CN1638897A - 消除铸造缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从具有取向微观结构的工件(1)上消除铸造缺陷(5)的方法，该方法包括定位至少一个铸造缺陷(5)以及利用热源(7)将铸造缺陷(5)局部地熔融到至少和铸造缺陷(5)自身相同的深度的步骤，然后相对于工件(1)周围的取向微观结构将熔融材料以取向外延的方式进行凝固，其方式使得得到的凝固区域基本上没有任何缺陷。

Description

消除铸造缺陷的方法
技术领域
本发明涉及一种消除具有定向微观结构的物品中的铸造缺陷的方法。
背景技术
采用一种定向凝固过程来制造单晶和定向凝固铸件例如涡轮叶片，在该定向凝固过程中，一个充满液态合金的陶瓷壳型铸模从加热区(温度高于合金的熔点)取出进入冷却区(温度远低于合金的熔点)。这可以从例如文献US-A-4,96,501，US-A-3,690,367或EP-A1-0749 790中获知。在取出壳型铸模时，液态合金定向地凝固—开始于首先进入冷却区的铸模部分，结束于最后进入冷却区的铸模部分。在合金凝固期间，发现固/液界面基本在加热区和冷却区之间的一个水平上。熟悉熔模铸造和定向凝固的技术人员知道，在固/液界面保持合适条件的重要性。例如，穿过固/液界面的热梯度太低和/或界面相对于水平面倾斜过多会导致孔隙的形成。孔隙是由于枝晶间的流体流动而形成的，并导致富含共晶相的物质(过度富含在偏析过程中向液相偏析的元素)包围等轴晶链。等轴晶链可分布在任何地方，长度由2mm至20cm不等，并且由于缺少晶界强化剂而在单晶合金中构成不可接受的脆弱(疲劳强度)区。孔隙在柱状晶合金中也视为是严重的缺陷，尽管其具有较高含量的晶界强化剂。在其它情况下，如果主取向(相对于生长方向的结晶取向)接近剩余铸件的主取向，新晶粒会在固/液界面的生长方向上成核并生长有限的距离。这个缺陷就是通常所说的开裂，并且其长度可达5cm或更长。由于其可包含有由于晶粒宽度有限而几乎不能用Laue法进行测量的大角晶界，因此开裂也被视为严重缺陷。其它与晶粒相关的线性缺陷包括在取向误差的容许限度以上的小角晶界。与晶粒无关的线性缺陷包括线性气孔链、表面微裂纹以及通常使用荧光穿透检查法(FlourescentPenetrant Inspection，FPI)才能检测出来的熔渣或夹杂。单晶和柱状晶铸件中另一个公知的潜在缺陷是再结晶晶粒。尽管这些缺陷只是在固溶热处理和/或修复、修理、更新处理期间生长，但是由于这些缺陷是由于铸造装置冷却时铸造合金、陶瓷型芯和陶瓷壳型铸模的热收缩不同而导致铸件过度的局部变形而产生的，所以它们也可被认为是铸造缺陷。再结晶晶粒通常出现在最强变形区，该最强变形区一般是倒角、转角以及那些相对于铸件限制型芯或壳型铸模的结构特点。
熟悉单晶和柱状晶工件铸造的技术人员知道这种线性缺陷的经济意义。当在一次铸造同时能铸造出更多的铸件时，实质上降低了零部件成本。然而，由于必须进行冷却的液态合金量的增加，以及壳型铸模单位面积上容许的从一个更密集更重的组群至冷却区的热辐射的减少，相对于具有较少工件的组群而言，具有更多工件的组群自然就倾向于表现出较低的温度梯度和较高的固/液界面倾角。因此较大组群尺寸就比更少工件的组群倾向于出现更多的孔隙。甚至在铸件的小尺寸组群中，孔隙也是一个众所周知的问题，由于希望尽可能快地使铸件进入冷却区，但是更快地取出会导致穿过固—液界面的温度梯度较低。典型地，单晶铸件的买方基于限制每个铸件上孔隙缺陷的可接受大小和位置的规范而拒绝一些工件是符合产业标准的。根据所用合金以及工件的尺寸，废品率可以是从低于5％至超过50％的任何值。铸造过程参数(包括组群尺寸)总是为了在生产效率和由于铸造缺陷导致的废品率之间取得平衡以优化整个过程的经济性而改进。根据合金化学成分(例如，富含Ti、Al、W和缺乏Ta的合金更倾向于出现孔隙)，最优工艺仍可以产生具有线性缺陷的明显的废料。至今还没有公开过可以修复这些缺陷的方法，但是这种方法将对柱状晶或单晶铸造过程的经济性产生显著的影响。通常要废弃的工件(只是合金的价值—大约是工件价值的10％或更少)可以只用一小部分制造成本就恢复至其完全价值。
于是就需要一种在不损害材料质量的条件下修复单晶或柱状晶工件以恢复无缺陷材料的全强度的方法。至今，还没有这样的一个修复操作可用。然而，新发明的单晶焊接工艺提供了可能性。
US-A-6,024,792中公开了一种这样的焊接工艺，其中在激光束(或其它热源)熔融现存的单晶结构时将焊粉或焊丝供给入这个激光束。US-A-6,084,196中公开了另一种使用等离子转移电弧将材料沉积在单晶工件受损部位中的焊接方法。
EP-A1-0 558 870描述了用激光器对金属工件进行自由式的焊接，其中已有的累积材料用作新沉积金属的基底。然而，作者或者使用焊粉或者供给的焊丝以及脉冲激光辐射。EP-A1-0 740 977还描述了一种利用在中等功率密度下工作的激光束制造无裂纹金属工件的无模方法。大直径的激光束产生一个浅熔池，从该熔池中通过添加焊粉而产生单晶工件。相对长的相互作用时间被认为对于减少由于凝固期间热裂缺陷而导致的裂纹是很有利的。然而，这种方法致力于新工件的生产。而且工艺参数的选择是为了减少热梯度以及由此产生的对单晶凝固不利的应力。
US-A-5,914,059中描述了一种类似的技术，其作为一种利用减小的功率密度的能量束沉积作用修复金属工件的适宜方法。同样，焦点集中于将添加材料重新熔入单晶铸件的缺陷区中以及保持降低裂纹危险的工艺条件。US-A-6,054,672中提及了相同的意图，其中描述了超级耐热合金工件的激光焊接。此处策略是通过将整个焊接区域以及与其相邻的区域预热至高于耐热合金的时效温度但远低于其熔融温度的一个延展性温度而降低应力。
US-A-5,837,960描述了一种计算机辅助激光制造工艺，其用于利用激光/焊粉技术制造工件。同时，焊粉的添加是该发明的重要部分。US-A-5,312,584描述了一种制造单晶镍铝铸件的无模/无型芯方法。在这种情况下，使用激光器将Ni-Al靶熔融，Ni-Al靶熔融形成液滴并在下面的单晶基底上凝固。
DE-C1-199 49 972使用一种利用数字转换器/光学视觉系统以及由堆焊的层状材料形成的层产生3D目标的激光方法。这种方法需要附加材料供应，而这对于铸造缺陷的局部修复不是必要的。
US-A-4,960,611中建议了一种补救材料缺陷的方法。然而在这里，激光器被用于辐射由于粉粒、油滴之类的附着物而引起的小涂层缺陷。激光使缺陷气化并形成一个小凹坑，这个小凹坑通过添加材料的加入而得到修复，并且随后用红外线(IR)激光辐射进行固化。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于在将工件恢复至一个无缺陷晶粒结构和微观结构的同时很容易并且经济地从具有取向微观结构的工件上消除铸造缺陷的方法。
根据本发明，发现了一种从具有取向微观结构的工件上消除铸造缺陷的方法，该方法包括以下步骤：
(a)定位至少一个铸造缺陷，
(b)利用热源将铸造缺陷局部地熔融到至少和铸造缺陷自身相同的深度，
(c)相对于周围基本上无铸造缺陷的工件的取向微观结构将熔融材料以外延方式进行凝固。
和现有技术相比，这种方法的优点和新特点是其利用缺陷自身的材料作为焊接材料。缺陷包括与工件其余部分基本上相同的材料，因此工件外延地熔融和重凝固成所述工件的取向微观结构会得到和本来就没有任何缺陷的铸件基本相同的结构。在很难避免外延凝固期间形成一小表层等轴晶粒的地方，仍可以用与第一次熔融操作期间所用热源相比功率密度减小的热源再次将材料的重凝固部分重熔，并且再次可以将周围的无缺陷微观结构外延地凝固。
在局部熔融铸造缺陷步骤中，热源可沿着铸件缺陷的长度移动。此外，熔融材料相对于工件周围的取向微观结构外延地凝固，其方式使得凝固区域基本上恢复到其带有铸造缺陷时的体积。
在一些情况下，根据本发明的目标，利用消除应力热处理将待修复操作的铸件预处理至接近初始熔点或者首先消除至少一个缺陷的至少一部分是有利的。
作为一个实例，下述之一的铸造缺陷可以重熔：孔隙、开裂、等轴或再结晶晶粒、线性裂纹、表面微裂纹、气孔链、线性夹渣或线性夹杂簇。
在一个优选实施例中，为了补偿缺陷的缺失体积，在焊接操作过程中将添加材料加入到局部熔融区域。在另一个实施例中，在熔融操作之前将预制固体、压缩粉末、糊或浆形式的材料加入并且用于至少填充重熔缺陷的一部分。也可以在没有消除任何缺陷部分的情况下加入添加材料。这种材料可以具有和下面工件基本上相同的成分。在又一个其它实施例中，将缺陷熔融并重新凝固，然后在加入添加材料时进行二次熔融操作。在合金凝固之后，通过机加工例如通过研磨。去掉多余材料。本发明的一个实施例是在重熔开始之前通过机加工去除铸件缺陷的一部分。
为了更精确测定现存铸造缺陷的位置，可以使用一个视觉系统来记录在一个具体工件上的位置，当其在晶粒侵蚀条件下以显示与缺陷，例如孔隙、开裂或小等轴晶相关的晶粒，或者在荧光穿透检查中以显示线性裂纹、链式气孔或线性熔渣/夹杂并且然后，再次，随后用于将热源导向至这些区域从而将铸造缺陷熔融。
对于热源，利用至少一个激光器或者至少等离子转移电弧焊、显微等离子焊、钨极惰性气体保护电弧焊、电子束焊之一将铸造缺陷局部地熔融。这可以在惰性气体气氛、惰性气体保护或者真空条件下进行。可以通过进一步减小处理速度或者在熔融铸造缺陷之前将工件预热至500-1000℃范围内的所需温度而获得较大的穿透深度。
本方法优选地应用于例如由镍或钴基超级耐热合金制成的气轮机部件等工件。这些工件将具有单晶(SX)或定向凝固(DS)的微观结构。
附图说明
在附图中示出了本发明的优选实施例，其中
图1示出了具有铸造缺陷的气轮机叶片，
图2-4示出了根据本发明的修复操作的不同步骤，和
图5示出了具有重熔表面层的工件的实例。
附图中仅示出了对于本发明重要的部件。在不同附图中，使用相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
图1示出了一个单晶(SX)或定向凝固(DS)工件1，例如气轮机的叶片或轮叶，所述气轮机叶片包括有根部2、平台3和叶片4，并具有表面6。这个工件可以由例如镍基或钴基超级耐热合金制成。用于制造这种SX或DX工件的熔模铸造法在例如现有技术US-A-4,96,501，US-A-3,690,367或EP-A1-0 749 790中是已知的。从图2中可以看出，工件1显示了在制造过程之后出现在某处的线性铸造缺陷5，例如孔隙、开裂或任何一定尺寸的等轴或再结晶晶粒。与晶粒无关的线性缺陷包括线性气孔链、表面微裂纹以及熔渣或夹杂。图3和4示出了根据本发明消除铸造缺陷5的不同步骤。
在根据本发明的第一步中，检查出了至少一个铸造缺陷5。铸造缺陷5可以很容易地用本领域普通技术人员所公知的晶粒侵蚀法检测到。与晶粒无关的线性缺陷包括线性气孔链、表面微裂纹以及通常利用荧光穿透检查才能检测出来的熔渣、夹渣或线性夹杂族。定位铸造缺陷5之后，利用标线或其它这样可视的工具标记出其端点以使得在进行抛光或喷砂清理之后铸造缺陷5所在的位置仍然清楚。也可以在表面留下轻微的晶粒侵蚀剂并用它在正确区域进行焊接。在每一情况下，在焊接过程中可使用一个视觉系统作为辅助。这个系统可用于在晶粒侵蚀情况下记录铸造缺陷5(无需标记)的位置并且然后用来导入修复操作的热源。
从图3中可以看出，利用一个局部作用的热源7，例如激光，在铸造缺陷5区域，将工件1从表面6熔融到至少与铸造缺陷5自身一样的深度。热源7将受到影响的区域重新加热至熔点以上。如果在该操作过程中比率Gn/VS(此处G是熔池里的温度梯度，n是一个材料常数，VS是凝固速度)保持在由材料所决定的临界值以上，那么后续凝固(如带有修复区10的图4所示)将是以外延方式进行，也就是不会产生新的晶界。周围的单晶大块材料体将作为重熔材料的籽晶。凝固之后，重熔材料会与单晶大块材料具有相同的无任何缺陷的微观结构从而使得这种取向微观结构实质上恢复至其带有铸造缺陷5时的体积。这样就对铸造缺陷5进行了补救。
从前一段中可以看出，高的热梯度对于单晶凝固而言是关键的。因此对于热源7而言，激光是一个尤其具有吸引力的选择。激光辐射可以聚焦至一个小点并产生超过106K/m的热梯度。如果激光强度均匀分布在加热区域上，则是很有好处的，这可以通过光纤束传送来达到。由于激光功率非常易于控制，这样就保证了在整个修复期间可以保持单晶凝固的规格。作为附加结果，已由视觉系统进行设置的晶界不必严格地保持。如果热源7作用在没有铸造缺陷5的区域，材料也将会重熔并且随后会以其原来的取向重新凝固。限定尺寸的整个区域的熔融也可以通过平行的局部重叠激光重熔痕迹来获得，例如当修复非常接近的孔隙簇、大开裂以及浅等轴晶粒时。典型地是存在30％-50％的重叠。
在一个典型应用中，将激光聚焦在一个直径为1-2mm的点上。优选地，激光器为Nd-YAG型或高能二极管激光器型。这些激光器在近红外线区间工作并且大约30-40％的入射辐射被典型的超级耐热合金所吸收。激光束以相对较慢的速度(大约1-10mm/s)在所述影响区上移动并且在传导焊接的模式下工作。1×103W/cm2至5×104W/cm2的激光强度将重熔至表面以下500μm的区域。较大的穿透深度可以通过进一步减小处理速度或者在熔融铸造缺陷5之前将工件1预热至500-1000℃范围内的一个所需温度而得到，例如用一个高频发生器。然而，在预热的工件上，热梯度会较小因此就更难以达到Gn/VS标准。在另一方面降低了在修复操作期间出现热裂缺陷的危险。
本领域的普通技术人员知道，在一定条件下，由于在焊接熔池最上端的局部上没有达到Gn/VS标准，在这样的焊接件的取向凝固期间很难避免小表层等轴晶的形成。当焊接所需深度较大，需要一个高的局部热输入时尤其会出现上述情况。在这些情况下，在凝固之后用热源进行第二道次的加热以产生向熔池输入较低能量密度的热量，产生一个较浅的可进一步减少等轴凝固材料的一小部分的熔融轮廓。如果不希望用第二道次的加热，可以磨掉或切削掉等轴晶。在这种情况下，在熔融前或在熔融过程中向熔池中加入材料以使等轴凝固部分落在焊接区中剩余材料的上层区域并且在去除剩余材料过程中将该上层区域切削掉以恢复到铸件原始预定尺寸的外形是很有帮助的。
对于热源7而言，可以使用的其它适合方法至少有等离子转移电弧焊、显微等离子焊、钨极惰性气体保护电弧焊、电子束焊之一。焊接可以在惰性气体气氛、惰性气体保护或者真空条件下进行以防止液态合金产生过度氧化。而且，在熔融铸造缺陷之前可以利用消除应力热处理将工件预处理至接近初始熔点的温度。
在进行完修复之后，进行正常的固溶化热处理和γ相粗化热处理，然而，在进行上述热处理之前，还可以进一步进行消除应力热处理以减小再结晶的机会。
可选地，如图3中所示，添加材料8可以用加料器9添加至已熔融区域以保证下层材料的单晶结构。在图3中示出了同轴注入，由于其固有的轴向对称因此是很有利的。在另一个实施例中，在熔融操作之前以预制固体、压缩粉末、糊或浆的形式加入材料并且用于至少填充已重熔缺陷的一部分。添加材料也能在没有去除任何缺陷的情况下加入。有利地，与工件自身成分基本相同的添加材料8供给至局部熔融区域。缺陷包含有与工件剩余部分相比基本上相同的材料，因此工件的熔融和取向重凝固成取向微观结构会得到和本来就没有任何缺陷的铸件基本相同的结构。在根据本发明方法的另一个实施例中，铸造缺陷5熔融并重凝固。随后当添加材料注入熔池中时进行一个二次熔融操作。如果凝固之后表面6上仍留有剩余材料，则将其机加工去掉，例如用切削或研磨的方法。当然也可以在这种方法的重熔步骤开始之前通过切削掉铸造缺陷的一部分来去除。
本发明的实例
如图5所示的本发明的实例，图中示出了SX-基材(CMSX-4)上的重熔痕迹具有0.40mm的重熔深度。可以看出重熔区域中(细)枝晶的匹配取向。激光器参数为：P＝320W，v＝8mm/s，点直径：2.0mm。
             附图标记
1                 工件，例如气轮机的叶片
2                 根部
3                 平台
4                 叶片
5                 铸造缺陷
6                 工件1的表面
7                 热源
8                 添加材料
9                 供料器
10                修复区

Claims (19)

1.一种从具有取向微观结构的工件(1)上消除铸造缺陷(5)的方法，包括以下步骤：
(a)定位至少一个铸造缺陷(5)，
(b)利用热源(7)将铸造缺陷(5)局部地熔融到至少和铸造缺陷(5)自身相同的深度，
(c)相对于周围基本上无铸造缺陷的工件(1)的取向微观结构将熔融材料外延地凝固。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过移动热源(7)将铸造缺陷(5)沿着铸造缺陷(5)的长度局部地熔融。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用和第一次熔融操作所用热源(7)相比能量密度减小的热源(7)再次重熔材料的重凝固部分，并且再次相对于周围的无缺陷微观结构将其外延地凝固。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，熔融材料相对于工件(1)周围的取向微观结构外延地凝固，其方式使得凝固区域基本上恢复至其带有铸造缺陷(5)时的体积。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)之后制备工件(1)用于修复处理。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对包括以下：孔隙、开裂、等轴晶或再结晶晶粒、线性裂纹、表面微裂纹、气孔簇、线性夹渣或夹杂线性簇中至少一个的铸造缺陷(5)进行重熔。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在重熔开始之前用机加工方法去除铸造缺陷(5)的一部分。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在熔融操作之前添加入添加材料(8)或者添加至局部熔融区域。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，熔融并重凝固缺陷(5)，随后在添加附加材料的同时进行二次熔融操作。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在熔融操作开始前，材料以预制固体、压缩粉末、糊或浆形式加入。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，具有与工件(1)基本上相同成分的添加材料(8)被添加至局部熔融区域。
12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，在熔融材料凝固之后将多余材料机加工去掉。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，视觉系统用于定位至少一个铸造缺陷(5)，然后用于导向热源(7)以将该至少一个铸造缺陷(5)熔融。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在熔融铸造缺陷(5)之前，将工件(1)预热至500-1000℃范围内的一个温度。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用至少一个作为热源(7)的激光器将铸造缺陷(5)局部地熔融。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用等离子转移电弧焊、显微等离子焊、钨极惰性气体保护电弧焊、电子束焊中的至少一种作为热源(7)将铸造缺陷(5)局部地熔融。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，在惰性气体气氛、惰性气体保护或者真空条件下进行铸造缺陷(5)的熔融。
18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，单晶或定向凝固铸件(1)中的至少一个铸造缺陷(5)被重熔。
19.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，工件(1)是一个由镍或钴基超级耐热合金制成的气轮机部件。
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