CN117328007A - 用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的方法和系统 - Google Patents

用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件(48)上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的方法和系统(46)。该方法和系统(46)利用高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料。热喷涂应用将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金喷涂到含有受损部分(14)的镍基部件(48)的表面(58)上。喷涂的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金在镍基部件(48)的受损部分(14)内形成固化沉积物(56)。固化沉积物(56)是含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层。均匀钎焊涂层促进镍基部件(48)的受损部分(14)中具有低不连续性的高密度钎焊接头。

Description

用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连 续性的高密度钎焊接头的方法和系统
背景技术
技术领域
本公开的实施方案总体上涉及钎焊，并且更具体地涉及用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的方法和系统。
领域的讨论
其中使用钎焊的一个领域是镍基部件(诸如由镍基超合金构建的那些)的修复。涡轮零件是可由镍基超合金构建的部件的示例。镍基超合金适合用作涡轮部件，这是因为它们在接近其熔点的操作温度下承受载荷的能力、它们对机械降解的抵抗力以及它们对环境腐蚀的抵抗力。然而，随着时间的推移，由镍基超合金制成的这些涡轮部件可能由于它们在其中操作的环境而磨损或腐蚀。因此，这些镍基超合金涡轮部件必须被替换或修复。
修复镍基超合金涡轮部件通常涉及通过钎焊进行修复。镍基超合金涡轮部件的钎焊修复由于多种原因优于其他修复方法诸如焊接。例如，钎焊通常不会像焊接那样促进裂纹。另外，钎焊通常可防氧化。另外，钎焊可允许接合异质材料(例如，金属到陶瓷)。与钎焊相关联的另一个益处是，由于钎焊合金的定制组成，钎焊合金可具有更好的耐腐蚀性和耐高温蠕变性。
尽管钎焊是修复镍基超合金涡轮部件的优选方法，但在获得具有低不连续性的高密度钎焊接头方面存在挑战。例如，用于修复诸如涡轮叶片和叶轮的镍基超合金涡轮部件的一种钎焊方法涉及使用含有钎焊合金的浆料。通常，在涡轮叶片和叶轮的钎焊修复中，将浆料放入已经从涡轮部件的基材挖空的开口或间隙中，以去除具有缺陷(诸如例如裂纹)的受损部分。
在将浆料放置在间隙中之后，将叶片或叶轮放入炉中，在炉中加热涡轮部件以在部件的基材与含有钎焊合金的浆料之间产生固体连接。特别地，由炉提供的热量使得来自浆料的液体通过扩散被去除。然后将钎焊合金的颗粒加热并烧结在一起，以在钎焊合金和涡轮部件的基材之间形成固体连接。这种方法的一个问题是，由于钎焊合金在接头中的低密度，钎焊接头经常被空隙或孔隙占据。钎焊接头中的空隙导致接头具有降低的接头强度，因为横跨接头的强度由于空隙而不相同。
使用浆料来修复涡轮叶片或叶轮的另一个问题是，由于涡轮部件的几何形状和定位，可能难以将浆料插入挖空的间隙中以及在钎焊期间将浆料保持在间隙中的适当位置。这通常导致在间隙中过度施加浆料，以解决浆料将不会在间隙中停留在适当位置的可能性。因此，浆料可行进到涡轮部件的其他零件，这可导致这些零件的腐蚀。
在需要修复镍基超合金涡轮部件(诸如涡轮叶片和叶轮)的另一钎焊方法中，使用高流动性钎焊合金和低流动性钎焊合金来产生钎焊接头。在这种方法中，通常首先将低流动性钎焊合金施加到间隙中，然后将高流动性钎焊合金大量地用在低流动性钎焊合金的顶部。在钎焊合金的加热和烧结过程中，高流动性钎焊合金将扩散到低流动性钎焊合金中(即，在低流动性钎焊合金的间隙空间之间)。类似于依赖浆料的钎焊方法，高流动性钎焊合金向低流动性钎焊合金中的扩散通常由于接头中的空隙而导致低密度钎焊接头。因此，由高流动性钎焊合金和低流动性钎焊合金的钎焊产生的钎焊接头由于跨越接头的不均匀接头强度而具有减小的强度。尽管有可能具有低密度钎焊接头，但是这种钎焊方法在涡轮零件诸如涡轮叶片和叶轮的具体实施中具有其局限性，因为它可能是缓慢的过程，并且是以导致可重复的修复结果的方式工业化复杂的过程。
发明内容
以下呈现所公开的主题的简化概述，以便提供对本文描述的各种实施方案的一些方面的基本理解。这种概述不是对各个实施方案的广泛综述。其不旨在排他地识别权利要求中阐述的所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。其唯一的目的是以简化的形式为序言提出本公开的一些概念，稍后呈现更详细的描述。
本发明的各种实施方案涉及提供解决上述用于修复镍基部件的钎焊方法的问题的解决方案，该钎焊方法依赖于浆料和扩散来实现钎焊修复。本发明的实施方案通过利用高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料并将钎焊合金材料热喷涂到待修复的镍基部件的一部分的表面上而克服了先前钎焊方法的问题。钎焊合金材料的热喷涂在被修复的镍基部件的部分内形成材料的固化沉积物。固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层。另外，由于与高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的热喷涂应用相关联的动能和热能，均匀钎焊涂层的固化沉积物非常致密或紧密堆积。由钎焊合金的热喷涂获得的高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀性和密度的组合提供了与在前述钎焊方法中使用的钎焊合金相比具有结构优势的固化沉积物，因为该固化沉积物消除了沉积物中的空隙或孔隙。以这种方式，当镍基部件和固化沉积物在炉中加热时，形成具有低不连续性的高密度钎焊接头，并且由于缺乏空隙而在整个接头上具有均匀的接头强度。
根据一个实施方案，提供了一种方法。该方法包括获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；以及将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中该固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中该均匀钎焊涂层中的高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％并且该均匀钎焊涂层中的低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比。
根据另一个实施方案，提供了一种修复镍基的受损部分的方法。该方法包括：获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层具有小于约2％的孔隙率；以及加热镍基部件和均匀钎焊涂层以导致镍基部件和均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化镍基部件，冶金结合在镍基部件的受损部分中产生钎焊接头。
根据第三实施方案，提供了一种用于修复镍基部件的受损部分的系统。该系统包括：高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料；热喷涂装置，该热喷涂装置被构造成接收原料并将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中热喷涂装置包括：气体加热器，该气体加热器被构造成用加压气体加热高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；和喷嘴，该喷嘴被构造成接收加热的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料，并且以超音速将加热的钎焊合金材料引导至含有受损部分的镍基部件的表面，该超音速将大量动能赋予加热的钎焊合金材料以在受损部分内形成固化沉积物，其中固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比；和炉，该炉被构造成加热镍基部件和均匀钎焊涂层，其中在炉中产生的热量导致镍基部件和均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化镍基部件，冶金结合在镍基部件的受损部分中产生钎焊接头。
附图说明
通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述，将更好地理解本发明，其中：
图1A和图1B示出了根据本发明的一个实施方案的涡轮部件的各部分的示例，这些部分可以通过热喷涂钎焊合金材料来修复以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头；
图2是根据本发明的一个实施方案的描述了用于通过热喷涂含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的钎焊合金材料来修复镍基部件诸如涡轮部件的方法的操作的流程图；
图3示出了根据本发明的一个实施方案的芯焊丝的示例，该芯焊丝被构造成具有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金并且被供应作为用于热喷涂镍基部件的原料；
图4是根据本发明的一个实施方案的用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金热喷涂镍基部件的系统的示意图；
图5是根据本发明的一个实施方案的热喷涂装置诸如冷喷涂设备的示意图，该热喷涂装置可以用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金热喷涂镍基部件；并且
图6示出了根据本发明的一个实施方案的在热喷涂之后在镍基基底上的高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的固化沉积物的示意图。
具体实施方式
在下文中将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施方案，附图中示出了一些但并非所有实施方案。实际上，本发明可以许多不同的形式具体体现，并且不应理解为限于本文中列出的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。类似的数字可始终指代类似的元件。
本公开总体上涉及钎焊镍基合金，并且更具体地涉及用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的方法和系统。关于由诸如镍基合金的镍基材料形成的涡轮零件描述了本发明的各种实施方案。特别地，实施方案描述了可用于具有压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段的气体涡轮发动机中的气体涡轮喷嘴(叶轮)。然而，应当理解，根据这些实施方案的用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上的方法和系统具有超出气体涡轮喷嘴之外的适用性，并且因此，这些实施方案并不意味着限于与喷嘴一起使用。例如，各种实施方案可涉及将钎焊合金材料热喷涂到由镍基材料形成的可能随时间磨损或腐蚀并且需要修复受损部分的气体涡轮的其他部件上。翼型件、叶片(轮叶)、护罩、燃烧器、旋转涡轮部件、轮、密封件和其他热气体部件是气体涡轮部件的非限制性示例，该气体涡轮部件可由诸如镍基超合金的镍基材料形成，并且因此可应用于本文所述的用于热喷涂钎焊合金材料的方法和系统。
此外，应理解，镍基气体涡轮部件可在利用涡轮机械的所有类型的气体涡轮系统和气体涡轮燃烧系统中操作，而不管它们的应用如何(例如，基于陆地、基于海洋和基于航空的应用)。使用涡轮机(包括但不限于重型框架工业气体涡轮、航改式气体涡轮、船用气体涡轮、氨燃料气体涡轮、氢燃料气体涡轮、航空气体涡轮和常用燃烧涡轮)的气体涡轮系统和气体涡轮燃烧系统是具有由镍基材料制成的部件或零件的系统的非限制性示例，该部件或零件可随时间推移磨损或腐蚀并且需要通过钎焊进行修复，因为这些部件难以焊接。
此外，用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基材料上的方法和系统具有超越气体涡轮系统和气体涡轮燃烧系统的效用，并且特别地，可用于通常难以焊接的镍基材料的部件或零件的任何钎焊应用中，并且因此需要使用钎焊来执行受损部分的修复。
现在转到附图，图1A和图1B示出了根据本发明的一个实施方案的涡轮部件10的各部分的示例，这些部分可以通过热喷涂钎焊合金材料来修复以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头。特别地，图1A和图1B示出了可用于气体涡轮发动机中的喷嘴12的不同视图。喷嘴12可由难以焊接(DTW)的合金形成。如本文所用，“DTW”合金是表现出液化以及焊接和应变时效裂纹的合金，使得焊接变得困难且不切实际。在一个实施方案中，喷嘴12可由包括镍基超合金的DTW合金形成。镍基超合金的示例可包括但不限于GTD 111、GTD 444、GTD262、Rene N2、Rene N4、Rene N5、Rene N6、Rene 65、Rene 77(Udimet 700)、Rene 80、Rene88DT、Rene104、Rene 108、Rene 125、Rene 142、Rene 195、Rene N500、Rene N515、CM247、MarM247、CMSX-4、CMSX10、MGA1400、MGA2400、IN100、INCONEL 700、INCONEL 738、INCONEL792、PWA1480、PWA1483、PWA 1484、Mar-M-200、UDIMET 500、ASTROLOY及其组合。
由于涡轮部件10可操作的环境，喷嘴12可能磨损或腐蚀并被损坏。图1A示出了在涡轮部件10的下部区域16处(即，在过渡到平台20的喷嘴12的圆角区段18上方)具有受损部分14的喷嘴12。如图1A所示，受损部分14从形成喷嘴12的基材中被挖空以在材料中限定间隙22。通常，含有受损部分的材料可以包括缺陷，该缺陷可以是裂纹、压痕、腐蚀或其他表面不规则性的形式，其中材料从喷嘴12的基材去除或以其他方式损坏。受损部分14可以使用在涡轮部件的修复中使用的多种众所周知的材料去除技术中的任一种从涡轮部件的下部区域16去除。这些材料去除技术可以包括但不限于机械磨损(例如，喷砂、机械研磨、切割)、放电加工、化学蚀刻、以及它们的组合。
在去除受损部分14之后，可以清洁在间隙22附近的喷嘴12周围的剩余部分，并准备钎焊。喷嘴12周围的待通过钎焊修复的剩余部分的清洁和准备可包括清洁和/或脱脂剩余部分的表面。例如，清洁和/或脱脂可包括但不限于在真空下热清洁受影响区域、丙酮擦拭、喷砂、氟离子清洁(FIC)、氢清洁、以及它们的组合。
在一个实施方案中，如图1B中所示，可将试样块或垫板24施加到喷嘴12的内部部分26以便于钎焊。特别地，垫板24用作平台或预成形衬垫，用于使钎焊合金材料着陆，同时填充受损部分14中的间隙22。虽然图1B从喷嘴的内部示出了垫板24，但是另一侧可以具有中间部分，该中间部分是突出到喷嘴12的表面的脊。以这种方式，可以将钎焊合金材料施加到脊和围绕中间部分的外部部分，以便围绕垫板24所位于的所有受损部分进行钎焊。
应理解，图1B中所描绘的垫板24的形状是可利用的一种可能形状的说明。本领域技术人员将理解，垫板24的形状可取决于许多考虑因素，这些考虑因素可包括但不限于涡轮零件的受损部分的厚度、受损部分中的缺陷的程度以及受损部分的位置。
在喷嘴12的钎焊完成之后，可以使用多种公知的机加工技术中的任何一种来去除垫板24。或者，垫板24可保留并用于为用于填充间隙22的钎焊合金提供一些额外的稳定性。此外，应当理解的是，该垫板24是一个可选元件并且对于在此描述的用于修复该涡轮部件10的钎焊过程不是必需的。
图2是根据本发明的一个实施方案的流程图28，其描述了通过热喷涂含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的混合物的钎焊合金材料来修复镍基涡轮部件(诸如例如像在图1A和图1B中描绘的喷嘴)的方法的操作。虽然在图2中未示出，但是在涡轮部件经受热喷涂修复操作之前，可以通过对已经被识别为具有某种形式的缺陷(例如，裂纹、压痕、腐蚀或其他表面不规则性)的损坏的部分进行清洁和/或脱脂来对该部件进行准备以便进行修复。在一个实施方案中，含有缺陷的受损部分可被挖空，使得在涡轮部件的去除受损部分的区域中保留间隙。位于间隙周围的涡轮部件的表面可以被清洁和/或脱脂，以为图2的热喷涂钎焊修复操作做准备。
图2的热喷涂钎焊修复操作可在30处开始，其中获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料。如本文所用，高熔点钎焊合金材料是指具有与基材相当的性质和类似熔点的钎焊材料，而低熔点钎焊合金材料是指含有导致在基材熔点以下熔化的熔点抑制剂的钎焊材料。
高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料可包括多种合适的合金材料中的任一种。例如，高熔点钎焊合金材料可包括但不限于RENE 108、INCONEL 262、MARM 247、RENE142、RENE 80、INCONEL 718、INCONEL 738、Hastelloy X和RENE N5，并且低熔点钎焊合金材料可包括但不限于D15、DF4B、B1P、AMS 4782、AMS 4777、BNi-9、BNi-6和BNi-7。在一个实施方案中，高熔点钎焊合金材料选自RENE 108、INCONEL 262、MARM 247和RENE 142，并且低熔点钎焊合金材料选自D15、DF4B和B1P。在一个优选的实施方案中，高熔点钎焊合金材料可包括RENE 108，并且低熔点钎焊合金材料可包括DF4B。
图2的热喷涂钎焊修复操作在32处继续，其中高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料被进料到热喷涂系统。在一个实施方案中，高熔点钎焊合金和低熔点钎焊可采用粉末材料的形式。在另一个实施方案中，高熔点钎焊合金和低熔点钎焊可以采取焊丝电极的形式。例如，焊丝电极可包括高熔点钎焊合金材料的第一焊丝电极和低熔点钎焊合金材料的第二焊丝电极。在一种情况下，高熔点钎焊合金材料的第一焊丝电极和低熔点钎焊合金材料的第二焊丝电极可以同时进料到热喷涂系统，以通过操纵焊丝电极的进料速率在喷涂中获得均匀的混合物。
在一个实施方案中，如图3所示，焊丝电极可以包括单芯焊丝电极40，其具有含有高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料中的一者的内部部分42，以及包围内部部分的含有高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料中的另一者的外部部分44。在钎焊修复过程已经被“精准调整”使得将导致没有空隙的均匀且致密的施加的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的最佳量是已知的情况下，单芯焊丝电极可以是有益的。利用这种知识，单芯焊丝电极40的内部部分42和外部部分44两者的直径可以被设定为在热喷涂中获得钎焊合金的均匀混合物。
在一个实施方案中，高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金可包括钎焊合金材料的片材。例如，片材可包括高熔点钎焊合金材料的第一片材和低熔点钎焊合金材料的第二片材。应理解，可由热喷涂系统使用的高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金还可包括浆料材料、焊丝电极、粉末和棒。
高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金，无论是粉末形式、焊丝电极、片材、浆料材料还是棒，都可以被加热并且在高压下被引入到气流中，以可以达到超音速的高速朝向涡轮部件发射。来自钎焊合金熔化的热能和合金的动能导致颗粒在与涡轮部件冲击时变形和变平。变平促进与涡轮部件的冶金结合、机械结合或冶金结合和机械结合的组合，并且在部件上产生保护涂层。
返回参考图2的热喷涂钎焊修复操作，热喷涂系统的动力学和热设置在34处以将导致高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金均匀且致密地施加在将经受热喷涂钎焊修复操作的涡轮部件的表面上的方式指定。特别地，在接头中热循环之后的热喷涂应用(其对于所选择的合金是特定的)以及还有热喷涂参数(其对于所使用的装备或工艺是特定的)(例如进料器机构和参数)都可以在涡轮部件的表面上获得高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的致密且均匀的层中发挥作用。
在指定的动力学和热设置下，在36处，热喷涂系统可将高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的热喷涂朝向镍基涡轮部件的目标区域(例如，待修复的区域)引导。就这一点而言，热喷涂系统可以用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的固化沉积物来喷涂部件的目标区域。固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金而没有空隙或孔隙的均匀钎焊涂层。
在一个实施方案中，含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层可具有小于约2％的孔隙率。
在一个实施方案中，均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比可等于或大于50％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比可小于或等于50重量百分比。
在一个实施方案中，均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约50体积％至95体积％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约5体积％至50体积％。
在用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金热喷涂镍基涡轮部件之后，图2的修复操作可通过在38处热处理部件而继续。在一个实施方案中，热处理可包括将具有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的热喷涂沉积物的镍基部件放置在炉中。例如，可在约1900℉(1038℃)至约2300℉(1260℃)范围内的温度下对炉中的钎焊镍基部件进行加热，持续约10分钟至约1小时范围内的时间段。炉中产生的热量导致镍基部件和均匀钎焊涂层之间的冶金结合，而不熔化镍基部件。以这种方式，冶金结合在镍基部件的受损部分中产生钎焊接头。在一个实施方案中，该钎焊接头可以具有在约40HR至约60HR范围内的洛氏硬度。
同时为了简化说明，图2中所示的操作被描述为一系列动作。应当理解和明白，与图2相关联的本发明不受动作顺序的限制，因为一些动作可以据此以不同的顺序发生和/或与本文所示和所述的其他动作同时发生。同时为了简化说明，图2中所示的操作被描述为一系列动作。应当理解和明白，与图2相关联的本发明不受动作顺序的限制，因为一些动作可以据此以不同的顺序发生和/或与本文所示和所述的其他动作同时发生。此外，所公开的示例性方法中的两个或更多个方法可以彼此结合实施，以实现本文所述的一个或多个特征或优点。
图4是根据本发明的一个实施方案的用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的混合物热喷涂镍基部件48如涡轮部件的系统46的示意图。如图4所示，系统46可包括高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料50。在一个实施方案中，原料50可包括粉末52形式的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料。尽管图4的示意图显示了具有一般表示的粉末52，但应理解，原料50可具有包括高熔点钎焊合金材料的单独一批粉末和包括低熔点钎焊合金的另一批粉末。或者，在一个实施方案中，原料50可包括含有高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的钎焊合金混合物。原料50还可包括高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的焊丝电极54。例如，焊丝电极54可包括高熔点钎焊合金材料的焊丝电极和低熔点钎焊合金的另一焊丝电极。原料50还可包括具有适用于热喷涂系统的上述其他形式的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金，包括但不限于高熔点钎焊合金材料的片材和低熔点钎焊合金材料的第二片材。
尽管在图4的系统46中未示出，但该系统可包括热喷涂装置，该热喷涂装置被构造成接收原料50、熔化高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料、以及将钎焊合金材料喷涂到含有受损部分的镍基部件48的表面上。一般而言，热喷涂装置可使用热、电和热气体的燃烧来将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的固化沉积物56引导到镍基部件48的表面58上。例如，可通过热喷涂装置加热高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料50，同时还可使用电和热气体的燃烧来向加热的钎焊合金材料60赋予大量动能，以便以超音速将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料引导到镍基部件48的表面58上。
如上所述，固化沉积物56可包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层。另外，为了具有均匀的涂层，固化沉积物56的涂层的特征在于没有空隙和孔隙的高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的密度。一般而言，系统46可改变高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的加热、系统的电力和热气体的燃烧中的一种或多种，以改变钎焊合金材料微观结构和/或形态的特性，以及材料向镍基部件48的表面58的供应。就此而言，这种改变可产生具有上述性质(例如，高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀涂层、没有空隙和孔隙的密度等)的固化沉积物56。
图4的系统46可通过多种不同的热喷涂系统中的任一种来实施。可用于实施本文所述过程的可能的热喷涂系统的示例包括但不限于燃烧(高速火焰喷涂(HVOF))、等离子弧、电弧丝和冷喷涂工艺。所使用的热喷涂系统的选择可取决于多种不同考虑因素中的任一种。这些考虑因素可包括但不限于高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的材料化学性质、要经受热喷涂工艺的部件的几何形状、部件需要钎焊的部分的程度。
在一个实施方案中，该热喷涂系统可以包括冷喷涂系统，该冷喷涂系统被构造成将该高熔点钎焊合金和该低熔点钎焊合金冷喷涂到镍基部件的表面上，该镍基部件是钎焊修复操作的对象。图5是根据本发明的一个实施方案的冷喷涂设备62的示意图，该冷喷涂设备可以用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金来热喷涂镍基部件诸如涡轮部件。在图5的冷喷涂设备62中，加压气体64被引入到粉末进料器66和气体预热器68中。
进入气体预热器68的加压气体被加热至可在572℉(300℃)至1472℉(800℃)范围的温度。然后将加热的加压气体引入可处于预定压力(例如，+200PSI)下的粉末预热室70。特别地，进入粉末进料器66的加压气体64拾取高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的粉末(例如，硬质相和软质相粉末(弯曲和合金两者)的混合物)并将其输送到粉末预热室70，在那里其被加热的加压气体64加热。典型的金属粉末(纯金属，如铝、铜、镍、铁、钴、钽、铌或其合金)可具有约50微米的直径。然后将加热的粉末输送通过会聚-发散喷嘴72，并在镍基部件48的表面58处作为喷雾朝向含有已被去除的受损部分的基材引导。以这种方式，受损部分填充有彼此堆积的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的薄层，以产生具有涂层厚度的涂层形式的钎焊合金材料的固化沉积物56。
使用喷嘴72和热加压气体64将高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金粉末颗粒加速到超音速，这赋予颗粒大量的动能。作为高动能和低热能的结果，高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的颗粒软化低熔点相并且在与表面58冲击时变形，产生材料的喷溅或固化沉积物。这种软质相材料将设计的硬质相颗粒捕获到薄层混合物中。图6显示了热喷涂后在镍基基材如镍基部件48上的高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的固化沉积物56的示意图。
利用冷喷涂设备62，可以调节对高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的加热、系统的电力和热气体的燃烧中的一种或多种，以改变钎焊合金材料微观结构和/或形态的特性以及材料向镍基部件48的表面58的供应，以便产生具有上述性质(例如，高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀涂层、无空隙和孔隙的密度)的固化沉积物56。应理解，图5的冷喷涂设备62可包括未示出的可实现冷喷涂工艺的多个其他部件。例如，冷喷涂设备62可包括气体输送网络和粉末输送网络以分别供应热气体64和高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金，并包括工具(例如，支撑件、夹具等)以将镍基部件48保持在适当位置。类似于任何热喷涂工艺，冷喷涂具有基于用于产生涂层的参数的X量的热能和X量的动能。这些参数还包括粉末进料速率，其促进涂层性质，诸如密度、孔隙率和硬度。该实施方案的热喷涂处理可以被称为两步法；第一步是喷涂(冷喷涂、HVOF、等离子、弧丝)以产生涂层，并且第二步是真空炉热处理。这两个步骤都有助于微观和宏观尺度上的化学反应，熔化低温钎焊粉末并软化高温合金。材料化学性质、粒度、参数和热处理参数均可调节以设计成功修复应用所需的性质。
应理解，图5的冷喷涂设备62可包括未示出的可实现冷喷涂工艺的多个其他部件。例如，冷喷涂设备62可包括气体输送网络和粉末输送网络以分别供应热气体64和高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金，并包括工具(例如，支撑件、夹具等)以将镍基部件48保持在适当位置。
此外，应理解，图5的冷喷涂设备62代表冷喷涂装置的一个示例，其可用于用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的固化沉积物钎焊修复镍基部件，使得存在无空隙和孔隙的合金材料的均匀涂层。本领域技术人员将认识到，可利用其他冷喷涂系统并将其构造成输送固化沉积物并通过使用炉来获得高密度且具有低不连续性且在整个接头上具有均匀强度的钎焊接头。
从本文给出的示例性实施方案的描述中，应当明显的是，本公开提出了用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上以促进具有低不连续性的高密度钎焊接头的有效解决方案。由各种实施方案提供的该解决方案需要用高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金热喷涂镍基部件。高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的热喷涂在镍基部件的表面上产生具有均匀的钎焊合金涂层的固化沉积物，使得涂层的密度没有空隙和孔隙。在此程度上，可以获得具有低不连续性以及在整个接头上的均匀接头强度的高密度钎焊接头。这益处与钎焊方法相反，该钎焊方法依赖于钎焊合金混合物中的粘合剂和合金的扩散以获得钎焊合金材料和基材的瞬时液相结合。通过各种实施方案，消除了空隙和孔隙，并且还在冶金水平下在钎焊合金和基材之间获得了真正的结合。
如本文所公开的用于将钎焊合金材料热喷涂到镍基部件上的方法和系统不仅由于消除了在钎焊合金的混合物中对粘结剂的需要和对合金的扩散的依赖而消除了通过使用当前方法在钎焊修复中可能出现的缺陷，而且各种实施方案还可提供进一步的益处。例如，该方法和系统可以导致过程中返工的减少，该过程中返工通常与镍基部件(诸如涡轮部件)的钎焊修复相关联。另外，通过使用该方法和系统，将减少钎焊修复的处理时间，其由于减少的时间而转化为成本节约。其他益处可包括由于消除了在钎焊合金的混合物中对粘结剂的需要和对合金的扩散的依赖而消除了通过使用当前方法在钎焊修复中可能出现的缺陷。另外，各种实施方案的热喷涂钎焊合金修复还可以降低涡轮部件的侧壁移动的风险，这种风险可以由当前使用的钎焊修复方法引起。
包括说明书摘要中所描述的内容的本公开的示例性实施方案的以上描述并不旨在穷举或将所公开的实施方案限制为所公开的精确形式。虽然为了说明的目的在此描述了具体的实施方案和示例，但是相关领域的技术人员可以认识到，在这些实施方案和示例的范围内，各种修改是可能的。例如，来自不同实施方案的零件、部件、步骤和方面可以组合或适用于其他实施方案，即使未在本公开中描述或未在附图中描绘。因此，由于在不脱离本文所涉及的本发明实质和范围的情况下可在上述发明中进行某些改变，因此旨在将附图中所示的上文描述的所有主题应仅解释为示出本文发明构思的示例，并且不应理解为限制本发明。
就这一点而言，虽然已经结合各种实施方案和对应的附图描述了所公开的主题，但是应当理解，可以使用其他类似的实施方案或者可以对所描述的实施方案进行修改和添加，以在不偏离所公开的主题的情况下执行所公开的主题的相同、相似、另选或替代功能。因此，所公开的主题不应限于本文描述的任何单个实施方案，而是应根据所附权利要求的广度和范围来解释。例如，对本发明的“一个实施方案”的提及不旨在被解释为排除也包含所列举特征的其他实施方案的存在。
在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的纯英文等同形式。此外，在以下权利要求书中，术语诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”等仅用作标记，并且不旨在对它们的对象施加数值或位置要求。术语“基本上”、“通常”和“约”表示相对于适于实现部件或组件的功能目的的理想期望条件，在合理可实现的制造和组装容限内的条件。此外，以下权利要求书的限制不是以平均值加函数格式书写的，并且不旨在解释为此类限制，除非且直到此类权利要求书限制在其他结构的空隙函数的说明之后明确使用短语“用于……的方式”。
另外，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另外规定，或者从上下文清楚可见，否则“X采用A或B”旨在指自然包含排列中的任一个。也就是说，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B两者，则在任何前述情况下都满足“X采用A或B”。此外，本说明书和附图中使用的冠词“一个”和“一种”大体上应解释成意味着“一个或多个”，除非另外指出或从针对单数形式的上下文中清楚。
以上所描述的内容包括说明所公开的主题的系统和方法的示例。当然，这里不可能描述部件或方式的每种组合。本领域普通技术人员可以认识到，所要求保护的主题的许多另外的组合和排列是可能的。此外，就在具体实施方式或权利要求中采用的术语“包括”或“包含”而言，其旨在以类似于术语“包含”的方式是包含性的，如当在权利要求中用作过渡词时“包含”被翻译的那样。也就是说，除非明确相反说明，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可包括不具有该属性的其他此类元件。
该书面描述使用示例来公开本发明的若干实施方案，包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践本发明的实施方案，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
一种方法，包括：获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；以及将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中均匀钎焊涂层中的高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％并且均匀钎焊涂层中的低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比。
根据前述条款所述的方法，其中含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层具有小于约2％的孔隙率。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约50体积％至95体积％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约5体积％至50体积％。
一种修复镍基部件的受损部分的方法，包括：获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层具有小于约2％的孔隙率；以及加热镍基部件和均匀钎焊涂层以导致镍基部件和均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化镍基部件，冶金结合在镍基部件的受损部分中产生钎焊接头。
根据前述条款所述的方法，其中高熔点钎焊合金材料选自RENE 108、INCONEL262、MARM 247和RENE 142。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中低熔点钎焊合金材料选自D15、DF4B和B1P。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中高熔点钎焊合金材料包括RENE 108，并且低熔点钎焊合金材料包括DF4B。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中钎焊接头具有约40HR至约60HR范围内的硬度。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金到镍基部件的受损部分的表面上的热喷涂包括将钎焊合金冷喷涂到表面上。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约50体积％至95体积％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金的量为均匀钎焊涂层的约5体积％至50体积％。
根据前述条款中任一项所述的方法，其中均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比。
一种用于修复镍基部件的受损部分的系统，包括：高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料；热喷涂装置，该热喷涂装置被构造成接收原料并将高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在受损部分内形成固化沉积物，其中热喷涂装置包括：气体加热器，该气体加热器被构造成用加压气体加热高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；和喷嘴，该喷嘴被构造成接收加热的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料，并且以超音速将加热的钎焊合金材料引导至含有受损部分的镍基部件的表面，该超音速将大量动能赋予加热的钎焊合金材料以在受损部分内形成固化沉积物，其中固化沉积物包括含有高熔点钎焊合金和低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中均匀钎焊涂层中高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％，并且均匀钎焊涂层中低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比；和炉，该炉被构造成加热镍基部件和均匀钎焊涂层，其中在炉中产生的热量导致镍基部件和均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化镍基部件，冶金结合在镍基部件的受损部分中产生钎焊接头。
根据前述条款所述的系统，其中高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料包括钎焊合金材料丝材。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中丝材包括高熔点钎焊合金材料的第一丝材和低熔点钎焊合金材料的第二丝材。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中丝材包括单芯焊丝，该单芯焊丝具有含有高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料中的一者的内部部分以及包围内部部分的外部部分，该外部部分含有形成单芯焊丝的内部部分的高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料中的另一者。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料包括粉末形式的高熔点钎焊合金材料和粉末形式的低熔点钎焊合金材料。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中热喷涂装置包括冷喷涂设备。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中高熔点钎焊合金材料选自RENE 108、INCONEL 262、MARM 247和RENE 142。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中低熔点钎焊合金材料选自D15、DF4B和B1P。
根据前述条款中任一项所述的系统，其中高熔点钎焊合金材料包括RENE 108，并且低熔点钎焊合金材料包括DF4B。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；以及
将所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有受损部分的镍基部件的表面上以在所述受损部分内形成固化沉积物，其中所述固化沉积物包括含有所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中所述均匀钎焊涂层中的所述高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％并且所述均匀钎焊涂层中的所述低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比。
2.根据权利要求1所述的方法，其中含有所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金的所述均匀钎焊涂层具有小于约2％的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述均匀钎焊涂层中所述高熔点钎焊合金的量为所述均匀钎焊涂层的约50体积％至95体积％，并且所述均匀钎焊涂层中所述低熔点钎焊合金的量为所述均匀钎焊涂层的约5体积％至50体积％。
4.一种修复镍基部件(48)的受损部分(14)的方法，包括：
获得高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料；
将所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料热喷涂到含有所述受损部分的所述镍基部件(48)的表面上以在所述受损部分(14)内形成固化沉积物，其中所述固化沉积物(56)包括含有所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中含有所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金的所述均匀钎焊涂层具有小于约2％的孔隙率；以及
加热所述镍基部件(48)和所述均匀钎焊涂层以导致所述镍基部件(48)和所述均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化所述镍基部件(48)，所述冶金结合在所述镍基部件(48)的所述受损部分(14)中产生钎焊接头。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高熔点钎焊合金材料选自RENE 108、INCONEL262、MARM 247和RENE 142。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述低熔点钎焊合金材料选自D15、DF4B和B1P。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述高熔点钎焊合金材料包括RENE 108，并且所述低熔点钎焊合金材料包括DF4B。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述钎焊接头具有约40HR至约60HR范围内的硬度。
9.根据权利要求4所述的方法，其中所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金到所述镍基部件(48)的所述受损部分(14)的所述表面上的所述热喷涂包括将所述钎焊合金冷喷涂到所述表面上。
10.根据权利要求4所述的方法，其中所述均匀钎焊涂层中所述高熔点钎焊合金的量为所述均匀钎焊涂层的约50体积％至95体积％，并且所述均匀钎焊涂层中所述低熔点钎焊合金的量为所述均匀钎焊涂层的约5体积％至50体积％。
11.根据权利要求4所述的方法，其中所述均匀钎焊涂层中所述高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％，并且所述均匀钎焊涂层中所述低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比。
12.一种用于修复镍基部件(48)的受损部分(14)的系统(46)，包括：
高熔点钎焊合金材料和低熔点钎焊合金材料的原料(50)；
热喷涂装置(62)，所述热喷涂装置被构造成接收所述原料(50)并将所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料喷涂到含有所述受损部分(14)的所述镍基部件(48)的表面(58)上以在所述受损部分(14)内形成固化沉积物(56)，其中所述热喷涂装置(62)包括：
气体加热器(68)，所述气体加热器被构造成用加压气体(64)加热所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料；和
喷嘴(72)，所述喷嘴被构造成接收所述加热的高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料，并且以超音速将加热的钎焊合金材料(60)引导至含有所述受损部分(14)的所述镍基部件(48)的所述表面(58)，所述超音速将大量动能赋予所述加热的钎焊合金材料(60)以在所述受损部分(14)内形成所述固化沉积物(56)，其中所述固化沉积物(56)包括含有所述高熔点钎焊合金和所述低熔点钎焊合金的均匀钎焊涂层，其中所述均匀钎焊涂层中所述高熔点钎焊合金材料的元素重量百分比等于或大于50％，并且所述均匀钎焊涂层中所述低熔点钎焊合金材料的元素重量百分比小于或等于50重量百分比；和
炉，所述炉被构造成加热所述镍基部件(48)和所述均匀钎焊涂层，其中在所述炉中产生的热量导致所述镍基部件(48)和所述均匀钎焊涂层之间的冶金结合而不熔化所述镍基部件(48)，所述冶金结合在所述镍基部件(48)的所述受损部分(14)中产生钎焊接头。
13.根据权利要求12所述的系统(46)，其中所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料的所述原料(50)包括钎焊合金材料丝材。
14.根据权利要求12所述的系统(46)，其中所述高熔点钎焊合金材料和所述低熔点钎焊合金材料的所述原料(50)包括粉末(52)形式的所述高熔点钎焊合金材料和粉末(52)形式的所述低熔点钎焊合金材料。
15.根据权利要求12所述的系统(46)，其中所述热喷涂装置(62)包括冷喷涂设备(62)。
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