毂上，中心轮毂连接在从动轴上，其中叶片相对于轮毂和轴的轴线径向设置。叶片可包括翼型件，其传递使轴旋转的旋转能量。某些燃气涡轮叶片在相关联的翼型件的外端处具有护罩。叶片护罩彼此紧密地嵌套。许多涡轮叶片护罩具有呈凹口形式的机械互锁特征，其容许各个叶片在其护罩处与相邻的叶片物理地互锁在一起。
有各种机理可能造成机械锁紧特征的磨损。例如，在涡轮的操作期间，相邻的叶片可能存在相对彼此和相对于轮毂的振动。前述互锁特征可有利于减轻翼型件振动，使得又减轻在操作期间叶片中所引起的应力。互锁特征的紧密公差可能增加互锁特征附近的磨损，因为相邻的凹口彼此摩擦。
此外，在起动操作期间，因为护罩、翼型件和轮毂(以及与热气体接触的所有其它构件)的温度在各个独立构件中且相对于其它相邻的构件而变化，并且涡轮被加速至操作速度，所以叶片和护罩可能扭曲，使得凹口有时彼此接触，并达到互锁条件。同样，在停止操作期间，构件温度上的变化可能与起动以及涡轮减速时相关联的变化是基本相反的，使得叶片和护罩可能扭曲，因而凹口不会彼此接触，并达到非互锁条件。
许多护罩材料并不具有表面耐磨性特性，以抵抗接触和摩擦的长期累积效应。
在本领域中将需要一种没有上述一个或多个缺点的构件和制作该构件的方法。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种制作构件的方法包括将预烧结的预制件或软带通过射束钎焊到构件上，从而形成射束-钎焊部分。
在另一示例性实施例中，一种制造构件的方法包括制备构件的至少一部分用于接纳烧结的预制件，形成预烧结的预制件，将烧结的预制件定位在构件上，并将烧结的预制件通过射束钎焊到构件的至少一部分上。
在另一示例性实施例中，一种构件包括非钎焊部分和由预烧结的预制件形成的射束-钎焊部分。
附图说明
图1是示例性燃烧涡轮的一部分的透视图。
图2是图1中所示的区域2的顶视图。
图3是根据本公开用于制作电子射束-钎焊构件的示例性方法的流程图。
图4是根据本公开的电子射束-钎焊构件的放大的顶视图。
具体实施方式
本公开提供了一种示例性射束-钎焊构件和制作射束-钎焊构件的示例性方法。本公开的实施例减轻了接触和摩擦的长期累积效应，防止了由于构件的扭曲和振动而引起的维护性停机和修理，包括增加耐磨性和/或硬度，降低对磨损的敏感度，及它们的组合。
射束-钎焊构件是由预烧结的预制件(PSP)形成的任何合适的构件。合适的构件包括燃气涡轮构件(例如，护罩表面、叶片或轮叶表面、互锁特征、或硬质焊敷层表面)或任何其它合适的金属或金属复合构件。
图1是燃烧涡轮100的部段的透视图，其包括适合进行电子射束-钎焊和/或激光射束-钎焊的构件或构件部分。例如，涡轮100具有联接在轮毂104上的多个涡轮叶片102。轮毂104联接在涡轮轴(未显示)上。叶片102包括相对应的翼型件106和固定地联接在翼型件106上的相对应的涡轮叶片护罩108。护罩108具有两个相对应地相对的互锁特征110。突出物112有利于叶片102的联接，从而减少或消除了周向运动和振动。在图2中显示了图1被虚线封闭且标为2的部分。图2是可与燃烧涡轮100一起使用的没有硬质焊敷层的护罩108的顶视图。护罩108图示为在各个末端上具有互锁特征110。互锁特征110具有配合面114。
构件包括由例如，超级合金材料形成的衬底。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约14%的铬、大约9.5%的钴、大约3.8%的钨、大约1.5%的钼、大约4.9%的钛、大约3.0%的铝、大约0.1%的碳、大约0.01%的硼、大约2.8%的钽和平衡镍的成分。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约3.5%的钛、大约4.2%的铝、大约6.0%的钨、大约1.5%的钼、大约4.8%的钽、大约0.08%的碳、大约0.009%的锆、大约0.009%的硼和平衡镍的成分。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约7.5%的钴、大约7.0%的铬、大约6.5%的钽、大约6.2%的铝、大约5.0%的钨、大约3.0%的铼、大约1.5%的钼、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼、大约0.01%的钇和平衡镍的成分。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约4.2%的铝、大约3.5%的钛、大约1.5%的钼、大约6.0%的钨、大约4.8%的钽、大约0.5%的铌、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼和平衡镍的成分。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约8.35%的铬、大约9.50%的钴、大约5.50%的铝、大约0.75%的钛、大约9.50%的钨、大约0.50%的钼、大约3.05%的钽、0.09%的碳、大约1.50%的铪和平衡镍的成分。在一个实施例中，衬底具有按重量计算大约0.06%的碳、大约9.80%的铬、大约7.50%的钴、大约1.50%的钼、大约4.20%的铝、大约3.50%的钛、大约4.80%的钽、大约6.00%的钨、大约0.50%的铌、大约0.15%的铪和剩余62%的镍的成分。
在一个实施例中，衬底包括能够在高温下，例如在燃气涡轮中的热气道的温度下抵抗蠕变的超级合金。例如，在一个实施例中，衬底的第一部分保持高于第一温度/较高温度，例如大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F、大约2000°F或大约3000°F的蠕变强度，并且衬底的第二部分耐受高于第二温度/较低温度，例如在800°F至1250°F之间、大约800°F、大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F或大约2000°F的热。在一个实施例中，通过例如感应加热器(未显示)提供了附加加热。
图3是用于制造射束-钎焊构件的示例性方法200的示意图。方法步骤202包括制备构件的一部分(例如互锁特征110的图2中所示的表面114)。制备步骤202包括任何合适的子步骤，包括但不限于除去任何松弛的表面污染物，除去敷设的涂料，除去冶金杂质(例如氧化的表面层)，除去表面不规则性或它们的组合。在一个实施例中，制备步骤202包括利用温和的洗涤剂，温和的研磨剂和轻微机械加工。在另一实施例中，步骤202包括补充的制备子步骤，包括但不局限于除去次表面材料变形，通过机械加工减轻表面不规则性，或它们的组合。
方法步骤208包括将预制件402(例如烧结的预制件或第一和第二预烧结的预制件)定位在待进行射束-钎焊的构件或构件部分(例如互锁特征110)上。在一个实施例中，待射束-钎焊的构件部分被加热至预定的温度，例如在大约2100°F至大约2225°F之间。如图4中所示，在一个实施例中，构件是具有联接的硬质焊敷层预制件402的护罩108。预制件402通过至少一个离散型点焊404而在互锁特征110的配合面114上保持就位。在一个实施例中，使用两个点焊404来促进将预制件402附着到表面114上。
在一个实施例中，预烧结的预制件(PSP)具有按重量计算大约27.00%至大约30.00%的钼、大约16.50%至大约18.50%的铬、直至大约1.50%的铁、直至大约1.50%的镍、直至大约0.15%的氧、直至大约0.08%的碳、直至大约0.03%的磷、直至大约0.03%的硫和平衡钴的成分。在一个实施例中，PSP具有按重量计算大约0.70%至大约1.00%的碳、大约26.00%至大约30.00%的铬、大约1.00%的硅、大约4.00%至大约6.00%的镍、大约3.00%的铁、大约1.25%的钒、大约0.10%的硼、大约18.00%至大约21.00%的钨和平衡钴的成分。在一个实施例中，PSP具有按重量计算大约22.00%至大约24.74%的铬、大约9.00%至大约11.00%的镍、大约6.50%至大约7.60%的钨、大约3.00%至大约4.00%的钽、大约2.60%至大约3.16%的硼、大约0.55%至大约0.65%的碳、大约0.30%至大约0.60%的锆、大约0.15%至大约0.30%的钛，直至大约1.30%的铁、直至大约0.40%的硅、直至大约0.10%的锰、直至大约0.02%的硫和平衡钴的成分。在一个实施例中，PSP具有按重量计算大约17.00%的镍、大约19.00%的铬、大约4.00%的钨、大约0.40%的碳、大约0.80%的硼、大约8.00%的硅和平衡钴的成分。
在另一实施例中，成分包括一种或更多成分的混合物，例如大约80%的第一成分和大约20%的第二成分、大约60%的第一成分和大约40%的第二成分、大约50%的第一成分和大约50%的第二成分，或为了提供期望属性而选择的任何其它合适的成分。
PSP是一种合适的预定几何形状或相对应的几何形状。合适的几何形状包括基本平坦的几何形状(例如平板)、带状几何形状(例如能够滚轧的软带、能够在没有机械力的条件下成直角弯曲的软带、或者具有预定长度的软带)、基本恒定厚度的几何形状(例如大约0.030英寸、大约0.160英寸或在大约0.020英寸至大约0.080英寸之间)、刚性带、厚度变化的几何形状(例如在第一区域具有大约0.010英寸的厚度且在第二区域具有大约0.020英寸的厚度，或者在第一区域具有大约0.020英寸的厚度且在第二区域具有大约0.030英寸的厚度)，或它们的组合。在具有第一PSP和第二PSP的一个实施例中，第一PSP和第二PSP包括基本相同的几何形状。在另一实施例中，第一PSP和第二PSP具有不同的几何形状(例如，第一PSP具有对应于第二PSP中的较薄区域的较厚的区域)。
在一个实施例中，除了PSP之外或作为PSP的备选使用软带。通过将第一成分和第二成分与粘合剂组合在一起，然后滚轧该混合物以形成带状或绳状结构而形成软带。软带能够弯曲成若干种几何形状，包括预定的厚度，例如大约0.020英寸至大约0.125英寸，并且能够被切割成预定的长度。
方法步骤210包括对构件或构件部分进行射束钎焊(例如将预制件402射束钎焊到配合面114上)。在一个实施例中，步骤210的射束钎焊包括加热循环子步骤和冷却循环子步骤。加热循环子步骤包括在预定的温度(例如在室温或大约70°F)下将护罩108放置到电子射束焊接室(未显示)中，且使预制件402点焊到互锁特征110上。为了利于钎焊方法，在电子射束焊接室内提供了非氧化气氛(例如通过排空电子射束焊接室)。在一个实施例中，排空的电子射束焊接室被抽空至预定的压力(例如0.067Pa或更低)。
构件的一部分被射束以预定的速率(例如大约每分钟250°F)通过散焦的电子射束局部性地加热，例如有选择地定位或摆动的射束，从而将热量散布在燃烧涡轮构件100的预定的区域上。预定的区域可被构件部分上预定的路径限定。在一个实施例中，散焦的电子射束提供了对预定区域基本均匀的加热。额外地或备选地，在一个实施例中，同可用于电子射束焊接的聚焦的电子射束相比，通过提高偏转形成散焦的电子射束。当达到预定的温度时，预定的温度被保持预定的时间周期(例如在大约2分钟至大约5分钟之间)，并且随后通过散焦的电子射束将预定的区域继续加热至钎焊温度。在一个实施例中，预定的区域以预定的速率(例如每分钟250°F)升高至更高的温度(例如大约1800°F)，并保持预定的周期(例如5分钟)。在这个实施例中，接下来将预定的区域以预定的速率(例如，350°F每分钟)升高至钎焊温度(例如大约2200°F至2225°F)，并保持预定的时间周期(例如大约5分钟)。
方法步骤212包括对射束-钎焊构件或构件的射束-钎焊部分进行机械加工。例如，可执行较小的机械加工(例如图4中所示的硬质焊敷层预制件402)，以减轻表面不规则性并获得预定的尺寸(例如，硬质焊敷层尺寸基本上类似于图4中所示的配合面114的相关联的尺寸)。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该懂得，在不脱离本发明的范围的情况下可进行各种变化，并用等效物替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下还可做出许多改型，使特殊的情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不限于作为被认为是实现本发明的最佳模式而公开的特殊的实施例，相反本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种制作构件的方法，包括：
将预烧结的预制件或软带射束钎焊到所述构件上，从而形成射束-钎焊部分；其中所述射束钎焊通过散焦的电子射束执行；
所述射束钎焊具有预烧结的预制件，并且还包括在对所述预烧结的预制件进行射束钎焊之前定位所述预烧结的预制件；
所述定位包括利用点焊将所述预烧结的预制件粘附到所述构件上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件包括由选自由以下成分组成的组的成分形成的衬底：
按重量计算大约14%的铬、大约9.5%的钴、大约3.8%的钨、大约1.5%的钼、大约4.9%的钛、大约3.0%的铝、大约0.1%的碳、大约0.01%的硼、大约2.8%的钽和平衡镍；
按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约3.5%的钛、大约4.2%的铝、大约6.0%的钨、大约1.5%的钼、大约4.8%的钽、大约0.08%的碳、大约0.009%的锆、大约0.009%的硼和平衡镍；
按重量计算大约7.5%的钴、大约7.0%的铬、大约6.5%的钽、大约6.2%的铝、大约5.0%的钨、大约3.0%的铼、大约1.5%的钼、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼、大约0.01%的钇和平衡镍；
按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约4.2%的铝、大约3.5%的钛、大约1.5%的钼、大约6.0%的钨、大约4.8%的钽、大约0.5%的铌、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼和平衡镍；
按重量计算大约8.35%的铬、大约9.50%的钴、大约5.50%的铝、大约0.75%的钛、大约9.50%的钨、大约0.50%的钼、大约3.05%的钽，0.09%的碳、大约1.50%的铪和平衡镍；以及
按重量计算大约0.06%的碳、大约9.80%的铬、大约7.50%的钴、大约1.50%的钼、大约4.20%的铝、大约3.50%的钛、大约4.80%的钽、大约6.00%的钨、大约0.50%的铌、大约0.15%的铪和剩余62%的镍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，还包括在形成所述射束-钎焊部分之前制备所述构件的一部分，其中所述制备包括除去表面污染物、涂敷的涂料、冶金杂质、表面不规则性、次表面材料变形和它们组合中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，还包括由预烧结的预制件混合物形成所述预烧结的预制件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预烧结的预制件混合物包括选自由以下成分组成的组的混合物：
第一成分，其按重量计算具有大约27.00%至大约30.00%的Mo、大约16.50%至大约18.50%的CR、直至大约1.50%的Fe、直至大约1.50%的Ni、直至大约0.15%的O、直至大约0.08%的C、直至大约0.03%的P、直至大约0.03%的S及平衡Co；
第二成分，其按重量计算具有大约0.70%至大约1.00%的C、大约26.00%至大约30.00%的CR、大约1.00%的SI、大约4.00%至大约6.00%的Ni、大约3.00%的Fe、大约1.25%的V、大约0.10%的B、大约18.00%至大约21.00%的W和平衡Co；
第三成分，其按重量计算具有大约22.00%至大约24.74%的Cr、大约9.00%至大约11.00%的Ni、大约6.50%至大约7.60%的W、大约3.00%至大约4.00%的Ta、大约2.60%至大约3.16%的B、大约0.55%至大约0.65%的C、大约0.30%至大约0.60%的Zr、大约0.15%至大约0.30%的Ti、直至大约1.30%的Fe、直至大约0.40%的Si、直至大约0.10%的Mn、直至大约0.02%的S和平衡Co；
第四成分，其按重量计算具有大约17.00%的Ni、大约19.00%的Cr、大约4.00%的W、大约0.40%的C、大约0.80%的B、大约8.00%的Si和平衡Co；
以及它们的组合。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，其中所述预烧结的预制件混合物包括硬质焊敷层材料和钎焊材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，其中所述预烧结的预制件包括基本平坦的几何形状。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，其中所述预烧结的预制件包括带状的几何形状。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有预烧结的预制件，其中所述射束钎焊在排空的电子射束焊接室内执行。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊具有软带。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束钎焊是激光射束钎焊。
12.一种制造构件的方法，包括：
制备所述构件的至少一部分，以接纳烧结的预制件；
形成预烧结的预制件；
将所述烧结的预制件定位在所述构件上；以及
将所述烧结的预制件射束钎焊到所述构件的至少一部分上；
其中所述射束钎焊通过散焦的电子射束执行；
其中定位包括利用点焊将所述预烧结的预制件粘附到所述构件上。
13.一种构件，包括非钎焊部分和由预烧结的预制件形成的射束-钎焊部分；其中所述射束钎焊通过散焦的电子射束执行；
所述射束钎焊具有预烧结的预制件，并且还包括在对所述预烧结的预制件进行射束钎焊之前定位所述预烧结的预制件；
所述定位包括利用点焊将所述预烧结的预制件粘附到所述构件上。
14.根据权利要求13所述的构件，其特征在于，所述构件包括由选自由以下成分组成的组的成分形成的衬底：
按重量计算大约14%的铬、大约9.5%的钴、大约3.8%的钨、大约1.5%的钼、大约4.9%的钛、大约3.0%的铝、大约0.1%的碳、大约0.01%的硼、大约2.8%的钽和平衡镍；
按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约3.5%的钛、大约4.2%的铝、大约6.0%的钨、大约1.5%的钼、大约4.8%的钽、大约0.08%的碳、大约0.009%的锆、大约0.009%的硼和平衡镍；
按重量计算大约7.5%的钴、大约7.0%的铬、大约6.5%的钽、大约6.2%的铝、大约5.0%的钨、大约3.0%的铼、大约1.5%的钼、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼、大约0.01%的钇和平衡镍；以及
按重量计算大约9.75%的铬、大约7.5%的钴、大约4.2%的铝、大约3.5%的钛、大约1.5%的钼、大约6.0%的钨、大约4.8%的钽、大约0.5%的铌、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼和平衡镍。
15.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述预烧结的预制件混合物包括选自由以下成分组成的组的成分：
第一成分，其按重量计算具有大约27.00%至大约30.00%的Mo、大约16.50%至大约18.50%的CR、直至大约1.50%的Fe、直至大约1.50%的Ni、直至大约0.15%的O、直至大约0.08%的C、直至大约0.03%的P、直至大约0.03%的S及平衡Co；
第二成分，其按重量计算具有大约0.70%至大约1.00%的C、大约26.00%至大约30.00%的CR、大约1.00%的SI、大约4.00%至大约6.00%的Ni、大约3.00%的Fe、大约1.25%的V、大约0.10%的B、大约18.00%至大约21.00%的W和平衡Co；
第三成分，其按重量计算具有大约22.00%至大约24.74%的Cr、大约9.00%至大约11.00%的Ni、大约6.50%至大约7.60%的W、大约3.00%至大约4.00%的Ta、大约2.60%至大约3.16%的B、大约0.55%至大约0.65%的C、大约0.30%至大约0.60%的Zr、大约0.15%至大约0.30%的Ti、直至大约1.30%的Fe、直至大约0.40%的Si、直至大约0.10%的Mn、直至大约0.02%的S和平衡Co；
第四成分，其按重量计算具有大约17.00%的Ni、大约19.00%的Cr、大约4.00%的W、大约0.40%的C、大约0.80%的B、大约8.00%的Si和平衡Co；
和它们的组合。
16.根据权利要求13所述的构件，其特征在于，所述构件是燃气涡轮的轮叶表面的一部分。
17.根据权利要求13所述的构件，其特征在于，所述预烧结的预制件包括基本平坦的几何形状。
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