CN117324718A - 钎焊前体材料 - Google Patents

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Abstract

提供了一种对基底进行无炉钎焊的方法。该方法包括：提供其上具有钎焊区域的基底；将包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末的钎焊前体材料设置在钎焊区域上；以及引发钎焊前体材料的放热反应，使得所述放热反应产生钎焊材料，所述钎焊材料达到高于钎焊材料的固相线温度的钎焊温度。还提供了钎焊前体材料。

Description

钎焊前体材料
本申请是申请日为2022年03月30日、申请号为202210325417.X、名称为“无炉钎焊方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及无炉钎焊(furnace-less brazing)的方法。更具体地，本发明涉及能够维持用于钎焊接合和/或基底修复的放热反应的钎焊材料。
背景技术
超合金用于制造必须在高温下运行的部件，例如航空或工业燃气涡轮的桨叶(blade)、喷嘴、燃烧器和护罩。在这些部件在恶劣高温条件下运行期间，可能会发生各种类型的损坏或劣化，包括氧化、磨损和开裂。因此，需要改进的钎焊方法来修理涡轮发动机的部件。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
在本发明的一个示例性实施方式中，提供了一种对基底进行无炉钎焊的方法。方法包括：提供其上具有钎焊区域的基底；将包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末的钎焊前体材料设置在钎焊区域上；以及引发钎焊前体材料的放热反应，使得所述放热反应产生钎焊材料，所述钎焊材料达到高于钎焊材料的固相线温度的温度。
在本发明的另一个示例性实施方式中，提供了一种钎焊前体材料。钎焊前体材料包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末，所述钎焊前体材料能够产生钎焊材料，所述钎焊材料具有传播和维持放热反应的钎焊温度；其中，在放热反应之后形成固化的钎焊材料，所述固化的钎焊材料包含镍合金，所述镍合金具有至少5体积％的γ(FCC)相。
通过参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。附图(并入并构成本说明书一部分)阐述了本发明的实施方式，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
通过参考附图，本说明书阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且有效的公开(包括本发明的最佳模式)，在附图中：
图1提供了根据本发明的各种实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面图；
图2显示了根据本发明的示例性实施方式的其上具有经修复的钎焊区域的部件的一部分；
图3显示了根据本发明的示例性实施方式的其上具有经修复的钎焊区域的部件的一部分；
图4显示了根据本发明的示例性实施方式的其上具有经修复的钎焊区域的部件的一部分；
图5显示了根据本发明的示例性实施方式的其上具有经修复的钎焊区域的部件的一部分；
图6显示了根据本发明的示例性实施方式的示例方法的流程图；
图7显示了根据本发明的示例性实施方式的Ni-Al-Pd三元合金组合物的组成范围；
图8显示了根据本发明的示例性实施方式的钎焊区域的SEM显微照片；
图9显示了根据本发明的示例性实施方式的钎焊区域的SEM显微照片；以及
图10显示了根据本发明的示例性实施方式的钎焊区域的SEM显微照片。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方式，附图中显示了本发明实施方式的一个以上示例。具体实施方式使用数字和字母标识来表示附图中的特征。附图和描述中相似或近似的标识已用于表示本发明的相似或近似部分。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，而不意在表示各个部件的位置、顺序或重要性。
除非本文另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接至”等表示直接联接、固定或附接，也表示通过一个以上中间部件或特征进行间接联接、固定或附接。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数引用。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言被应用于修饰任何可以允许改变而不会导致其相关基本功能改变的定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”等一个以上术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或对应于用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以表示10％以内的相对幅度。
如本文所用，术语“粉末”等指颗粒的集合。颗粒可以具有任何构型、形状或尺寸，只要它们适合颗粒的流动性、分散性和/或压实性即可。在一些实施方式中，粉末的中值粒径小于约100μm。
如本文所用，术语“中值粒径”指粒径分布的中值，也称为d50。
在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限定可以进行组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围均包括端点，并且端点可以相互独立地进行组合。
因为由超合金制成的部件的成本相对较高，因此通常更期望修理这些部件而不是更换它们。出于相同原因，由于制造缺陷导致需要修理的新制造部件也优选进行修理而不是报废。此外，在一些需要钎焊接合的制造操作中，优选不要如在等温炉(例如传统真空钎焊)中那样使整个零件经受钎焊温度。
总体上，本发明提供了一种对基底进行无炉钎焊的方法，包括用于制造和修复的接合。方法包括：提供其上具有钎焊区域的基底；将包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末的钎焊前体材料设置在钎焊区域上；以及引发钎焊前体材料的放热反应，使得所述钎焊前体材料达到高于钎焊前体材料的熔化温度的温度；其中，在钎焊前体材料的放热反应之后，形成固化的钎焊材料。例如，钎焊前体材料能够加热至所得钎焊合金至少部分熔化的钎焊温度，从而在基底和固化的钎焊材料之间形成冶金结合。还提供了用于原位修复燃气涡轮发动机部件的钎焊前体材料和方法。本文公开的钎焊方法和材料适用于在不使用炉的情况下钎焊部件。因此，本文公开的钎焊方法和材料可用于炉钎焊不可行或不期望的各种修复。
现在参考附图(所有附图中相同的数字表示相同的元件)，图1是根据本发明的一个示例性实施方式的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更具体地，对于图1的实施方式，燃气涡轮发动机是涡轮风扇喷气发动机10。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定了轴向A(平行于纵向中心线12延伸)和径向R。通常，涡轮风扇发动机10包括风扇部分14和核心涡轮发动机16，核心涡轮发动机16设置在风扇部分14的下游。
所示的示例性核心涡轮发动机16通常包括限定环形入口20的大致管状的外壳18。外壳18以串联流动关系封装：压缩机部分，所述压缩机部分包括增压或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧部分26；涡轮部分，所述涡轮部分包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷射排气喷嘴部分32。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动连接到风扇38和LP压缩机22。
对于所示的实施方式，风扇部分14包括风扇38，风扇38具有以等距间隔的方式联接到风扇盘42的多个风扇桨叶40。如图所示，风扇桨叶40通常沿径向R从风扇盘42向外延伸。风扇桨叶40和风扇盘42可通过LP轴36一起围绕纵向中心线12旋转。在一些实施方式中，可以包括动力齿轮箱(其具有多个齿轮)，用于将LP轴36的旋转速度降低到更有效的风扇旋转速度。
继续参考图1的示例性实施方式，风扇盘42由可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇桨叶40。此外，示例性风扇部分14具有环形风扇外壳或外机舱50，该环形风扇外壳或外机舱50周向地围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应理解，风扇箱(机舱)50可以被配置为通过多个周向间隔的出口导向轮叶(vane)52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，风扇箱50的下游部分54可以在核心涡轮发动机16的外部部分上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的运行期间，一定体积的空气58通过风扇箱50的相关入口60进入涡轮风扇发动机10。随着一定体积的空气58穿过风扇桨叶40，箭头62所示的空气58的第一部分被指引或引导到旁通气流通道56中，箭头64所示的空气58的第二部分被指引或引导到LP压缩机22中。箭头62所示的空气的第一部分和箭头64所示的空气的第二部分之间的比率通常被称为旁通比。然后，箭头64所示的空气的第二部分的压力随着其通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧部分26而增加，在燃烧部分26中它与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被引导通过HP涡轮28，在HP涡轮28中，通过HP涡轮定子轮叶68(联接到外壳18)和HP涡轮转子桨叶70(联接到HP轴或线轴34)的连续阶段，对来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能进行提取，从而导致HP轴或线轴34旋转，由此支持HP压缩机24的运行。然后，燃烧气体66被引导通过LP涡轮30，在LP涡轮30中，通过LP涡轮定子轮叶72(联接到外壳18)和LP涡轮转子桨叶74(联接到LP轴或线轴36)的连续阶段，对来自燃烧气体66的第二部分热能和/或动能进行提取，从而导致LP轴或线轴36旋转，由此支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。
随后，燃烧气体66被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴部分32以提供推进推力。同时，在从涡轮风扇发动机10的风扇喷嘴排气部分76排出之前，箭头62所示的空气的第一部分被引导通过旁通气流通道56，还提供了推进推力。燃烧部分26、HP涡轮28、LP涡轮30和喷射排气喷嘴部分32至少部分地限定热气路径78，用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。
如上所述，涡轮发动机的某些部件可以由金属材料(例如金属合金，包括超合金)制成。在继续使用之后，发动机10的一个以上部件可能会损坏。例如，发动机的某些金属部件可能由于氧化、腐蚀或热机械应力而产生一个以上裂纹或凹坑。
现在参考图2，图2显示了包括钎焊区域104的部件100的截面图。在图2中，钎焊区域104可以为包括需要修复的受损区域的修复区域。例如，受损区域可以包括部件100的基底106中的裂纹或凹坑。在200处，将钎焊前体材料108设置在修复区域104之上或周围。在202处，将钎焊前体材料108点燃，使得发生钎焊前体材料108的放热反应，形成熔融钎焊材料。一旦冷却，熔融钎焊材料固化，在基底106的钎焊区域104中产生固化的钎焊材料109。
在其他实施方式中，如图3所示，热源材料110设置在钎焊前体材料108上方或周围。钎焊前体材料108设置在基底106的钎焊区域104上。例如，在200a处，热源材料110和钎焊前体材料108设置在钎焊区域104上。在202a处，在钎焊前体材料108和热源材料110中引发放热反应，使得钎焊前体材料108的放热反应发生，形成熔融钎焊材料。熔融钎焊材料可以渗入钎焊区域104，并因此修复基底106。热源材料110可以为钎焊前体材料108的放热反应提供额外的热量。热源材料110能够进行放热反应以促进钎焊。在一些实施方式中，热源材料110不改变钎焊组合物。在其他实施方式中，取决于固化的钎焊材料109的所需特性，热源材料110可以与熔融钎焊材料形成合金以参与熔融钎焊材料与基底106的冶金结合。一旦冷却，热源材料110形成固化的热源材料111。此外，一旦冷却，熔融钎焊材料固化，在基底106的钎焊区域104中产生固化的钎焊材料109。
如图4所示，可能需要接合两个金属部件。因此，可以将第一部件120和第二部件130放在一起，使得在第一部件和第二部件之间形成接头间隙140。在200b处，钎焊前体材料108设置在接头间隙140之上、之中或周围。在202b处，在钎焊前体材料108中引发放热反应，由填充接头间隙140的钎焊前体材料108形成熔融钎焊材料。熔融钎焊材料可以重新固化，从而在第一部件120和第二部件130之间的接头间隙140中产生固化的钎焊材料109，由此有效地接合两个部件。
与图3所示的示例实施方式类似，在图5中，热源材料110可以设置在钎焊前体材料108之上或周围以促进钎焊。例如，在200c处，钎焊前体材料108可以设置在接头间隙140上，热源材料110可以设置在钎焊前体材料108之上或周围。在202c处，在钎焊前体材料108和热源材料110中引发放热反应，形成熔融钎焊材料。熔融钎焊材料可以渗入接头间隙140。一旦冷却，熔融钎焊材料在接头间隙140中固化产生固化的钎焊材料109，从而将两个部件接合在一起。热源材料110可以为钎焊材料(由钎焊前体材料108的放热反应形成)提供额外的热量。热源材料110能够进行放热反应以促进熔融钎焊材料的钎焊和/或提高钎焊质量。在一些实施方式中，热源材料110不参与钎焊。例如，热源材料110不与熔融钎焊材料形成合金以参与熔融钎焊材料与部件120和部件130的结合。然而，在其他实施方式中，取决于固化的钎焊材料109的所需性质，热源材料110可以与熔融钎焊材料混合以参与熔融钎焊材料与部件120和部件130的冶金结合。一旦冷却，热源材料110形成固化的热源材料111。
如图6所示的方法300可用于对部件进行钎焊。在302处，方法包括：提供其上具有钎焊区域的基底。钎焊区域可包括修复区域，例如凹坑、部分裂纹、全厚度(through-thickness)裂纹或它们的组合。在实施方式中，钎焊区域包括一个以上待接合在一起的部件之间的接头间隙。基底可以为金属基底，例如镍基合金(包括镍基超合金)、铁基合金(包括铁基超合金)、钴基合金(包括钴基超合金)、钛基合金或它们的组合。说明性的镍基合金包括：包含至少约40wt％的Ni以及选自钴、铬、铝、钨、钼、钛和铁中的至少一种组分的超合金。镍基超合金的实例包括商品名和/>并且包括定向固化超合金和单晶超合金。说明性的钴基合金包括：包含至少约30wt％的Co以及选自镍、铬、铝、钨、钼、钛和铁中的至少一种组分的超合金。钴基超合金的实例包括商品名和/>在涡轮部件的情况下，基底可以为涡轮喷嘴、护罩、护罩悬挂器、压力平衡密封件、桨叶、外壳或燃烧器部件的形式。
在304处，方法包括可选地对基底进行预处理。例如，可以对基底进行预处理以去除污染物，例如氧化物层、灰尘或腐蚀产物，以便促进钎焊材料润湿到基底106。例如，可以对修复区域进行化学清洁、去污剂洗涤或机械研磨、砂磨、喷砂或钻孔，以为表面钎焊做准备。
在306处，方法包括将钎焊前体材料设置在基底的钎焊区域上。下文将更详细地解释钎焊前体材料的组成。
在308处，方法包括可选地将热源材料设置在钎焊区域上的钎焊材料之上或周围。热源材料可以为放热的热源材料，其能够在反应时提供热量以升高钎焊前体材料和/或熔融钎焊材料的温度，从而实现所需的钎焊温度，导致钎焊材料和基底之间的冶金结合。热源材料可以根据钎焊前体材料和下方基底的组成来配制。例如，在实施方式中，热源材料可以包含一种以上金属粉末(例如至少两种金属粉末)。例如，热源材料可以包含铝粉和镍粉的混合物。在一些实施方式中，热源材料不参与钎焊。例如，热源材料的元素或组分基本上不与沿着基底上的钎焊区域的钎焊材料的元素混合或合金化。因此，热源材料促进钎焊，但不会显著改变钎焊的组成。在其他实施方式中，可能期望热源材料的某些组分参与钎焊。在此种实施方式中，热源材料可以熔化并与熔融钎焊材料形成合金，熔融的热源材料的元素可以参与沿着基底上的钎焊区域与熔融钎焊材料的冶金结合。
除了为钎焊反应提供辅助热源之外，热源材料还可以帮助提高所得钎焊的质量。例如，热源材料的添加可以导致更致密的固化的钎焊材料，并且可以促进钎焊材料润湿到基底上。
在310处，方法包括引发钎焊前体材料的放热反应以对基底的钎焊区域进行钎焊。钎焊前体材料可以用外部热源(例如燃烧炬、激光或电加热器)点燃。例如，在某些实施方式中，氢-氧炬可用于点燃钎焊前体材料。因此，在某些实施方式中，可以直接加热钎焊前体材料以引发放热反应。在其他实施方式中，可以间接加热钎焊前体材料以引发放热反应，例如通过加热下方基底。
一旦引发，钎焊前体材料的放热反应能够穿过反应材料的体积迅速传播，热量可以充分升高温度以熔化钎焊前体材料并提供与基底的冶金结合。因此，钎焊前体材料的放热反应产生熔融钎焊材料。在修复区域构成凹坑或裂纹的实施方式中，熔融钎焊材料流入并填充凹坑或裂纹。在其他实施方式中，在钎焊用于接合部件的情况下，熔融钎焊材料流入并填充部件之间的接头间隙。例如，熔融钎焊材料可以达到能部分熔化基底的相邻表面的钎焊温度，使得熔融基底材料与熔融钎焊材料混合，从而将熔融钎焊材料与基底结合。
在310处完成放热反应后，熔融钎焊材料冷却，因此重新固化以形成经钎焊的基底。固化的钎焊材料具有合适的延展性和强度，使得经修复的基底或经接合的部件可以用于它们各自的应用中。例如，固化的钎焊材料可以包含镍基合金，所述镍基合金具有至少5体积％的γ(FCC)相。与其他已知的放热材料相比，由此提供的钎焊材料具有足够的延展性和与金属基底的热化学相容性。在312处，可以对钎焊基底进行可选的表面处理。例如，可以对基底进行额外的机械加工、抛光或其他表面改性，以恢复钎焊基底所需的几何形状、表面光洁度和/或表面化学性质。
本文所述的钎焊材料包含一种以上金属粉末。例如，钎焊材料可以包含镍粉、铝粉、铂族金属粉末或它们的组合。例如，如本文所用的“铂族金属粉末”指包含一种以上铂族金属的金属粉末，所述铂族金属包括铂、钯、铑、钌、锇和铱。在一些实施方式中，包含在钎焊前体材料中的粉末可以由任何材料制成，例如镍、铬、铁、铌、钽、钼、钛、铝、钯、钛、钴、碳、锰、硅、硼、铜或它们的任何组合。在一些实施方式中，包含在钎焊前体材料中的粉末可以为部分预合金化的。如本文所用的“金属粉末”不仅限于元素金属粉末。例如，含有预合金化镍钯粉末的粉末将被视为镍粉和钯粉两者，因为两种金属元素均存在于粉末中。类似地，包含多种金属元素的粉末混合物可用作根据本文提供的示例实施方式的合适粉末。例如，钎焊前体材料可以包含预合金化镍钯粉末、预合金化镍钴粉末、预合金化镍铬粉末及它们的任何组合。此外，使用的粉末可以在加入钎焊前体材料之前根据合适的工艺进行预处理。例如，粉末可以在它们加入钎焊前体材料之前被部分或完全氧化。
如图7所示，在一个实施方式中，钎焊前体材料可以包含三元合金组合物，其含有如区域250所示的特定原子百分比的镍、铝和钯。在实施方式中，钎焊前体材料中钯与镍的原子比可以为约0.43至2.33(例如0.54至1.67)。在其他实施方式中，钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比可以为约0.15至0.67(例如约0.16至0.47)。在一些实施方式中，铝与钯和镍的总和的原子比为约0.12至约0.4。在一些实施方式中，钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。在实施方式中，钎焊前体材料是镍基的，其中，镍是钎焊材料中按原子重量计最大的单一元素。
实际上，钎焊前体材料中使用的金属粉末的具体量可以根据下方基底的材料以及钎焊材料的所需钎焊温度、延展性和/或强度来进行调整。在点燃后，所提供的钎焊前体材料能够传播和维持放热反应，所述放热反应产生高于钎焊材料的固相线温度的钎焊温度。例如，一旦点燃，钎焊前体材料中的金属粉末开始熔化，形成包含钎焊前体材料中金属粉末元素的熔融钎焊材料。
有利地，由于本文提供的钎焊前体材料能够放热产生高于所得钎焊材料的固相线温度的钎焊温度，因此无需用炉进行修复。此外，由于钎焊过程发生得非常迅速，通常在约10至约100秒内，钎焊可以在不使用真空或还原气氛的情况下完成，例如可以在环境气氛中完成。
可选地，钎焊材料可以包含一种以上用于降低钎焊材料熔化温度的元素，以确保钎焊前体材料在钎焊过程中完全熔化。用于目标钎焊的熔点抑制剂可以包含硅、硼、钯、钛、磷或它们的组合。
钎焊前体材料还可以包含一种以上焊剂材料，用于促进基底的脱氧和随后的润湿。
钎焊前体材料可以包含多种其他合金添加物，例如用于提高钎焊的强度、延展性和抗氧化性。钎焊成分的成本以及材料可用性和与基底的兼容性也是考虑因素。此外，钎焊前体材料可以包含一种以上金属氧化物以提高绝热反应温度、延迟反应的引发温度和/或改变最终钎焊组合物。例如，钎焊前体材料可以包含至多约15原子％的氧化镍和/或氧化钴。
如上所述，钎焊前体材料包含一种以上金属粉末，例如镍粉、钴粉、铝粉、钯粉、铂粉或它们的组合。在此种实施方式中，所选粉末的粒径和堆积密度对于放热反应的传播和维持可能是关键的，使得可以达到所需的钎焊温度并保持所需的时间段。例如，包含中值粒径过低或过高的金属粉末可能会导致钎焊材料无法达到所需的钎焊温度，或过快地达到钎焊温度并在钎焊过程完成之前冷却。实际上，如果放热反应不能在足够时间段内产生足够热量来完全熔化钎焊前体材料，则不可能实现良好的冶金修复。因此，在实施方式中，钎焊前体材料中的镍粉的中值粒径为约50μm至约90μm，铝粉的中值粒径为约3μm至小于75μm(例如约5μm至约35μm，例如约10μm至约30μm)。镍粉的中值粒径与铝粉的中值粒径的所需比率为约7：1至约2：1。
钎焊前体材料可以以任何合适的形式设置，包括预成型粒料。例如，在实施方式中，钎焊前体材料包含一种以上金属粉末，所述金属粉末被压成预成型粒料，所述预成型粒料的密度为理论值的40％至85％。可以根据任何合适的方法计算理论密度。例如，圆柱形粒料的理论密度可以通过测量大块(bulk)粒料体积VB来计算：
VB＝h*πr2
式中，h为粒料高度，r为粒料半径。理论粒料体积VT可以通过将每种粉末成分的质量mi除以粉末的相应元素密度ρi而得到：
一旦得到理论粒料体积，理论密度ρT可以如下进行计算：
ρT[％]＝VT/VB*100
在其他实施方式中，可以将形成钎焊前体材料的金属颗粒配制在合适的粘合剂/溶剂基质中，以制备可以容易地应用于基底的修复区域的糊剂、浆料或油灰。溶剂可以为水性的或有机的。粘合剂通常是水性材料，例如聚环氧乙烷和各种丙烯酸树脂；或溶剂型材料。浆料可包含多种其他常规添加剂，例如分散剂、润湿剂、抗絮凝剂、稳定剂、抗沉降剂、增稠剂、增塑剂、软化剂、润滑剂、表面活性剂、消泡剂和固化改性剂。可以通过任何便捷的技术(例如通过注射器挤出)，将一层以上的浆料沉积在基底上(或在被接合的两个基底之间)。在加热到钎焊温度之前，可以通过任何合适的方式对浆料进行热处理，以除去其部分或全部挥发性组分。
可选地，钎焊前体材料可以以带状预成型件的形式设置。例如，可以将上述浆料流延以生产自立式(free-standing)片材或带材。流延法是本领域已知的。通常，将浆料流延到可移除的支撑片材(例如由诸如的材料形成的塑料片材)上。然后使浆料中基本上所有挥发性物质蒸发。然后将可移除的支撑片材从生坯(green)钎焊前体带材上分离。所得带材的厚度通常为约100μm至约2000μm。然后可以将自立式生坯钎焊前体带材切割成适合特定钎焊技术的尺寸，并应用于将进行钎焊的位置。在实际钎焊步骤之前，可以使用各种技术暂时将带材固定在适当的位置，该技术包括胶粘和定位焊(tack-weld)。
金属片材或“箔”形式的钎焊材料的使用也是本领域已知的。作为一个示例，可以先将粉末形式的钎焊前体材料与粘合剂和/或在组成上与基底相似的其他金属粉末结合。然后例如通过冷喷涂技术，将结合后的材料沉积到支撑片材上。然后移除支撑片材，留下所需的金属箔。此种类型的箔也可以通过其他方法(例如非晶金属条带技术)制备。也可以使用“预成型”技术，其中可以对前述生坯带材进行处理以移除任何粘合剂，从而形成金属片材。如上所述，在实际钎焊步骤之前，可以将箔片暂时固定在基底上的适当位置。
钎焊前体材料可以通过冷喷涂设置在基底上，其中，使用超音速载气在足够低的温度下加速粒子以防止粒子熔化或相互扩散，从而在基底表面上形成致密的沉积物。
还提供了用于原位修复燃气涡轮发动机部件的方法。方法包括：提供其上具有修复区域的基底；将包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末的钎焊前体材料设置在钎焊区域上；以及引发钎焊前体材料的放热反应以影响基底的钎焊修复。
因此，本发明涉及一种无炉钎焊的方法，例如基底的修复或部件的接合。更具体地，本发明提供了一种能够维持放热反应的钎焊前体材料，使得来自放热反应的热量促进基底的钎焊。有利地，本文提供的方法允许金属部件(包括燃气涡轮发动机的热气路径中的部件)的环境大气下局部修复。方法还允许进行模块内、外壳内和机翼上的维修，以及大型结构维修，而无需拆卸和受控气氛下的炉内钎焊。方法减少了维修的周期时间、成本和劳动力。
提供以下示例以更全面地了解修复方法。作为说明性阐述的具体技术、条件、材料和报告数据是示例性的，而不应被解释为限制本发明主题的范围。
在一个示例中，提供了镍基超合金基底。钎焊前体材料包含直径为10mm的冷压粒料，所述冷压粒料包含50原子％铝和50原子％镍的元素粉末混合物。钎焊前体材料的粒料的密度为约75％。镍颗粒的D50为70μm，铝颗粒的D50为20μm。将钎焊前体材料放置在/>基底上。用炬对钎焊前体材料进行加热以引发放热反应。如图8所示，钎焊前体材料的元素粉末成分与基底表面形成合金，从而在基底和钎焊之间形成薄的反应区。
在又一个示例中，提供了GTD-222镍基超合金的基底。钎焊前体材料包含直径为约12.5mm的冷压粒料，并且包含37.5原子％钯、37.5原子％铝和余量镍的元素粉末混合物。钎焊前体材料的粒料的密度为约78％。镍颗粒的D50为70μm，铝颗粒的D50为20μm。将钎焊前体材料放置在GTD-222基底的空腔上，用炬进行加热以引发放热反应。如图9所示，构成钎焊前体材料的元素粉末完全反应并部分熔化基底表面，从而在基底和钎焊之间形成薄的反应区。
在又一个示例中，提供了的基底。钎焊前体材料包含直径为约12.5mm的冷压粒料，并且包含40原子％钯、12原子％铝和余量镍的元素粉末混合物。钎焊前体材料的粒料的密度为约68％。镍颗粒的D50为70μm，铝颗粒的D50为20μm。将钎焊前体材料放置在/>基底中的空腔上，用炬进行加热以引发放热反应。构成钎焊前体材料的元素粉末完全反应并部分熔化基底表面。如图10所示，所得钎焊料包含大于5体积％的γ-FCC相。具体地，显微照片中的伽马相(FCC-(Ni,Pd))看起来较暗，而显微照片中具有一些伽马相(FCC-(Ni,Pd))的Pd2Al看起来更亮。
尽管本文提供的示例性方面涉及燃气涡轮发动机，但本发明不限于此。例如，可以想到本文所述的钎焊材料可用于修复任何金属或陶瓷部件，尤其是在使用钎焊炉是不可行的情况下。
以下条款的主题提供了本发明的其他方面：
1.一种对基底进行无炉钎焊的方法，其中，所述方法包括：提供其上具有钎焊区域的基底；将包含镍粉、铝粉和铂族金属粉末的钎焊前体材料设置在钎焊区域上；以及引发钎焊前体材料的放热反应，使得所述放热反应产生钎焊材料，所述钎焊材料达到高于钎焊材料的固相线温度的温度。
2.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊材料冷却形成固化的钎焊材料，所述固化的钎焊材料包含镍合金，所述镍合金具有至少5体积％的γ面心立方(FCC)相。
3.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊前体材料中钯与镍的原子比为约0.43至2.33，所述钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比为约0.15至0.67，进一步，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
4.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊前体材料中钯与镍的原子比为约0.54至1.67，所述钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比为约0.16至0.47，进一步，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
5.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊前体材料还包含硼、钴、钛、铂、一种以上金属氧化物或它们的组合。
6.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述镍粉的中值粒径与所述铝粉的中值粒径的比率为约7：1至约2：1。
7.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述铂族金属粉末的中值粒径与所述铝粉的中值粒径的比率为约7：1至约2：1。
8.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述铝粉的中值粒径为约8μm至约50μm，例如约10μm至约30μm。
9.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述镍粉的中值粒径为约50μm至约90μm。
10.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊温度高于所述钎焊材料的液相线温度。
11.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊温度能够部分地熔化所述金属基底的相邻表面以增强所述钎焊材料和所述基底之间的结合。
12.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊区域包括修复区域，所述修复区域包括所述基底中的凹坑、部分裂纹或全厚度裂纹。
13.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述钎焊区域包括两个待接合的金属基底之间的接头间隙。
14.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述基底是用于燃气涡轮发动机的部件的一部分。
15.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在引发钎焊前体材料的放热反应之前，将热源材料设置在钎焊区域上的钎焊前体材料上。
15.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述方法包括将热源材料设置在钎焊区域上的钎焊前体材料上。
16.一种钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料包含：镍粉、铝粉和铂族金属粉末，所述钎焊前体材料能够通过放热反应产生钎焊材料；其中，在放热反应之后形成固化的钎焊材料，所述固化的钎焊材料包含镍合金，所述镍合金具有至少5体积％的γ(FCC)相。
17.根据前述条款中任一项所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料中钯与镍的原子比为约0.43至2.33，所述钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比为约0.15至0.67，进一步，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
18.根据前述条款中任一项所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料中钯与镍的原子比为约0.54至1.67，所述钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比为约0.16至0.47。
18.根据前述条款中任一项所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料中钯与镍的原子比为约0.54至1.67，所述钎焊前体材料中铝与钯和镍的总和的原子比为约0.16至0.47，进一步，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
19.根据前述条款中任一项所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料的密度为理论值的约40％至约85％。
20.根据前述条款中任一项所述的钎焊前体材料，其中，所述铝粉的中值粒径为约8μm至约50μm，例如约10μm至约30μm，所述镍粉的中值粒径为约50μm至约90μm。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，还使本领域的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何设备或系统以及进行任何组合方法)。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能想到的其他示例。如果此类其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则它们旨在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种钎焊前体材料，所述钎焊前体材料包含：
含有铝的第一粉末；
含有铂族金属的第二粉末；并且
所述钎焊前体材料含有至少18原子％的镍；
其中，所述钎焊前体材料能够传播并维持放热反应以产生固化的钎焊材料。
2.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料的放热反应产生高于所述固化的钎焊材料的固相线温度的钎焊温度。
3.根据权利要求2所述的钎焊前体材料，其中，所述固化的钎焊材料包含具有至少5体积％的γ(FCC)相的镍合金。
4.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料包含的钯与镍的原子比为约0.43至2.33，所述钎焊前体材料包含的铝与钯和镍的总和的原子比为约0.15至0.67，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
5.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料包含的钯与镍的原子比为约0.54至1.67，所述钎焊前体材料包含的铝与钯和镍的总和的原子比为约0.16至0.47，所述钎焊前体材料包含小于或等于50原子％的镍。
6.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料还包含硼、钴、钛、铂、一种以上金属氧化物或它们的组合。
7.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述含有铝的第一粉末的中值粒径为约3μm至约75μm，例如约5μm至约35μm，含有镍的第二粉末的中值粒径为约50μm至约90μm。
8.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料包含粒料形式。
9.根据权利要求8所述的钎焊前体材料，其中，所述粒料形式的密度为理论值的40％至85％。
10.根据权利要求1所述的钎焊前体材料，其中，所述钎焊前体材料包含粘合剂/溶剂基质中的粉末。
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