CN1670253A - 多组分沉积 - Google Patents

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Abstract

为离子增强型物理汽相沉积增加溅射以沉积多组分材料。该工艺可用于沉积镀层和在Ti合金涡轮零件上沉积修复材料。该物理汽相沉积可以是离子增强型电子束物理汽相沉积。

Description

多组分沉积
技术领域
本发明涉及金属沉积。尤其是，本发明涉及磨损或损伤的气轮机组件的修复，例如风机叶片和其他叶片。
背景技术
气轮机的部件经常遭受磨损和损伤。对于特定部件，即使是一般的磨损和损伤，也会妨碍发动机的最佳运行。所关注的特殊部位包括各种叶片的翼面。磨损和损伤会干扰它们的空气动力学性能，造成动力的不均衡，在更极端的情况下甚至会从结构上危及这些磨损/损伤的部件。通常会在轻微磨损或损伤的翼面上进行一定的修复，将该磨损/损伤处下面的多余材料去除以提供相对有效率和洁净的截面轮廓，尽管该截面轮廓小于原来的或先前的轮廓。确立这种修复可实施范围的典型检修标准在下文中给出：Pratt & Whitney JT8D Engine Manual(P/N 773128)，ATA 72-33-21，Inspection-01，United Technologies Corp.，EastHartford Connection。对于各翼面，根据位置和特殊应用，该范围可能会不同。该范围主要基于结构和性能上考虑，这样就限制了可去除的材料的总量。
现已提出了用于气轮机磨损或损伤部件的在更大范围内修补的各种技术。美国专利US4822248公开了等离子焰炬沉积镍基或钴基超合金材料的一种应用。美国专利US5732467公开了用于修复这种涡轮元件的裂纹的高速氧燃料(HVOF)和低压等离子喷射(LPPS)技术。美国专利US5783318同样公开了LPPS技术，除此之外还有激光焊接和等离子移动电弧焊。美国专利US6049978还公开了HVOF的进一步应用。这些技术提供了一种堆聚替代材料以复原原有或接近原有截面的能力有限的方法。但是，相对于基体材料来说，替代材料的结构性能可能是很有限的。
特别是较大的损伤，公知的是使用预成型的插入件，该插入件可焊接该该需要处以修补损伤。损伤部分被切除成插入件的预定形状，然后，该插入件被焊接在该处。结构上的限制和焊接将这些修补技术的适用能力和其他技术一样被限定于翼面的相对低应力区域。所以，通常发动机维修手册皆指定低应力区域的焊接修补是允许的。这样，磨损/损伤程度和该磨损/损伤区域的应力的实际结合限制了这些技术的应用。高应力区域通常包括扇叶中跨挡板附近(例如，稍内侧)的区域。
发明内容
本发明的一方面涉及一种将沉积材料沉积在部件上的方法。该部件置于一沉积腔内。在该部件上施加一第一电势。一种或多种第一组分被汽化以形成沉积材料。该汽化的第一组分被电离。该第一电势将电离的第一组分吸引到部件上来。溅射一种或多种第二组分以形成沉积材料。该溅射的第二组分与电离的第一组分同时沉积。
在不同实施过程中，溅射可包括在溅射靶上施加一溅射电压。该溅射靶可以围绕着由第一组分源至部件的离子流道。该一种或多种第二组分可以包括一种或多种难熔成分。该一种或多种第二组分可主要包括Mo。该沉积材料可主要由Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-8Al-1V-1Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo中的至少一种构成。该部件可能已在损伤处损失了部分第一材料，沉积材料可沉积在损伤处以修复该部件。沉积材料与部件的基材可能具有一交界面，该沉积材料与基材之间的粘合强度超过50ksi。部件和沉积材料也可包括Ti合金或镍基或钴基超合金之类的公称成分。粘合强度可以在100ksi到200ksi之间。沉积材料可以具有至少2.0mm的深度。基材可具有超过沉积材料的厚度。基材可以包含原有的未修补过的材料。部件可以是Ti合金涡轮机部件，并且沉积材料可以是Ti基的。
本发明的另一方面涉及一种用于在工件上沉积材料的装置。在一沉积腔内放置工件。具有用于由一种或多种第一沉积材料组分形成等离子体的装置。具有用于在工件上施加调制的偏电势(modulated bias electric potential)以从等离子体中吸引离子到工件上的装置。具有用于溅射一种或多种第二沉积材料的装置。一控制系统连接着成形装置、施加装置和溅射装置，并且设定该控制系统，使之可为第一和第二沉积材料组分向工件的共同沉积提供反馈循环控制。
在不同的实施方式中，该装置可以包括用于监控等离子体密度和流向工件的离子流的装置。溅射装置可包括分别为第一和第二溅射靶提供的用于一种或多种沉积材料的第一和第二组件。控制系统可编程以实现对施加于第一和第二溅射靶上的第一和第二喷射偏压的独立控制。
本发明的另一方面涉及一种用于在工件上沉积沉积材料的装置。工件包含在沉积腔内，并且承受第一非零偏压。加热沉积材料的一种或多种第一组分源以汽化该第一组分。沉积腔内的第一溅射靶包括沉积材料的一种或多种第二组分，并且承受第二偏压。
在不同的实施方式中，该一种或多种第一组分可能包括Ti、Al和V。该一种或多种第二组分可能主要包括Mo。该第一偏压可能与第二偏压不同。第一和第二偏压可以是至少量级和负载周期两者之一不同的脉冲调制电压。可以具有一与第一溅射靶成分不同的第二溅射靶，并承受着与第二偏压不同的第三非零偏压。
本发明的另一个方面涉及一种同时沉积一种或多种第一组分和一种或多种第二组分的方法。该一种或多种第一组分的沉积采用的是离子增强型电子束物理汽相沉积法。该一种或多种第二组分采用溅射法。
在不同的实施过程中，该一种或多种第一组分可以来自同一金属锭。该一种或多种第二组分可以是至少两种组分并来自不同成分的至少两个溅射靶。
本发明的一个或更多实施例的细节将结合下面的附图和说明进行阐述。通过说明和附图，以及权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将会更加清楚。
附图说明
图1是气轮机风机叶片翼面的视图。
图2是图1中的翼面的尖端内向视图。
图3是图1中的翼面的损伤部位的局部剖视图。
图4是图1中的翼面的磨损部位的局部剖视图。
图5是图1中的翼面经加工去除损伤/磨损表面后的局部剖视图。
图6是在图5中的翼面上施加一支撑元件后的局部剖视图。
图7是在图6中的翼面上沉积原始材料重建翼面之后的局部剖视图。
图8是对图7中的翼面进一步加工并沉积附加材料重建翼面之后的局部剖视图。
图9是图8中的翼面再进一步加工之后的视图。
图10是用于沉积图7和图8中的原始材料和附加材料的离子增强型物理汽相沉积装置的示意图。
图11是一种可替换的离子增强型物理汽相沉积装置的局部示意图。
不同附图中的相同元件使用相同的标号和名称。
具体实施方式
图1示出了气轮机的风机叶片20。该叶片具有一将叶片连接于轮盘(未示出)之上的内侧叶根22。一平台24将叶根和由该平台延伸之顶端28的翼面26分成两部分。该翼面具有一前缘30和一后缘32，以及在其间延伸的吸入侧和受压侧34和36。在典型的叶片中，在平台和顶端之间沿跨距的中部，具有分别由受压侧和吸入侧表面延伸出的中跨阻尼器屏板凸块40。
受压侧和吸入侧凸块40可以分别与相邻叶片上的吸入侧和受压侧凸块相互作用以抑制叶片振动。中跨屏板凸块的旋转质量以及他们与相邻凸块之间的相互作用使叶片在最接近这些凸块和这些凸块内侧区域内承受高应力。相对于低应力区域来说，这些应力可能会限制这些区域的可修复性。下面的技术是已公开的，即，使用电子束物理汽相沉积(EBPVD)沉积修补材料，残留应力低，并且所得到的结构特性与下层基础材料的基本相同。相对于焊接修补技术，该沉积材料可具有强化的强度和强化的粘合性。沉积优点的产生是由于不存在一短暂的液相过程，而是直接由蒸汽云凝固。
图3显示了局部的损伤，例如因异物刻划或切削靠近前缘的翼面而形成的损伤前部30’。图4显示了更常见的损伤，例如前缘被磨损成一部位30”。首先清除该损伤部位的污物，进而去除基础材料以形成一有利于接收沉积的基础表面。在通常的修补程序中，损害/磨损之后，将叶片的剩余基础材料造型成预设外形，例如形成一有角度的前倒角或基础表面50(图5)。所示的倒角以内向角θ1朝向弯曲的受压侧表面36。例如θ1超过120°，更精确地，120°-130°。该倒角50位置/定向可以根据很多因素并可以损伤位置为基础确定，这样，在一特定的修补条件下，任何翼面给定位置上的损伤都可相似的处理。
在一种优选的的图示变化中，一支撑台/罩元件52(图6)固定在翼面上，并凸出于靠近去除/移除材料位置的倒角50。在典型的实施例中，该支撑元件52可以是具有第一和第二表面53、54的金属(例如，铝)带，其中第一表面53的后部固定在剩下的完好的吸压侧表面34的前部上。表面53的前部突出于已消失的前缘30，并且中部沿原先的翼面轮廓延伸至与表面34的消失部分相结合。在可选的变化中，表面53可以完全或部分地延伸至与消失了的原先的表面轮廓相结合的任一侧。
接着相对于蒸汽源58定位叶片(图7)，该蒸汽源沿视线通道502喷射蒸汽。优选地，该源/通道被定向为使通道偏离表面50和36的垂线的角度在θ2与θ3之间。通常，θ2和θ3小于30°。从源58的沉积物逐步堆积成第一修补材料60。优选地，将其堆积至如下的表面形状62，该表面轮廓超出已消失的翼面原轮廓的受压侧部分。在沿靠近基础表面50的沉积物接收部分的表面上，表面36的曲率使θ3产生关联变化。
在沉积步骤之后，可以进一步加工叶片以去除支撑元件52，并沿沉积材料60和原始基础材料延伸制造出一第二倒角或基础表面64(图8)。在典型的实施例中，该加工过程还进一步去除一先前完整的吸入侧表面34的前部。该叶片可被重新相对源58定向，这样表面64和34只是稍微偏离通道502的垂线，并且第二附加材料66沉积于其上以到达一超出消失的原轮廓的吸入侧部分的轮廓68。沉积材料60和66可以接下来被加工成特定的最终轮廓，该最终轮廓等同于消失的原有轮廓(图9)。之后，可以施以额外的表面处理和/或防护涂层。
修复材料的沉淀是通过一EBPVD工艺或一离子增强型EBPVD工艺实现的。通常认为EBPVD工艺可以通过无暂时性液相的沉积提供有利的物理特性。比起其他工艺，例如等离子喷涂沉积，通常认为使用EBPVD可获得更低的残留应力和更好的粘合性。通常认为离子增强型EBPVD工艺可以在比传统EBPVD温度的更低的条件下确保更好的粘合性和更高质量的沉积层(也就是，更均匀更致密的沉积材料)。传统的沉积是在压强在10-1和10-4Pa之间真空室中进行的，更精确地，大约(5-10)×10-3Pa。典型的地沉积速率在每分种10到100微米之间，更精确地，在每分钟10至50微米之间，例如大约每分钟20微米。局部沉积可以在一步或多步之内堆积至几乎任意深度，其中单个步骤的特征在于中间处理与组分相对于蒸汽源的再定位之间的结合。单独步骤沉积材料的厚度也可以超过2mm，超过5mm，或更高。对于特别昂贵的组分，利用该处理过程可完全替代失去的特性。例如，如果叶片的整体式圆盘和叶片环发生损坏，可以由该圆盘重建一替代叶片。在这个例子中，粘合强度可能超过50ksi，更有利地是可以超过100ksi。典型的离子增强型EBPVD工艺在实施中所产生的粘合强度的测量值为149ksi。与之相对照，非离子增强型工艺和空气等离子体工艺产生的粘合强度分别不超过22ksi和7ksi。
在下述部位可用同样的工序沉积材料：翼面后缘、或中跨屏板的前缘或后缘、或顶端区域，即使该处的材料损失已经超出传统的可修复范围。相似的沉积可能会影响远离边缘的吸入侧或受压侧表面上的修复。对于这些修复，一般来说，单步沉积就已足够。在凸起表面(例如，吸入侧上的)上加工出一相对平坦的倒角可能会特别方便。在凹入表面(例如，受压侧上的)上采用凹面加工(例如，使用双凸式磨削套筒(doubly convex grinding quill))可能会较合适。更有利地，采用这种凹面加工后的加工表面会在整个区域内保持与蒸汽通路的法线成预期的角度。
除平面倒角磨削之外，机械加工都是可用的。有效加工的最重要原则是为随后进行的沉积提供一洁净的基础表面。尽管平滑是有利的，预期的或可接受程度的粗糙度也是可以允许的。有利的是，该叶片在每步沉积过程中都保持固定，以此防止沉积材料的柱状间断的出现。
图10显示了一用于执行上述沉积过程的离子增强型EBPVD装置100。该装置包括一真空腔102，该真空腔具有内部104。一具有一用于接受沉积的表面部分108的工件106(例如，涡轮机部件)定位在腔的内部，并由固定装置110夹持。该腔还可以具有各种附加特征(未示出)，例如用于抽空该腔的整体式真空泵，用于导入和移开工件106的负载闸室，以及各种传感器。
沉积材料可以，至少部分的，来自金属锭112，该金属锭可逐步并不断地通过真空腔通道114，沿插入方向520插入腔内。通常金属锭材料要精心选定，使合成的沉积材料可达到预期的化学性质。例如，该沉积材料可以具有与待修复工件的基层材料相同的化学性质。其中，后者是纯元素材料，而前者也可相同。但是，如果是合金，则需要根据各种状况改变其化学性质。这种状况依据合金的化学性质、沉积装置的结构、和沉积装置的操作参数可能会不同。例如，最轻的汽化合金元素(例如，钛-铝-钒合金和混合蒸汽中的铝)可被较重元素(例如，钛)推向蒸汽流的外围。相对于较轻元素在金属锭中的原始浓度来说，在工件与蒸汽流中央相对准的范围内，被沉积材料将会暂时地减少该较轻元素的浓度。因而，为了获得预期的沉积材料成分，金属锭中的较轻元素需要具有更高的浓度。这样，为了沉积Ti-6Al-4V材料，可以使用Ti-8Al-4V金属锭。
为了沉积含有难熔元素的材料(例如，Ti-8Al-1V-1Mo的沉积)，如果工作温度正好选在轻质金属的沸点而远低于该难熔元素的实际沸点，则在该蒸汽流中该难熔元素会非常少。在传统的EBPVD工艺中，这种情况会妨碍具有难熔元素的合金的沉积。
在离子增强型EBPVD中，工件的沉积表面承受沉积材料离子的冲击。该冲击向表面施加额外能量。该额外能量加热该表面，增强表面活性，并使表面原子漂移扩散，原子混合，稍微融入或融入先前沉积的材料中。这种原子过程的功能取决于离子能力以及冲击离子和沉积表面的性质。这种离子强化会产生强化的离子结合，更强的沉积材料粘合性，和更高的沉积材料密度。在离子增强型PVD过程中的这种对于沉积表面的离子冲击，会使表面原子产生动力溅射，将那些原子从沉积材料中去除。在沉积过程的初期，这种溅射具有特殊效果，即，清除沉积表面上的杂质。在之后的沉积过程中，该溅射会移除黏附性弱的原子，产生高质量(例如，粘合性和密度)的沉积层。在多数情况下，每种合金组分的溅射是相似的(由于原子重量、组分溅射系数的相近，以及组分原子间的结合)。否则，当某些成分的优先溅射发生时，沉积后的合金中那些成分会很少。但是。蒸汽的适度离子化和沉积表面的适度离子冲击不会对沉积材料的成分产生不良影响。在仅适度离子化的情况下，相对于沉积表面上正在沉积的原子流，沉积表面上的离子流(以及由此产生的溅射原子的流动)将会很弱。例如，在以10-50μm每分钟的沉积速率沉积Ti-6Al-4V时，离子流密度为1-50mA/cm2以及离子能量达到10keV都是可以接受的。在沉积具有轻质成分(例如，Ti-6Al-4V中的Al)的合金时，该最轻的原子可能会被优先溅射。但是，在强烈的蒸汽流中，这些原子将会在由较重原子(例如，Ti)冲击引起的背向散射的作用下再次沉积。
适当的密封可以防止金属锭周围的泄漏。可选地，该金属锭及其进给运动驱动器(未示出)可以设置在腔104内。金属锭的腔内端变为通过一坩埚116沿构成该腔的外壁底部定位。该金属锭的金属熔池118在腔内形成并且具有一表面或凸面120。通过电子枪124发射出的电子束122将金属锭融化形成一熔池，该电子枪可定位未腔内或腔外以将该电子束引向腔内金属锭末端/熔池。坩埚用于承纳该熔池。有利地，该坩埚应当被冷却以防止其熔化(例如，将冷却流体，例如水，通过一外部冷却套管(未示出))。在典型实施例中，该坩埚是一电磁坩埚单元，并且具有一绕在金属锭周围的由电源126供电的圆柱形线圈。该通电线圈在熔池118上部和内部产生磁场。通常，磁场强度为0.003-0.06T。磁场用于聚焦电子束122，以便提高汽化速率，因为该电子束可能已经被电离的放电等离子体和放电电流的磁场散焦。通过阻止放电阴极斑点向坩埚外围移动，该磁场也有助于稳定表面120上的电离放电，从而，避免真空电弧在坩埚体上燃烧。该磁场通过影响电离度和空间分布而有助于控制放电等离子体参数。该磁场同样影响熔池118中的金属液的旋流。该旋流有助于提高熔化金属成分的混合，并减少金属喷溅。液态金属的旋转是金属液中的电流相互作用的结果，这是由电子束和电离放电以及线圈的磁场引起的。由于减少了向坩埚壁传递的热量，该旋转同样提高了汽化速率。
电子束的热量可有效地汽化熔池内的金属。为了确实地将带电金属离子吸引到表面108上来，在工件106上施加一负偏压。一脉冲调节器128通过一电线/导线130连接于工件106上。该偏压可以具有一矩形脉冲波形，该波形的特征在于：重复频率Fb(脉冲频率)，脉宽τb，负载周期Db，和峰值电压Ub。Db＝τb×Fb。也可以使用替换偏压波形(例如，正弦形的)。但是，通常认为矩形波形可以向沉积材料中提供特别高效的能量。通过施加一未调整的直偏流，也可能在表面108上发生弧光放电(电弧放电)，尤其是沉积刚开始的几秒钟内。这种发电会损伤表面。负压的脉冲调整可以有效地抑制电弧放电。减小脉宽可以减小电弧放电的可能性，这是因为电弧的形成需要足够的时间(例如，由一百到几千毫秒)。即使弧光发电现象发生，偏压脉冲之间的中断(暂停)也可以很快地中断该放电。
有利的偏压参数会在很大程度上根据设备的性能、沉积材料的属性、工件的尺寸(质量和线性尺寸)等等而不同。通常峰值电压是一介于50-10000V范围之内的负压。通常脉冲重复频率在0.05-150kHz范围内。通常脉宽≥大约5μsec。这样的脉宽比较有利，这是因为，倘若在有类似电压的更短的脉冲的情况下，只有很少数的离子可以带着全部的能量到达工件。由金属原子的蒸汽形态中产生的离子需要相对长的时间(大致与它们的质量成比例)才能由蒸汽等离子体穿越围绕在工件表面的空间电荷层到达工件。该电荷层用负电势将蒸汽等离子体与工件分离。金属离子由偏压加速。离子穿过电荷层所需的时间(例如，大约1μs)在实际操作上需要小于脉宽τb。偏压参数可以在沉积过程中动态地改变，以控制沉积的参数，尤其是工件的温度。这样是有利的，即，在处理过程开始时采用相对较高的Ub和Db，然后降低该值以将工件温度保持在目标范围之内。如果该温度达到或低于该范围的下限时，则可以提高上述的值。在一般的实施过程中，只有负载周期在运行过程中是变化的。例如，在最初的通常0.5-2.0分钟的时间段内，负载周期可能是接近0.9。接着该负载周期被降低至接近0.1-0.4的值并维持几分钟以避免过热。接着负载周期可以适时地逐步递增回0.9的值以使运行温度保持在目标范围之内。
如上所述，一个需要注意的潜在问题是沉积表面(表面部分108或沉积材料沉积于其上的表面)上的电弧放电。沉积材料的离子可能会使表面电压升至击穿电压。电弧放电可能是一短暂的单极放电(电火花)，这是由在沉积表面上储存的离子电荷产生的。这种形式的电弧放电不需要第二电极。但是在某些情况下，电火花会在工件(充当阴极)和等离子体或接地元件(充当阳极)之间引起一强烈的单极电弧。该强烈的电弧会损伤沉积表面和偏压电源(电弧引起短路)。偏压脉宽的减小降低了该强烈电弧产生的可能性，这是因为电火花和电弧的形成需要足够的时间(例如，由100μs至几毫秒，这取决于几个因素)在沉积表面上储存击穿电荷。尽管采用脉冲调制，在数个脉冲和相关的电荷储存之后，还是可能达到表面击穿电压。这个问题可以通过临时将偏压反向，例如，在工件上施加一小量级(例如，50-200V)的正向窄脉冲(例如，1-10μs)的手段得以控制或消除。该正向脉冲吸引由放电等离子体奔向沉积表面的电子，以至少部分的抵消离子表面放电。这种极性的反转对于相对不导电(例如，不导电的或半导电的)的沉积材料也许特别有用，其中该材料充当可储存离子电荷的薄膜电容器。对于多数的导电材料(例如，金属、合金以及其他金属材料)来说，仅反向脉冲之间的短暂停就足以抑制电弧放电了。
电流传感器132可以连接于导线130上，用于测量从那里通过(例如，由离子冲击表面部分108或材料上层而形成的电流)的电流的参数。在一般的实施过程中，将一用于测量偏压和观察其波形的电压分配器134连接在导线130上，如，传感器132的上游。一示波器140分别交叉连接在传感器132的输出端142、144以及分配器134上，用于监控偏流和偏压。一数字转换器146可类似地连接于这些输出端上，并依次连接一数字监控器和/或控制系统148。
为了保持电离放电沿汽化/等离子体流道522由熔池118至表面108，将一电离阳极150(例如，至少部分环绕这通路522的环)通过电线/导线154连接于电源152之上。该放电保证汽化成分的必要的电离度。该电离度的特征在于：沉积表面上的离子流密度ji。通常ji为1-50mA/cm2，更精确地，2-10mA/cm2。这会产生相关联的50-200A的普通泄放电流。对于钛合金的沉积，通常的相关泄放电压为8-20V。一脉冲调制器156可安装于电源152和环150之间，用于调整电离放电。该电离放电具有频率Fa，脉宽τa，负载周期Da＝τa×Fa和峰值电流Ia。
电离放电的调整具有几个效果。减少负载周期可缩短放电的工作时间，与之相关的是在此期间放电影响(例如，散焦)电子束122。这种散焦会降低汽化速率。该调整可通过防止由熔池表面到坩埚体外围的放电跳动来稳定电离放电，以此防止真空电弧在坩埚体上燃烧。这种燃烧是非常不利的，这是因为坩埚材料可能会向沉积材料中掺入不希望有的杂质。坩埚体的导电表面上的真空电弧激励的主要机理是不规则微小尖端的放电，这是由于它们被场发射电流(例如，电离放电的等离子体为其充当阳极)加热造成的。充分的加热需要充分的时间间隔。电离放电的脉冲调制为坩埚的微小不规则部位的受热和场发射提供了周期性中断，以允许充分的冷却，确保稳定放电。调整参数的选定应可在工件的沉积表面上提供期望的电流密度，和能够为电子束和汽化速率带来可允许效果的期望的电离放电稳定性。一般调整参数包括1-10000Hz范围内的频率Fa，更精确地，100-1000Hz，和0.1-0.95附近的负载周期Da，更精确地，0.5-0.9。在沉积过程中，一个或多个放电脉冲参数可能会发生变化。例如，负载周期可能会在沉积过程开始的某个时间段内逐渐减小。当减小为零时，会产生由离子增强型EBPVD到传统EBPVD之间的软转换。各种波形都可用来替换矩形波。可将一电流传感器158连接在线路154上，同时将一电压分配器160连接在线路下游。该电压分配器提供输出端162、164，当示波器如140’所示连接时，输出端可连接于示波器上。一数字转换器(未示出)可连接于一数字监控器和/或控制系统(未示出)，并可用于取代或附加于示波器140’上。一至少部分围绕流道522的电磁环170通过电线/导线172连接到电源174上。在典型实施例中，该电磁环170沿流道522定位于阳极环150的上游。但是，它也可选择地定位于如170’所示的下游，或甚至置于工件106的后面(下游)。一典型的环170由围绕着流道522的几圈导线构成，形成一个线圈。对该环/线圈170通电使之产生0.003-0.03T左右的磁场，以通过由阴极发射电子的方式加速蒸汽电离，并利用磁场对等离子体电子轨道的作用来控制放电等离子体的空间分布。等离子体电子基本上沿磁场线(例如，螺旋形环绕着场线)流动。这样，增强的磁场强度提供更高的等离子体密度。对称的磁场分布产生对称的等离子体分布。这包括在工件表面附近提供分布密度的等离子体，和表面上的相关联分布的离子流(例如，提供沿工件的更大块部件的强化离子流以提供由离子冲击带来的更均匀的加热)。在沉积过程中，改变电磁环中的电流或其在该处的位置，可允许对沉积表面的离子分布进行动态控制，并可用于达到预期的加热效果。
一闸板178具有偏离流道522的第一位置(实线)，和一阻挡流道522的第二位置(虚线)178′。该闸板可沿流道522定位于阳极环150的下游。该闸板可在准备过程中处于第二位置，此时装置正在被调整为初始目标工作状态。在该环节中，金属锭已熔化形成熔池，电离放电已经建立，工件上已经施加了负偏压，并且工件可以进行预热。工件106可以通过由第二电子枪192发射的电子束190预热，以对工件的非沉积表面部分194施加影响。预热可以通过热解和解析表面杂质以清除沉积表面。这样可以增强沉积材料的结合与附着力，并可在沉积初始阶段避免热冲击。在典型实施例中，考虑到设备的限制了蒸汽的疏散并避免不可接受的工件氧化，可改变预热方式，使工件温度逐渐提高，以有助于达到预期的汽化率，及工件散热。预热参数主要取决于工件的几何尺寸和质量。将工件预热至一不高于最大工作目标温度的温度是有利的，并且有利的是，该温度通常在工作目标温度范围内。根据初始目标范围的参数，闸板打开，露出工件以进行沉积。在沉积过程中，第二电子枪192可通过离子撞击，通过热辐射(例如，来自熔池内的熔化金属)，以及通过沉积过程中的原子冷凝的方式加热工件。如果温度超过工作目标范围的上限则关闭该第二电子枪，并且只要温度处于该目标范围内也可关闭它。但如果温度下降至低于目标范围的下限，它可以被重新打开。如果在沉积过程的最后阶段沉积速率下降，则该电子枪可在速率下降的阶段内重新打开。
在工作过程中，等离子体密度可由一位于腔内并连接于一记录系统202之上的等离子体探针或探针阵列200来监控，其中该记录系统具有输出端口204和206以允许监控(例如，通过如140”所示连接的示波器)。通常的探针可以是相对于等离子体处于负电势的电极，用以测量饱和离子流。通过在流道522周围布置探针阵列，可监控电离放电的方位不均衡性。该方位不均衡性，可能是由电子束对熔池加热的不均匀加热，以及熔池上方和蒸汽内部电离放电的不均匀分布造成的。探针同样可以用于监控蒸汽流的空间分布。该探针可在离子增强型EBPVD和传统EBPVD中作为蒸发用电子束122的扩展部件，这是因为电子束会使部分蒸汽发生电离，在探针电路中产生电流。该电流可以是蒸汽密度与汽化速率的比。通过电离放电的脉冲调制，脉冲期间的探针电流用于撤销监控。撤销脉冲之间的探针电流用于汽化监控。该监控允许对过程故障进行快速探测，并可通过一反馈循环提供其稳定性。例如，通过控制电子束122可以稳定汽化速率，以保持脉冲之间的恒定的探针电流。
在通常的实施例中，脉冲调制器128包括一电子管208。该电子管208(例如，三极管，四极管，或类似元件)充当一快速选择开关装置，用于周期性的将工件106接通主DC电源的负极，并由此产生负偏压脉冲。可控制主DC电源电压以决定该偏压的峰值。该脉冲调制器还包括一发生器(未示出)，该发生器用于控制施加在电子管的控制栅209上的脉冲。这些控制脉冲参数决定偏压脉冲的参数(Fb，τb，Ub，和相应的负载周期)。一电流探针210和电压分配器212连接与电子管208上，并提供输出端214和216用于通过如140所示连接的示波器进行监控。该监控用于校验脉冲调制器的正常工作状态。可替换的电压调制器可用于产生偏压(例如，基于闸流管，闸流晶体管，晶体管，和升压变压器)。但是，电子管调制器的有利之处在于，它将耐用性和对输送到工件的电流进行控制以抑制电火花和电弧放电相结合。普通电子管调制器的一个方面是，该管阳极电流主要由控制栅(以及四极管和五极管的帘栅极)的电压决定，阳极电压只是其次。因此，在工件上发生电弧放电的情况下，电子管阳极电压会急剧上升至与主阳极DC电源电压相等，但同时控制栅电压保持不变。同样，阳极电流(也就是工作电流)在没有电弧放电的情况下将会是几乎相同的。所以，阳极电流可能会稍微上升，而且该稍微上升的电流就是电弧放电过程中工件的最大电流。这样，该电子管产生自动限制负载电流的效果。可替换调制器设备可能在限制负载回路中的电流上会有困难，因而可能需要一非常快速作用的防护装置，可在工件表面发生电弧放电的情况下阻断电流。可在真空腔内附加一电压传感器(未示出)，以探测坩埚或其他组件的电势。
为增加金属锭112中的组分的沉积，一种或多种补充组分可通过溅射共同沉积。该溅射成分可以是金属锭中不存在组分，或者是金属锭中含量不足在沉积材料中产生预期含量的组分。溅射的一般成分为包括难熔元素，例如：Mo，Zr和/或Hf。图10显示了一溅射靶220。该普通目标220围绕者流道522。该目标220可沿流道522置于阳极环150的下游和闸板178的上游。该目标的一般形状为截头圆锥形或截头角锥形套管，该套管具有一沿流道面向下游的内侧表面222，和一面向上游并远离流道的外侧或背侧表面224。可替换目标可包括一沿流道面向下游并朝向工件的斜板，杆或棒，导线环，或格栅。该目标的尺寸、形状、定位和朝向的选择，应可以有效拦截等离子体离子并可使溅射成分均匀地沉积在工件表面上。设备其他部分的结构和工件构造会影响目标的那些参数。同样，工件和/目标在沉积过程中也可以改变位置和方向，以实现均匀沉积或其他期望的沉积分布。遮护板226定位于背侧附近，以保护背侧免受来自等离子体的离子冲击。遮护板可控制对目标的不必要的供热，这些供热来自离子轰击、坩埚内熔融金属的辐射、和汽化成分的冷凝。通常遮护板的形状为一截头圆锥套筒或截头角锥套筒，或一带有开口的平面环。该遮护板可接地或连接到电极150上，以抑制离子轰击和溅射。如果连接到电极150上，该遮护板可能会从放电等离子体中吸引电子，并使目标附近的离子集中加剧。该遮护板可由与目标材料相同的材料制成以使污染最小化，或也可以由其他材料制成。目标220经由以电线/导线230连接至电源232上，以对该目标施加一偏压。该溅射偏压具有一特有的符号，可有效地将期望的离子由等离子体中吸引到目标上来(优先至下游/内侧表面222)。等离子体离子喷射(溅射)冲击目标材料成分，主要是单个的目标原子。由于喷射称分的弹道轨迹，有一些被喷射(溅射)材料会冲击工件。在一个Mo目标和Ti基金属锭的实例中，负溅射偏压吸引Ti+离子撞击目标并且主要轰击出中性的Mo原子。该偏压可具有一持续的DC或脉冲调制的波形。对于从根本上抑制目标表面上的电弧放电和目标材料熔滴的形成，脉冲调制的使用是有利的。这在沉积的开始阶段将是尤其重要的，因为此时目标表面上的杂质可能正在激励着电弧放电。该调制的溅射偏压可以是一矩形波脉冲波形，其特征在于脉冲重复频率Fs(脉冲频率)，脉宽τs，负载周期Ds，和峰值电压Us。通常认为，负载周期大致为1的矩形脉冲波可特别高效地将离子能量用于目标材料溅射。也可使用其他偏压波形(例如，正弦波)。
多种可替换溅射靶都是可行的。两种组分构成的用于溅射的一种构造是一截头角锥套筒，其中它的两相对侧的分别由上述两种材料之一构成，两端相互绝缘并分别连接至独立的偏压源。其它的包括沿流道面向下游并朝向工件的板状目标，杆阵列，导线环，或格栅。图11示出了一替换系统部分，它包括两目标220’和220”，其中，该两目标可由不同的材料形成，并可分别施加不同的负偏压Us1和Us2。目标220’和220”可以成形为呈一定角度面对工件106的平板形状，或是截头圆锥或截头角锥的有角度部分。遮护板226’被成形为平板状，并具有一中部开口，该中部开口用于使蒸汽/等离子体沿流道通522过到达工件106。其他组件可以与系统100类似或不同。在工作过程中，金属锭112的离子化成分250轰击工件和目标220’和220”。该目标轰击由相应的目标产生被溅射的目标成分252’和252”，接着使之沉积在工件上。
整个沉积过程的一般参数和系统100的共同沉积的离子增强型电子束物理汽相沉积部分的参数，可以是申请10/734696中所公开的。在典型的共同沉积中，沉积材料可以是具有难熔成分的Ti基材料。典型材料是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-8Al-1V-1Mo，和/或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，其中几乎所有的Mo都来自于目标，几乎所有的其他成分都来自于金属锭。沉积材料中的难熔成分浓度按重量计算一般为0-10％，或更精确地，0.5-8％。共同沉积组分的浓度取决于达到工件表面的蒸汽成分流(例如，来自坩埚的)与溅射成分流(例如，来自目标的)之比。溅射成分流取决与目标材料溅射系数(或轰击目标的离子流的能量)和目标离子流(或目标附近的自立浓度)。因此，通过调整目标的溅射偏压，可以改变已沉积的溅射组分沿沉积厚度/深度方向上的浓度。可选的Ti基合金的沉积可包括一Zr目标的溅射。同样，可使用同样的方法处理非Ti基材料的沉积。例如，特别是，这包括Ni基和Co基或其他超合金的沉积，并同时溅射Hf、Ta、W和/或Re(这需要更高的汽化温度)。
常用工艺参数可根据基层材料、沉积材料、基层几何形状和装置性能加以改变。例如沉积Ti-8Al-1V时，工作温度可以是600-700℃，更精确地，620-650℃。偏压Ub可为1-3kV，脉冲频率Fb可为0.05-150kHz，更精确地，0.5-5kHz(例如，1kHz左右)。负载周期Db在沉积开始阶段可为0.5-0.99，更精确地，0.8-0.95(例如，0.9左右)，之后逐渐减小至一个相对较低的值(例如，小于初始值的一半或在0.1左右)，然后再次回增至初始值。沿沉积表面部分108的电流密度jb可以是2-10mA/cm2。此处的功率通量可以为2-30W/cm2。溅射偏压目标电压可以是2-5kV。脉冲频率Fs可以是0.05-150kHz，更精确地，0.5-5kHz(例如，1kHz左右)。负载周期Ds在沉积开始阶段可为0.5-0.99，更精确地，0.8-0.95。腔内压力可以小于0.01Pa。沉积速率可为5-30μm/min，更精确地，15-20μm/min。电离发电电流可以为50-300A。
上面描述了本发明的一个或多个实施例。然而，在不背离本发明思想和范围的情况下，可做各种修改变化。例如，尽管对于扇叶特别有用，本方法也可用于其他叶片和其他涡轮机部件以及非涡轮部件。涡轮机零件或其他部件的具体特征以及其所受到磨损或损伤的具体状况将会对所有给定的修复方法产生影响。该方法和装置可以用于各种非修复的用途。同样，其它实施例也在所附权利要求的范围之内。

Claims (20)

1、一种用于将沉积材料沉积在零件上的方法，包括：
将零件置于沉积腔中；
在零件上施加第一电势；
将用于形成沉积材料的一种或多种第一组分汽化；
电离该汽化后的第一组分，第一电势将电离后的第一组分吸引到零件上来；以及
溅射用于形成沉积材料的一种或多种第二组分，该溅射的第二组分与电离的第一组分同时沉积。
2、如权利要求1所述的方法，其中：
该溅射包括在溅射靶施加一溅射电压。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：
溅射靶围绕着由第一组分至零件的离子流道。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
该一种或多种第二组分包含一种或多种难熔元素。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
该一种或多种第二组分主要包含Mo。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
该沉积材料主要由Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-8Al-1V-1Mo、或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo之中的至少一种组成。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
该零件在损伤处损失了第一材料，并且
沉积材料被沉积在该损伤处以修复该零件。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：
沉积材料与零件的基层具有一第一界面，沉积材料与基层的结合强度超过50ksi。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于：
该零件和沉积材料含有Ti合金、或镍基或钴基超合金的或类似公称成分；
结合强度在100ksi和200ksi之间；
沉积材料的深度至少2.0mm；
基层具有超过沉积材料深度的厚度；并且
基层包括原有的未修补的材料。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
该零件是Ti合金涡轮零件并且该沉积材料是Ti基的。
11、一种在工件上沉积材料的装置，包括：
一沉积腔；
用于由一种或多种第一沉积材料组分形成等离子体的装置；
用于向工件施加调制偏电势，以从等离子体中将离子吸引到工件上的装置；
用于溅射上述一种或多种第二沉积材料组分的装置；和
连接上述成形装置、施加装置和溅射装置的控制系统，并设定该系统，使之为第一和第二沉积材料组分向工件的共同沉积提供了反馈循环控制。
12、如权利要求11所述的装置，还包括：
用于监控等离子体密度以及流向工件的离子流的装置。
13、如权利要求11所述的装置，其特征在于：
用于溅射的装置包括：
一用于提供所述一种或多种第二沉积材料组分中第一部分的第一溅射靶；和
一用于提供所述一种或多种第二沉积材料组分中第二部分的第二溅射靶；并且
控制系统被设定为可独立控制施加在第一和第二溅射靶上的第一和第二溅射偏压。
14、用于将沉积材料沉积在工件上的装置，包括：
一沉积腔；
一位于沉积腔内并承受一第一非零偏压的工件；
一所述沉积材料的一种或多种第一组分的第一源，加热该源以汽化第一组分；和
一位于沉积腔内的具有痕迹材料的一种或多种第二组分的第一溅射靶，该目标承受第二偏压。
15、如权利要求14所述的装置，其特征在于：
该一种或多种第一组分包含Ti、Al、和V；并且
该一种或多种第二组分主要由Mo组成。
16、如权利要求14所述的装置，其特征在于：
第一偏压与第二偏压是不同的。
17、如权利要求14所述的装置，其特征在于：
第一和第二偏压是脉冲调制电压，它们至少在量级和负载周期两者之一上是不同的。
18、如权利要求14所述的装置，还包括：
一第二溅射靶，它与第一溅射靶的成分不同，并承受与第二偏压是不同的第三非零偏压。
19、一种用于将由一种或多种第一组分和一种或多种第二组分构成的沉积材料共同沉积的方法，该方法包括：
所述一种或多种第一组分采用离子增强型电子束物理汽相沉积工艺；并且
所述一种或多种第二组分采用溅射方式。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于：
所述一种或多种第一组分来自一单独的金属锭；并且
所述一种或多种第二组分至少具有两种组分，这两种组分来自成分不同的至少两个不同的溅射靶。
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