CN110662619A - 涡轮机发动机部件的钎焊修复 - Google Patents

Abstract

用于高γ'镍基燃气涡轮机部件（1）的结构钎焊修复的系统（10）和方法（1000）。该系统可包括控制器（200），其可操作地连接到例如真空炉的加热系统（100），用于在指定或预定的时间段内控制该炉的加热温度。受损部件被放置在炉中并加热至第一温度，该第一温度被保持指定的时间段，然后被冷却至大约室温。然后，该部件被加热至高于该第一温度的第二温度，该第二温度被保持第二时间段，然后再次被冷却至大约室温。在冷却之后，该部件可在第三时间段内在等于或高于先前温度的第三温度下进行钎焊修复。

Description

涡轮机发动机部件的钎焊修复

技术领域

本公开总体上涉及材料技术的领域，并且更具体而言，涉及用于工业部件的钎焊修复的系统和方法，所述工业部件例如涡轮机发动机的部件，所述涡轮机发动机例如燃气涡轮发动机。

背景技术

在例如燃气涡轮发动机之类的涡轮机中，空气在压缩机部段中被加压，然后与燃料混合并在燃烧部段中燃烧，以产生热燃烧气体。该热燃烧气体在发动机的涡轮部段内膨胀，在那里能量被提取来提供输出功率以产生电。当通过涡轮部段时，该热燃烧气体行进通过一系列级。一级可包括一排静止的翼型件，即静叶，继之以一排旋转的翼型件，即动叶，其中，这些动叶从该热燃烧气体提取能量，以便提供输出功率。由于燃烧和涡轮部段内的部件直接暴露于热燃烧气体，因此这些部件可能会被损坏并需要修复。

由于钎焊材料的高粘度，这些部件的结构钎焊修复是困难的。提高钎焊温度以降低粘度会导致部件的晶界熔化。晶界熔化是不期望的，并且使部件效用降低。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种用于钎焊修复涡轮机发动机的一个或多个部件的方法。该方法包括例如以缓慢加热速率将受损部件加热至第一温度，并将该第一温度保持第一时间段。该第一时间段可以是预定或指定的时间量。在该第一时间段结束时，该部件被允许冷却至例如室温或近似于室温，然后该部件再次被加热至第二温度，该第二温度被保持第二时间段。该第二温度可等于或高于第一温度。该第二时间段可等于或不同于第一时间段。在第二时间段结束时，该部件再次被冷却。其后，例如，可通过非破坏性测试并且根据剩余的晶界共晶体的量来检查该部件，该部件可经受与第一或第二热处理中的任何一个类似的第三热处理，或者可开始以例如快速加热速率进行受损部件的钎焊操作。

在另一个实施例中，提供了一种用于为钎焊修复而准备部件或钎焊修复该部件的系统。该系统可包括控制器，其可操作地连接到加热系统以及可选地连接到冷却系统。该加热系统可被可操作地构造成产生高达或超过部件的熔化温度或例如晶界共晶熔化温度的加热温度。该冷却系统可被可操作地构造成将部件冷却或促进部件冷却至大约室温，例如用于检查该部件，以确定是否可能需要进一步的热处理。在操作中，受损部件可由该加热系统承载，并且该控制器可使该加热系统产生热至第一温度，该第一温度一旦达到就被保持第一时间段。然后，该部件可通过该冷却系统和/或自然地通过减少该加热系统所产生的热来冷却。在该部件冷却至例如室温时，或者在冷却阶段期间，该部件经受第二热处理，其中该部件例如通过缓慢加热速率来加热至第二温度，并且一旦达到该第二温度，该第二温度就被保持第二时间段。该部件再次被冷却，并且可被检查以确定是否开始钎焊修复操作，或进行后续热处理，以在该部件被钎焊之前进一步溶解晶界共晶体。

附图说明

图1图示了在钎焊修复之前和在导致晶界熔化的传统的钎焊修复方法之后的用于涡轮机发动机中的受损部件的示意图；

图2图示了根据本文提供的公开的用于结构钎焊修复的系统的实施例的框图；

图3图示了根据本文提供的公开的可用于图2的系统中的控制器的示例性实施例；

图4图示了根据本文提供的公开的在已执行维修操作的步骤之后的图1的受损部件的示意图，其中晶界共晶体部分溶解和收缩；

图5图示了根据本文提供的公开的经历维修操作中的另一步骤的图1的受损部件的示意图，其中晶界共晶体进一步溶解和收缩；

图6图示了根据本文提供的公开的经历维修操作中的又一步骤的图1的受损部件的示意图，其中在经历维修操作之后，晶界共晶体甚至进一步溶解并且要小得多；以及

图7图示了根据本文提供的公开的用于部件的钎焊修复方法的框图。

具体实施方式

现在参照附图，其中展示仅是出于说明本文的主题的实施例的目的，而并非为了限制本文的主题，图1是例如燃气涡轮发动机部件的涡轮机发动机部件的示意图，所述部件在传统的钎焊修复方法之前和之后具有处于其金相组织（metallurgical structure）的共同的晶界低熔点共晶体，这导致晶界共晶体的熔化。

应当理解的是，在传统的钎焊修复方法下，当钎焊操作在高于部件的晶界熔化温度的温度下进行时，产生不期望的晶界共晶体熔化。

因此，在传统方法下，由于存在晶界共晶体，而限制了钎焊温度和在钎焊操作期间施加的对钎焊温度的加热速率。

本发明人已认识到上述限制，并且确认了传统方法中的弱点。现在，本发明人教导一种新的技术，其用于具有晶界共晶部分的受损部件的钎焊或焊接修复，例如结构修复。

现在参照图2，其示出了例如用于高γ'（gamma prime）镍基燃气涡轮机部件1的钎焊修复系统10的示例性实施例的框图。如图2中所示，系统10可包括加热系统100，其可操作来产生高达或超过共晶晶界的熔化温度、例如介于0和3000℃之间的温度的热。在一个实施例中，加热系统100可以是炉。炉100可以是例如具有分压的真空炉或者吸热气体热处理炉。附加地或替代地，热系统100可以是感应加热系统或其他加热系统，所述加热系统以合理的判断来选择并且可操作来产生高达或超过共晶晶界的熔化温度的热。

应当认识到，当以合理的判断并且根据制品和/或其中的材料的熔化温度来选择时，也可使用能够产生比上面提到的熔化温度更低或更高的温度的炉。

系统10还可包括一个或多个控制器200，其例如经由有线或无线连接15可操作地连接到炉100，并且配置成在指定或预定的时间段内控制该炉的加热温度。在图3的示例性实施例中，控制器200可包括：处理器202，其可操作地连接存储器204，用于执行由存储器204承载的控制应用300的一个或多个指令或命令；或者可操作地连接到处理器202的其他数据存储系统206，例如硬盘驱动器、固态驱动器等。该控制器还可包括用户接口（未示出），其可以是用于接收用户输入以及在显示器（未示出）上生成可显示输出的任何通用接口。控制器200还可包括网络适配器/收发器208，以便于控制器200与系统10的其他装置之间的通信，例如，用于接收和发送与炉100和/或其他冷却装置相关的操作或生产信息。应当理解的是，控制器200可由炉100来承载，即连接到该炉100，或者控制器200可远离炉100。用于控制应用300的一系列指令可包括用于使炉在特定温度下操作指定时间段的指令。附加地或替代地，控制应用300可包括：用于操作一个或多个装置以便将部件1冷却至例如室温的指令；以及用于处理例如来自炉100可操作地承载的一个或多个传感器组件的温度或温度相关的信息以便识别部件1周围的温度的指令。

所述系统还可包括冷却系统、设备或装置130，其可操作地连接到炉100和/或控制器200，例如，用于冷却部件1。冷却装置130可以是与炉100或炉的系统分开的单元，该单元可操作来将其中的任何部件冷却至指定的温度或状态，例如室温。

继续参照附图，并且现在参照图4-7，提供了一种用于钎焊修复部件、例如具有晶界共晶体的受损部件的方法1000。在例如从涡轮机发动机移除受损部件1之后，方法1000可开始于为修复而准备部件1的步骤，例如，这是通过从部件1机械或化学地移除任何涂层，例如金属和/或陶瓷涂层（1005）。

在该示例性步骤中，并且由于涡轮机发动机部件通常具有在操作期间保护该部件和/或下面的基底的一个或多个涂层，因此可能需要移除那些涂层以便修复受损部件。机械移除过程的类型的示例可包括通过喷砂、砂磨和/或喷丸来移除。化学移除过程可包括例如通过化学剥离和/或蚀刻来移除。

在移除任何涂层之后，用于准备部件1的方法还可包括清洁过程，例如通过氟离子清洁（FIC）或类似的过程，以例如从部件1中的裂缝移除任何氧化物。应当理解的是，在存在例如极为紧密的裂缝的紧密裂缝的情况下，在经历清洁过程之前，可使用硬质合金毛刺工具或Dremel切割轮来打开该紧密裂缝。

在清洁过程完成时，或者可替代地，如果不需要清洁，则方法1000可包括将部件放入到例如炉的加热系统100中以经受热处理的步骤。在部件由加热系统100承载的情况下，可施加/开始部件1的第一热处理，并且该第一热处理包括将部件1加热至第一温度达指定或预定的时间段（1010）。该第一温度可以是低于晶界熔化温度的温度，以防止晶界共晶熔化。例如，在否则将在例如1265℃下发生晶界熔化的实施例中，该第一温度可以是熔化温度1265℃的大约98%至98.5%，例如1245℃。该第一温度应足够高，以在不导致晶界共晶熔化的情况下减少或溶解至少一些共晶体。该第一温度也可足够低，以允许在高于该第一温度且低于否则将引起不期望的晶界共晶熔化的温度的温度下进行后续热处理。

附加地或替代地，该第一温度可以是例如高于经受热处理的部件的新制造（铸态）部分固溶处理温度（solution treatment temperature）的温度。例如，在部件包括CM 247的实施例中，对于新制造铸态部件，固溶处理温度（STT）可以是1232℃。在1232℃的STT的情况下，该第一温度可在1242℃进行，这表示高于新制造的STT的大约10℃的升高。应当理解的是，该10℃的升高可取决于存在的超合金材料的类型，并且只要不引起不期望的晶界共晶熔化，则在受损部件的热处理期间，高于STT 10-30℃之间的温度升高是可能的。同样，第一（或后续热处理）温度应足够高，以在不导致任何晶界熔化的情况下溶解晶界共晶体的至少某些部分。

继续参考附图和方法1000，与在传统钎焊操作期间施加的快速加热相比，将部件加热至第一温度可能是逐渐的，即缓慢的。也就是说，部件可在热处理期间被缓慢地加热至第一温度（缓慢加热），这是因为缓慢加热有助于防止晶界共晶化合物的熔化，同时留出时间用于溶解共晶体。缓慢加热的示例可包括以2-5℃/分钟的速率（缓慢加热速率）将部件加热至第一温度。

附加地或替代地，并且由于从例如室温的初始温度缓慢加热至第一温度可能需要过量的时间，因此可使用加热技术（速度）、例如缓慢和加速（例如，快速）加热的组合来达到第一温度或者热处理期间的任何后续温度。在该实施例中，即在缓慢加热可与加速加热组合的情况下，所述部件可最初通过快速加热来加热至例如1100℃，并且随后，例如针对附加的145℃，缓慢加热至第一温度。因为快速加热至例如第一温度可导致晶界共晶熔化，所以在快速加热以达到第一温度之后必须采用缓慢加热。应当避免在热处理期间快速加热至第一温度，这是因为温度快速升高超过如本文所述的任何阈值可导致晶界共晶熔化。因此，优选在缓慢加热之前利用热处理阶段期间的快速加热，并且该快速加热应当用于将温度升高至低于第一温度大约100℃。例如，在第一温度为1245℃的实施例中，快速加热应当持续到大约1145℃，其低于第一温度100℃。还应当理解的是，在另外的实施例中，只要在快速加热阶段期间不引起晶界共晶，则取决于超合金材料和/或其他考虑，可利用超过100℃阈值的快速加热。

继续参照附图，一旦达到第一温度，就应在第一热处理期间将第一温度保持、例如保持恒定大约一到两个小时。应当理解的是，在将第一温度或任何温度保持指定的时间段时，温度的微小变化可能不会负面地影响晶界，只要温度的差异是标称的（nominal）并且与确定第一温度的任何标准一致。

例如，在第一热处理期间保持第一温度的指定或预定的时间段可介于三十分钟和四小时之间，这取决于共晶化合物尺寸、基底材料或其他因素中的一个或多个。也就是说，可能需要更多或更少的时间。在第一温度为大约1245℃的实施例中，该时间段可优选地介于四十五分钟和三小时之间，或更优选地介于一小时和两小时之间。

缓慢加热至第一温度并在该温度下保持预定的时间段允许晶界共晶体溶解而不熔化。这种晶界共晶减少的一个示例在图4的实施例中图示，其示出了在例如大约1245℃下持续大约两小时的第一热处理之后的受损部件1，该第一热处理导致晶界共晶体部分溶解并收缩。

在部件1的热处理之后，部件1被允许冷却至例如室温（1015）。可允许部件自然冷却，即在没有来自任何冷却系统或其他装置的帮助的情况下冷却，或者部件的冷却可通过冷却系统130或用于冷却由炉承载的部件的本领域中已知的任何手段。应当理解的是，例如，自然冷却至室温可通过将加热系统100的温度或加热系统100内的温度降低至室温，或者通过将部件1的温度降低至室温。为了确定部件的当前温度或炉内的当前温度，一个或多个传感器组件、激光读取系统或温度计可被操作性地连接到炉或用于炉内，以确定当前温度。

继续参照附图，在冷却至室温时，方法1000还可包括通过将部件1加热至第二温度持续第二时间段的第二热处理（1020）。应当理解的是，一旦在第一热处理之后部件1已被冷却至室温，或者当以合理的判断来选择时在冷却过程期间的任何时间，可开始将部件加热至第二温度。还应当理解的是，加热至第二温度也可通过缓慢加热，或者通过如针对第一热处理所述的加热技术的任何组合，例如，随着温度接近第二温度而快速至缓慢加热以便进一步溶解晶界共晶体。

如图5所示，在第二热处理之后，图4的晶界共晶体进一步溶解并收缩。用于确定第二温度的手段可类似于以上用于确定第一温度的手段。例如，在否则将在例如1265℃下发生晶界共晶熔化的情况下，该第二温度可以是熔化温度1265℃的大约99%至99.5%，例如1255℃。应当理解的是，该第二温度应足够高，以减小或进一步溶解晶界共晶体尺寸，而不导致任何熔化。附加地或替代地，该第二温度可大于第一温度，例如，大大约0.8%至0.85%，其仍然保持低于否则将导致不期望的晶界熔化的温度。还应当理解的是，加热速率，例如缓慢加热速率，可类似于第一热处理的加热速率，例如，大约2-5℃/分钟的温度升高。

与第一时间段相似，针对第二温度的第二时间段例如可介于三十分钟和四小时之间，并且取决于剩余的共晶化合物。在第二热处理、即在例如介于一小时和两小时之间的第二时间段内保持第二温度之后，部件1被允许通过冷却系统130或本领域中已知的其他冷却手段冷却至例如室温（1015）。

在第二热处理之后将部件1冷却至室温时，部件1可准备好进行钎焊修复操作，即钎焊修复。该钎焊修复可在第三时间段内在任何先前温度下进行，例如溶解晶界共晶体的第一或第二温度，例如1255℃，或在第三温度下进行，该第三温度可以是晶界熔化温度，例如1265℃，或者高于第一和第二热处理的先前温度（1030）。在该实施例中，钎焊修复期间的加热速率不同于热处理期间的加热速率，因为钎焊修复加热速率尽可能快，以防止腐蚀，即，防止钎焊材料溶解贱金属组分。这种快速加热速率的一个示例可以是大约10-30℃/分钟的升高。

一旦达到期望的保持温度，即用于钎焊修复的期望/达到的温度，例如第三温度，用于钎焊修复的时间段可短于第一时间段和第二时间段两者，或者可超出任何先前的时间段，这取决于使部件1达到操作状态、即部件具有返回到涡轮机发动机的结构完整性的状态所需的钎焊修复程度。例如，第三时间段可以在0.1小时和12小时之间，或者优选地在三十分钟和12小时之间。因为第三温度可以是晶界共晶熔化温度，例如1265℃，所以可需要较少的时间来完成钎焊修复。应当理解的是，快速加热至钎焊温度确保了部件1和钎焊材料之间的最小化学相互作用，并且因此降低了腐蚀量。还应当理解的是，钎焊操作的快速加热速率不会导致贱金属的晶界熔化，这是因为对于该温度，贱金属晶界共晶体已溶解。

附加地或替代地，在钎焊修复操作1030之前，方法1000还可包括第三热处理，其通过在指定的时间段内重复步骤1010或1020，以在钎焊修复之前进一步溶解晶界共晶体。应当理解的是，第三热处理可在高于第一和第二温度中的任何一个的温度下进行，并且前提是该温度在施加时不会导致晶界熔化。还应当理解的是，与第一和第二热处理类似，达到第三温度可通过缓慢加热至第三温度，或者通过快速加热随后缓慢加热的组合，如第一和第二热处理中的任何一个中所述，例如，快速加热至低于第三温度的期望温度，并且随后以例如大约2-5℃/分钟缓慢加热，然后在冷却至室温之前，将第三温度保持大约一至两小时。取决于第三热处理之后的晶界共晶体，在钎焊操作之前，可能需要与任何先前热处理类似的后续热处理，其可在任何先前热处理的温度下或在更高的钎焊温度下进行。

如在图6中可以看到的，在类似于第一和第二热处理的第三热处理之后，晶界共晶部分已进一步溶解并且要小得多。

继续参照附图，附加地或替代地，方法1000还可包括例如通过非破坏性测试或本领域中已知的任何其他测试手段来测试部件1，以确定部件1的完整性是否已在热处理期间以及在使部件1恢复操作之前受损。可在部件1的冷却期间或者在将部件1加热至第二、第三或后续温度以溶解晶界共晶体之前的任何时间进行该测试。附加地或替代地，并且在使修复的部件1恢复操作之前，方法1000还可包括将一个或多个涂层施加于部件1。所述涂层可通过用于将涂层施加于部件1的本领域中的已知手段来施加，例如，通过喷涂、气相沉积等来施加。

虽然已详细地描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可根据本公开的整体教导来形成那些细节的各种修改和替代方案。例如，结合不同实施例描述的元件可被组合。因此，所公开的特定布置结构仅意在是说明性的，并且不应被解释为限制权利要求或本公开的范围，该范围将被给予所附权利要求及其任何和所有等同物的全部范围。应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。

Claims (37)

1.一种方法，包括：

将受损部件（1）加热至第一温度，并在所述第一温度下保持第一时间段，以溶解晶界共晶体；

冷却所述部件；

将所述受损部件加热至大于所述第一温度的第二温度，并将所述第二温度保持第二时间段，以进一步溶解所述晶界共晶体；以及

冷却所述部件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受损部件的加热是通过缓慢加热至所述第一温度和所述第二温度中的至少一个。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述缓慢加热是通过2-5℃/分钟的加热速率进行。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受损部件的加热是通过快速加热至低于所述第一温度的第一阈值温度，继之以缓慢加热至所述第一温度和所述第二温度中的至少一个。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括：

在所述部件冷却之后，在钎焊温度下钎焊修复所述受损部件。

6.如权利要求5所述的方法，还包括：

在钎焊修复所述受损部件之前，将所述部件加热至第三温度，并将所述第三温度保持第三时间段，以溶解所述晶界共晶体。

7.如权利要求7所述的方法，还包括：

在所述第三时间段之后并且在钎焊修复之前冷却所述部件。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述部件的钎焊修复在0.1小时至12小时之间。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三温度等于或大于所述第一温度和所述第二温度中的一个。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钎焊温度是通过快速加热速率达到。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述快速加热速率为大约10-30℃/分钟。

12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钎焊温度为晶界共晶熔化温度。

13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钎焊温度等于或大于所述第一温度和所述第二温度中的任何一个，并且其中，所述钎焊温度通过快速加热速率达到。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述快速加热速率为大约10-30℃/分钟。

15.如权利要求1所述的方法，还包括：

在将所述部件加热至所述第一温度之前，为修复准备所述受损部件。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，准备所述受损部件包括从所述受损部件移除任何涂层。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂层通过化学或机械过程移除。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，准备所述受损部件包括从所述受损部件的裂缝清除氧化物。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述氧化物通过氟离子清洁过程清除。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一温度高于所述受损部件的新制造部件固溶处理温度（STT）。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一温度高于所述STT大约10℃。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一时间段和所述第二时间段中的至少一个在1小时和2小时之间。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述部件冷却至室温之前开始加热至所述第二温度。

24.如权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括：

在将所述部件恢复使用之前，通过非破坏性测试来测试所述部件。

25.如权利要求1-4所述的方法，还包括：

在将所述部件恢复使用之前，将至少一个涂层施加于所述部件的表面。

26. 一种系统10包括：

加热系统（100），其可操作地构造成产生高达或超过部件晶界共晶熔化温度的加热温度；以及

控制器（200），其可操作地连接到炉，用于在指定的时间段内控制炉加热温度；

其中，在所述加热系统承载受损部件时，所述控制器可操作地使所述炉以第一加热速率加热至第一温度，并将所达到的第一温度保持第一时间段；

其中，在所述第一时间段结束时，所述第一温度不再被保持，并且所述部件被允许冷却；以及

其中，在所述第一时间段之后冷却所述部件时，所述控制器使所述加热系统以第二加热速率将所述部件加热至第二温度，并且其中，所达到的第二温度被保持第二时间段，并且其中，所述部件在所述第二时间段之后被冷却。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述第二温度大于所述第一温度。

28.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述部件的冷却是通过可操作地连接到所述炉以及可选地连接到所述控制器的冷却系统。

29.如权利要求26所述的系统，其特征在于，在所述第二时间段之后冷却所述部件时，所述控制器使所述炉加热至等于或大于所述第一温度或所述第二温度中的任何一个的第三温度，其中，所述第三温度通过缓慢加热达到，并且其中，所达到的第三温度被保持第三时间段。

30.如权利要求29所述的系统，还包括：

在所述第三时间段之后冷却所述部件。

31.如权利要求26-30中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一温度高于所述受损部件的新制造部件固溶处理温度（STT）。

32.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述第一温度和所述第二温度通过缓慢加热达到。

33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述缓慢加热通过大约2-5℃/分钟的缓慢加热速率进行。

34.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述第一温度和所述第二温度通过快速加热继之以缓慢加热达到。

35.如权利要求34所述的系统，其特征在于，快速加热达到低于所述第一温度的阈值温度。

36.如权利要求35所述的系统，其特征在于，所述快速加热至所述阈值温度是通过大约10-30℃/分钟的快速加热速率进行，并且其中，所述缓慢加热至所述第一温度或所述第二温度是通过大约2-5℃/分钟的缓慢加热速率进行。

37.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述加热系统选自由真空炉、具有分压的真空炉、吸热气体热处理炉或感应加热系统组成的组。

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