CN1896463B - 硅化铌基涡轮部件及有关的激光沉积方法 - Google Patents

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Abstract

硅化铌基涡轮部件及有关的激光沉积方法描述了一种用硅化铌基成分制成的涡轮部件(10)。部件(10)可以通过其结构的至少一部分在成分上逐渐变化。也描述了一种用包括硅化铌合金的成分制成的涡轮叶片(10)。该叶片包括一翼面(12)、一翼面顶端区(31)、一其上安装翼面(12)的平台(24)，以及一附接在平台(24)下侧上的燕尾根部(26)。在至少一部分涡轮叶片(10)中的硅化铌合金在成分上不同于另一部分叶片中的硅化铌合金。也描述了利用激光包层技术制造一个硅化铌基的涡轮部件的工艺。在该申请中也提出了修理方法。

Description

硅化铌基涡轮部件及有关的激光沉积方法
发明领域 
本发明总的涉及用于高温用途的金属和金属合金。更具体地说，本发明涉及用于各种涡轮发动机部件的硅化铌成分。 
背景技术
用于高温用途的设备可以用各种高性能合金制造。选择特定的合金，与对部件的其它规定要求一起，大部分取决于该部件的投射的温度曝光。它们包括：强度，蠕变阻力，耐磨性、抗氧化能力，抗环境能力，重量要求等。燃气轮机发动机是许多合金性能如何需要通过单独一件(虽然复杂的)设备来平衡的一个良好例子。在一典型的燃气轮机发动机中，空气在压缩机中受压缩并与燃料混合且在燃烧器中点燃而产生热的燃烧气体。这些气体向下游流动而通过一个有一级或多级的高压涡轮机(HPT)，这些级包括一个涡轮喷嘴和多个转子叶片。然后气体流向一个低压涡轮机(LPT)，它通常包括具有各自的涡轮喷嘴和转子叶片的多个级。该涡轮的“热”区段中的金属温度在操作时可以高到约1150℃。 
虽然镍基超级合金常常是选择用于该涡轮机的高温区段的材料，但对能承受甚至更高的操作温度的先进材料仍有极大兴趣。相当新颖的合金为难熔金属的金属间复合材料(RMIC)。这些中的许多基于铌(Nb)和硅(Si)，它们在下面提到的许多专利中得到描述。 
RMIC复合材料通常有一多相微观结构。例如，该微观结构可以包括一个金属铌基相和一个或多个金属间的金属硅化物相。如美国专利No.5,833,773(授与Bewlay等人)中描述的，该金属硅化物相有时包括一种M3Si硅化物和一种M5Si3硅化物，其中M是Nb、Ti(钛)或Hf(铪)。这些材料被认为是结合了高强度、低韧度硅化物与较低强度、较高韧度的Nb基金属相的复合材料。它们常常具有高达约1700℃的熔点温度，并具有与许多镍合金相比相当低的密度。这些特性使此类材料对于其中温度超过镍基超级合金当前使用限度的用途的潜在 应用非常有希望。 
上述用于燃气轮机发动机的涡轮叶片代表一个它多么难于在一单独物件中平衡各种合金性能的良好例子。叶片的各部分如翼片常常要求程度相当高的强度和“蠕变”阻力。但是，调整该成分来满足这些要求有时只有牺牲其它性能来达到。例如，合金的抗氧化能力可能减小，这对于叶片的其它部分如叶片顶端可能产生问题。 
涡轮叶片(以及其它类型的高温设备)可以用各种技术如锻造、熔模铸造法和机加工来制造。但是，这些工艺可能又复杂又费钱。例如，获得精确规定的叶片形状可能要求许多最终要求费时的机加工步骤的单个步骤来提供最后的几何形状构型。 
而且，为了在一给定的涡轮级中将叶片附接在一转子或盘上，叶片的底座通常必须形成一个燕尾或“枞树”形。这一过程通常在一铸造或锻造步骤期间进行，随后进行机加工。获得合适的燕尾几何形状也需复杂的努力，还常常要求大量的费时的后机加工操作。 
其次，大多数涡轮叶片通常包括空心的内部冷却区，它们连通一部分从压缩机来的空气。典型的空心区常包括蛇形通道。形成这些区也要求复杂的步骤。例如，在铸造或定向固化工艺期间通常利用带有非常特殊的性能的陶瓷芯来形成空心通道。这些芯必须有足够的强度来在初始铸造或固化期间保持完整原样。它们在形成所要的部件后即当周围金属冷缩时也必须“可破碎”和可浸出。在用传统技术有效地制造叶片和其它部件时，对合适的芯的成分寻找配方是又一种挑战(特别当铸造新型的合金时)。 
有了这些考虑，显然在该技术中至少要有两个领域的新发展。第一，具有在该部件的不同区段中变化的特定性能的RMIC基的涡轮部件(以及其它高温部件)将有相当大的价值。第二，用于制造此类部件的能减少或消除传统铸造工艺中所需的某些步骤的方法在该技术中也引起相当大的兴趣。 
发明简述 
本发明的一个实施例指向一种用一硅化铌基的成分制成的涡轮部件。该涡轮部件其结构的至少一部分其成分是逐渐变化的。 
另一实施例涉及一种用硅化铌合金制成的涡轮叶片。该叶片包 括： 
(a)一个翼面； 
(b)一个位于该翼面的一外端处的翼面顶端区域； 
(c)一个其上安装该翼面的平台；以及 
(d)一个附接到该平台的下侧上的燕尾根部，其形状适合于装入涡轮机转子上的一个槽中，使得该叶片能附接在该转子上。 
至少一部分涡轮叶片中的硅化铌合金的成分不同于另一部分叶片中的硅化铌合金的成分。 
本发明的另一实施例指向一种用于制造硅化铌基涡轮部件的工艺。该部件有预先选定的形状，其特征是有多个平行的横向区段，每个横向区段有一预先选定的图形和厚度。该工艺包括以下步骤： 
(i)用一激光束熔融一种硅化铌材料，并沉积该熔融材料而形成该物件的第一横向区段的图形中的第一层，该第一沉积层的厚度对应于第一横向区段的厚度； 
(ii)用一激光束熔融一种硅化银材料，并沉积该熔融材料而形成该物件的第二横向区段的图形中的第二层，该第二层至少部分地叠合在沉积材料的第一层上，第二沉积层的厚度对应于第二横向区段的厚度；以及然后 
(iii)用一激光束熔融一种硅化铌材料，并沉积该熔融材料而形成该物件的相应的横向区段的图形中的相继的层，这些相继的横向区段中的至少一个区段部分地叠合处于下面的横向区段，其中该熔融的材料被沉积而形成相继的各层，直到完成该物件。 
一种修理一个用包含硅化铌的材料制成的涡轮部件的方法构成本发明的另一实施例。该方法包括使用激光包层工艺利用至少一种含硅化铌的替换材料来替换或改变该部件的一个受损区段的步骤。 
从下列本发明的详细描述将清楚本发明的其它特点和优点。 
附图简述 
图1是一个涡轮发动机叶片的透视图，包括翼面、平台和燕尾根部。 
图2是沿图1的线2-2截取的涡轮发动机的放大截面图。 
图3是一种激光包层工艺的示意图。 
图4是一种激光包层设备的详细示意图。 
图5是在激光包层设备中输送粉末用的多重馈送喷嘴系统的例示图。 
发明详述 
图1是一种示范的燃气轮机转子叶片10的透视图。这种类型的涡轮叶片在该技术中是熟知的。不起限制作用的例子包括在美国专利No.5,458,461(授与C.P.Lee等人)和No.5,690,472(授与C.P.Lee)中描述的各种叶片设计，它们均参考合并于此。通常，多个此种叶片附接在一个环形的转子盘上(未示出)。叶片10包括一个翼面12，分别具有压力侧14和负压侧16与前缘18和后缘20。该翼面的侧壁21和23限定压力侧14和负压侧16。这两个侧壁在一个具有该翼面的垂直维度的平面中大体上互相对置。 
图1中该翼面的下部终端为底座22。底座22包括一个平台24，翼面可以以直立位置牢固地安装在平台24上，也即基本上垂直于平台的顶面25。该底座还包括一个燕尾根部26，根部26附接在平台的下侧上。该燕尾根部设计成将叶片10附接在转子上。如下面进一步描述的，该燕尾根部、平台和翼面可以铸造(通常成一件)，或者可以分开制成，然后用机械方法或冶金方法结合在一起。或者是，它们可以在一激光沉积工艺中制成，也如本说明书的其余部分中所描述的。 
如图1中所示，垂直维度“S”代表从平台24的顶面延伸到翼面顶端31的最上部的翼面“高度”或跨度。如该技术的专业人员理解的，该翼面顶端可以制成各种形状。在该例子中，顶端31终止于端帽32。该端帽闭合侧壁21和23的外端部。(在其它设计中，该顶端实际上可用一屏板覆盖)。横向维度“C”代表该翼面的弦。该弦维度大体上垂直于该跨度维度，并从前缘18的极端点延伸到后缘20的极端点。 
如该技术中熟知的，图1中所示的涡轮叶片通常包含在侧壁21和23之间的宽阔的空心区域。该空心区域主要用于允许冷却空气通过该叶片。如图中所示，侧壁、前缘、后缘和端帽包括许多小冷却孔34。这些孔允许冷却空气从叶片翼面12的内部通过和流出。该冷却空气通常流入和向上通过底座22到该翼面。如下面进一步提到的，该翼面的内部可以包括用于冷却空气的大范围的复杂通道。这些通道按照计算 的速度图形和几何形状允许空气能流出这些孔，由此在操作期间对叶片的外部提供临界的冷却。 
如前所述，本发明的叶片和其它涡轮部件是用一种硅化铌基的成分来制成的。通常，这些成分包括铌(Nb)、硅(Si)和至少一种选自钛(Ti)、铪(Hf)、铬(Cr)、铝(Al)的元素。这些成分通常具有一种包括金属铌基相和金属硅化物相两者的微观结构。对于本发明，考虑形成涡轮机部件的材料的至少约75％(重量)将包括一种硅化铌成分的某种形式。如此处使用的，术语“硅化铌基的”指这种成分参数，有时候为了简洁起见称为“硅化铌材料”。 
用于本发明的涡轮叶片可以在不同位置如翼面、翼面顶端区域(下面讨论)、平台和燕尾根部中包含不同的硅化铌成分。对一给定位置的特定的硅化铌成分将取决于许多因素，它们包括对该叶片区段规划的温度曝光，以及对下列性能的特定要求：强度，延伸性，韧性，蠕变阻力(“蠕变强度”)，抗氧化能力，抗腐蚀能力，疲劳性能，环境阻力，重量要求等。特定成分的选择取决于在标准运行状态下对一部分成分所希望的特定性能。如此处使用的，术语“标准运行状态”指用于一部件的典型条件，如温度范围、温度周期、腐蚀状况、拉伸负荷、热诱生应力、离心应力和该技术专业人员熟知的各种其它条件。 
美国专利No.6,409,848(授与Bewley等人)和No.6,419,765(授与Jackson等人)中有适用于翼面12的成分的例子，它们参考合并于此。这样一种成分的一个不起限制作用的例子包括：约14(原子)％～约26(原子)％钛；约1(原子)％～约(4原子)％铪；约6(原子)％以下的钽；约12(原子)％～约22(原子)％硅；约5(原子)％以下的锗；约4(原子)％以下的硼；约7(原子)％～约14(原子)％铬；约3(原子)％以下的铁；约2(原子)％以下的铝；约1(原子)％～约3(原子)％锡；约2(原子)％以下的钨；约2(原子)％以下的钼；以及余量的钨。在一些情况下，铌和钽的原子百分率之和对钛和铪的原子百分率之和的比值为约1.4～约2.2。而且，在一些优选实施例中，在标准运行状态下，翼面中的硅化铌合金呈现出比翼面顶端区的硅化铌合金大的蠕变阻力。 
在特定位置中利用特定的硅化铌成分的优点的一个示例涉及涡轮翼面的翼面顶端区。通常，“顶端区”是靠近翼面顶端31的翼面部分。 如此处使用的，该顶端区可以更明确地定义为从顶端边缘35向下(沿跨度“S”)延伸到弦的维度“C”的约50％～约75％的一个点的区域。 
涡轮叶片的顶端区常常遇到更大的磨损。例如，当该顶端摩擦涡轮叶片在其中转动的外壳的屏板时，它可能磨损。因此，在某些实施例中，与叶片其它部件中使用的硅化铌成分相比，非常希望该顶端区的硅化铌成分呈现更大的耐磨性。因此该成分可以包括增强耐磨性的合金组份，如碳化钛或碳化钨。钴基合金对耐磨性也有用。不起限制作用的例子包括含钴和含铬、钨、镍、铁、钼中至少一种以及硅的合金。这些中的一些称为斯特莱特硬质合金(StelliteTM alloy)或TribaloyTM合金。 
在其它实施例中，希望该顶端区包含有增强的抗氧化能力的硅化铌材料。这一类材料的许多成分在该技术中是已知的。美国专利No.5,942,055(授与Jackon等人)和No.5,932,033(授与Jackson等人)中提供了不起限制作用的例子，它们参考合并于此。这些抗氧化的成分常包含显著含量的硅改性的拉夫斯相，即一个大于在形成涡轮翼面其余部分的硅化铌成分中的量的量。一种合适成分的一个特定例子是含有硅化物金属间相、铌基金属相和硅改性Cr2M拉夫斯相的硅基复合材料，其中M至少是铌。在原子百分率中，该成分含约12～约25％钛；约6～约12％铪；约15～约25％铬；约1～约8％铝；以及约12～约20％硅，余量为铌。铌基金属相的作用是部分地增强总成分的韧性，而拉夫斯相对于增强高温下的抗氧化能力很重要。 
该顶端区的抗氧化成分的另一特定例子是一种硅化物基的复合材料，也包含上述三相。在该例子中，该硅化物金属间相通常包括M5Si3或M3Si，其中M是Nb+Ti+Hf。这一类型的成分最好包含大于约25(体积)％的铌基金属相。一种特定的成分包括(原子百分率)：约30～约44％铌，约17～约23％钛，约6～约9％铪，约11～约20％铬，约2～约13％铝，以及约13～约18％硅。 
虽然翼面和翼面顶端区常包含互相明显不同的硅化铌成分，但这些成分常常逐渐变化。成分逐渐变化在涡轮叶片的不同区之间形成一种较平滑的过渡。如此处使用的，“逐渐变化”表示该成分中一种或多种组份的量沿涡轮物件的一个维度的任何顺序的或接连的变化。这种每单位维度的变化程度可以广泛地变化。而且，该逐渐变化不需要 在整个维度上发生，而相反地可以发生在一个非常特定的区域中，例如一个在涡轮叶片的两个相邻的区域之间的界面。(如下面进一步描述的，这种逐渐变化可以沿多个方向发生，例如沿翼面的跨度方向或弦方向的维度，或通过翼面壁的厚度)。该逐渐变化也可在一给定的涡轮物件中的多个独立位置中。 
参照图1，图示一个翼面12和翼面顶端区31之间的界面区“I”。该界面区沿翼面跨度(“S”)的长度可以相当大地变化，部分取决于前述因素，如温度暴露和性能要求。通常，该界面的长度约为跨度长度的约1％～约25％。 
因此，在逐渐变化中，硅化铌成分、促进抗氧化能力或抗磨性的组份量能沿从翼面12的主要部分向翼面顶端区31的方向通过界面“I”逐渐增大。例如，该界面中硅改性的拉夫斯相的量，作为总硅化铌基成分的比例，可以增大。作为一种不起限制作用的例示，界面“I”中硅改性的拉夫斯相的体积百分率，作为总硅化铌基成分的一部分，可以沿一向着翼面顶端区的方向通过界面的维度而以预先选定的增量增加。虽然成分的逐渐变化可以向上也即向着顶端的实际上终点继续，但该顶端区通常并不逐渐变化，而是用一相当均匀的成分制成。同样，虽然成分的逐渐变化可以继续向下，也即沿整个跨度，但翼面的大部分通常包括一种相当均匀的硅化铌成分。 
对于在涡轮叶片的不同位置中使用不同的硅化铌成分可以提供其它例示。作为一个参照图1的例子，平台24和燕尾根部26在使用期间通常不对撞击翼面12和顶端31的高温气体暴露。因此，使用呈现高值抗氧化能力和/或高温强度的硅化铌成分可能对叶片的这些区段不是严格的。相反，平台和燕尾根部可能从在中间温度如约500℃～约1000℃的操作温度下提供增强的机械性能的硅化铌成分中得益。如上下文中使用的，“机械性能”包括韧性(如断裂韧性)、延展性、蠕变阻力和中间温度强度。 
和种硅化铌成分可以给平台和燕尾根部提供增强的机械性能。它们中的一些描述于共同待审的专利说明书S.N.11/029,666(授与B.Bewley等人)中，该专利于2004年12月31日申请而已转让于本申请的受让人，并参考合并于此。对于这些材料，基于该成分的总原子百分率，存在的硅量小于约9(原子)％。这些成分通常包括一个金属 Nb基相和化学式M3Si或M5Si3的至少一个金属硅化物相，其中M是选自Nb、Hf、Ti、Mo、Ta、W组成的族、一种铂族金属及其结合中的至少一个元素。 
这样一种适合于燕尾根部和平台的成分的一个不起限制作用的特定例子包括铌和 
约5～约45(原子)％的钛； 
约1～约20(原子)％的铪； 
约1～约25(原子)％的铬； 
约1～约20(原子)％的铝；以及 
约0.5～约8.5(原子)％的硅。 
这些“低硅”成分经常包括高达约20(原子)％的铼，基于总原子百分率。也可以被包括的其它铂族金属的例子为锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)和钯(Pd)。在一些实施例中，这些成分可以包括早先提到的其它元素如钨(W)、钽(Ta)和钼(Mo)。也可以与各种其它元素如硼(B)、碳(C)、锗(Ge)、锆(Zr)、钒(V)、锡(Sn)、氮(N)、铁(Fe)和铟(In)。这些元素的示范值提供于Bewlay等人的参考专利说明书S.N.11/029,666中。 
可以进一步调整特定组份的值，以适应特定的最终用途条件。例如，在其中对平台的强度要求特别高的一些实施例中，该硅化铌成分中铪的优选值为约5～约10(原子)％。而且，硅的值可以高于“低硅”成分中的，例如高达约20(原子)％。作为另一例子，有时要求在较低温度条件下涡轮叶片的燕尾根部区段中的增强的抗氧化能力(例如在约1100°F～1400°F(593℃～760℃)的温度范围内)。在这样一种状况下，铬的值最好为至少约5(原子)％。替代的，或在该规定的铬值之外，该成分还可以包含约1～3(原子)％锡。如下面继续描述的，该激光包层工艺特别适合于在制造涡轮部件期间调整这些组份的特定值。 
该技术的专业人员将能够根据前述因素来对一种给定的平台和燕尾根部确定最合适的元素结合。例如，在硅化铌成分中包括W、Ta或Mo中的一种或多种可以有助于增加金属相的拉伸强度与金属相和中间相两者的蠕变强度。但是，它们的存在也可以产生一种密度更高的合金，这有时候可以是一种重要的考虑。(也应当理解，虽然平台和燕尾根度通常在这里一起讨论，但它们事实上可以每个包括不同类型的硅化铌成分，这取决于涡轮叶片的要求。) 
参照图1，当不同的硅化铌成分用于叶片的每个部分时，翼面12的成分可以突然变化到平台24的成分。同样，平台的成分可以突然变化到燕尾根部26的成分。但是，在优选的实施例中，在这些成分的至少两种之间存在至少某种成分的逐渐过渡。例如，从翼面沿跨度“S”的某些较低部分27开始(任意地表示为界面“I-2”)，这些成分可以从最适合于翼面的一种成分逐渐地变化为最适合于平台的一种成分。 
界面“I-2”的长度可以相当大地变化，取决于上面讨论的确定界面“I”的长度的许多因素。通常，界面I-2的长度约为跨度“S”维度的约1％～约25％。在许多情况下，界面I-2的长度近似于界面“I”的长度。在该界面内，该硅化铌成分中的一种或多种组份的比例可以减小或增大，这取决于沿任一种方向的“目标”成分。 
以同样的方式，燕尾根部26的成分也可以逐渐变化。例如，成分的逐渐变化可以沿如跨度“S”的同一方向发生，例如从燕尾根部的较高部分40到较低部分42。该逐渐变化可以沿一特定界面发生，类似于上述界面(虽然有其自身的沿长度变化)。或者是，该逐渐变化可以通过燕尾根部的整个长度(高度)和/或也通过任何其它维度而发生。 
如上所述，该翼面通常从延伸在前缘和后缘两部分之间并与其一起汇合的两侧壁形成。如图1中所示，侧壁21和23沿垂直于跨度S的维度限定从壁到壁的翼面厚度。在两侧壁之间的大部分或全部内部区域中通常为空心区。侧壁本身有一厚度，也取决于前述因素，如所需叶片强度。 
在某些实施例中，使一个或两个侧壁的厚度在成分上逐渐变化可能是非常有利的。图2中提供该概念的一个例子，该图为图1中所示翼面的放大截面图(在该图中，端帽32未示出。而且，为了易于描述，侧壁的厚度已稍许夸大)。 
侧壁成分的逐渐变化可能有利的一种状况涉及热膨胀。如该技术的专业人员能理解的，当翼面在操作期间暴露于高温时(如暴露于燃烧气体)，翼面外壁的温度可能上升得最高，而内壁温度显著地较低。与内部区域相比，该温度梯度可能导致翼面的外部区域膨胀得更大。 其生成的应力可能导致热疲劳和对翼面的最终损伤。当翼面暴露于许多个温度周期时，疲劳可能发生得更快。但是，如果翼面壁是按照硅化铌成分而逐渐变化的，那么由于该温度梯度而产生的应力可以减小或消除。 
参照图2，侧壁21的成分可以沿厚度I-3而逐渐变化。侧壁23的成分可以沿厚度I-4而逐渐变化。在每种情况下，该成分可以这样变化，使得影响热膨胀系数(CTE)的组份将增大或减小。作为一个不起限制作用的例子，增大硅化铌成分中如钛或铬的元素比例能增大材料的CTE。因此，这些元素的比例可以沿厚度I-3从外面移动到内面而增大。可以沿厚度I-4从外面移动到内面而建立一个类似的成分梯度。以这种方式，通过壁的厚度的硅化铌成分的CTE可以基本上平衡。 
而且，该硅化铌成分可以逐渐变化而匹配涂敷在涡轮叶片上或其一部分上的一个或多个涂层的CTE。如该技术的专业人员能理解的，涡轮叶片常常用一热屏蔽涂层(TBC)如一用像钇稳定的氧化锆的材料制成的陶瓷涂层来保护。在TBC和涡轮叶片的表面之间经常沉积结合的涂层。结合涂层的不起限制的例子包括用Cr-Al-Ru合金、二硅化物或Si-Ti-Cr-Nb合金制成的材料。 
在涡轮的升高的操作温度下和/或在叶片暴露于前述温度周期期间，保护涂层和涡轮叶片表面之间可能产生应力。这些应力可能最终损害涂层的整体性及其对叶片表面的附着力。因此，通过侧壁21和23的硅化铌材料的成分可以逐渐变化(完全地或部分地)，以尽可能减小可能在涡轮叶片表面和其上沉积的任何涂层之间可能产生的应力。 
还有对一个或两个侧壁的厚度进行成分的逐渐变化的其它理由。例如，可以进行成分的逐渐变化来改变侧壁的抗氧化能力的特性。该技术的专业人员能确定有利于如抗氧化能力的性能最合适的逐渐变化方案，而不会有不适当的实验方法。 
沿每个翼面壁厚度改变成分的程度当然将取决于前述因素，对CTE最重要的是热量的考虑。许多变化也有可能。例如，侧壁21和侧壁23不必以彼此相似的方式逐渐变化其成分。(事实上，一个可以逐渐变化，而另一可以不变化。而且，用I-3和I-4表示的梯度不必大体上垂直于壁的边缘，如图2中所示的那样。再次，逐渐变化不必连续地通过每个壁的整个厚度。事实上，如此处定义的，这些壁不必完全是 “逐渐变化的”。相反，一种特定的硅化铌成分可以沿锥度I-3和I-4存在于壁的一个“层”(即一个垂直的“切片”)，而一个或多个不同的硅化铌成分可以存在于其它“层”而没有任何有序的逐渐变化。 
如上所述，像图1中所示的那种涡轮叶片可以用许多技术制成。它们包括锻造、熔模铸造法、机加工，以及这些技术的结合。在某些优选实施例中，本发明的涡轮叶片用激光包括工艺制成。这样一种工艺在该技术中是普遍知道的，有时称为“激光熔融”。下列参考合并于此的美国专利提供了该工艺的不起限制作用的例子：No.6,429,402(授与Dixon等人)；No.6,269,540(授与Islam等人)；No.5,043,548(授与Whitney等人)；No.5,038,014(授与Pratt等人)；No.4,703,093(授与Mehta等人)；No.4,724,299(授与Hammcke)；以及No.4,323,756(授与Brown等人)。在许多其它的参考文献中也提供了有关激光包层的信息，如C.Thieler等人，BIASBremen研究所的“用激光束包层法沉积逐渐变化的金属基体复合材料”(10页)，于http://www.bias.de/aboutus/structure/Imb/publikationen/Deposition ％ 20 of ％ 20 greded.pdf(未注明日期，带有2005年6月，网址地址)。 
大体上，激光束包层工艺通常涉及将一种可消耗的粉末或丝送入衬底表面上的一熔池中。该衬底通常为待用该工艺制成的物件的底部。该熔池用激光束通过相互作用而产生和保持，该激光束提供一种高强度热源。如Thieler等人所述，该衬底相对于激光束扫描。当扫描进行时，熔融的衬底区域和熔融的沉积材料固化，而一个包层轨迹沉积在表面上。通过并列沉积的轨迹而接连地形成一个层。通过在彼此的顶端上沉积多条轨迹而产生多层结构。 
有关激光束包层工艺的一个特定的优点涉及在沉积期间相当小的热影响区(HAZ)。该小的HAZ使初始沉积期间的衬底上的和随后各层沉积期间成分上的热冲击或应力成为最小。而且，熔池的快速冷却(如下面提到的)可以导致对被制造的物件形成非常精细的微结构特点。 
图3是表示激光包层工艺的一般原理的简单例示图。所要物件的形成是在衬底60的表面58上产生的。按照下面描述的常规激光参数，激光束62聚焦在该衬底的选定区域上。馈送物料(沉积物料)64是通常利用一种合适的载体气体68从粉末源66输送的。该馈送物料通常 引向衬底上一个非常接近于能源束相交衬底表面58的点的区域。在该相交点处形成熔池70，然后熔池固化而形成包层轨迹72。多重包层轨迹互相靠近地沉淀而形成一个所要的层。因为沉积设备是向上增量的，所以该构件向着完成三维形式行进。 
如下面还要描述的，馈送物料的沉积可以在计算机化的运动控制下进行。可以利用一个或多个计算机处理器来控制激光器、馈送物料流和衬底的运动。该处理器也可控制馈送物料的成分。以这种方式，对于涡轮叶片的指定区域可以提供一种特定的硅化铌成分。而且，如前所述，该成分可以逐渐变化。通常，按照本发明的计算机控制的激光包层法通常与作为基本上互相平行的区段或“切片”的装配件的涡轮叶片的解析一起开始。然后通过规定每个区段的图形也即其形状和尺寸R每个区段相对于相邻区段的位置而唯一地形成该物件。 
更明确地说，计算机辅助设计(如CAD-CAM)技术的专业人员能理解，所要的涡轮物件最初的形状特征能够从描图或从用传统方法如铸造、机加工等传统方法预先制成的物件而得到。一旦该部件的形状具有数字特征，就利用可以使用的数字控制计算机程序来对激光包层设备编制部件(或等效的沉积头)运动的程序。这些程序产生关于每次实施沉积时“通过”及其在两次通过之间的侧向位移期间该部件的运动的指令图形。产生的物件十分精确地再现这些数字特征的形状，包括翼面等的复杂的曲面和空心区。上面参考的美国专利No.5,038,014描述了关于此类沉积技术的许多其它细节。美国专利No.6,429,402和No.6,269,540也在这方面做了说明。 
图4是一种类型的适合于本发明实施例的激光包层设备的总体图。设备100包括一个馈送物料池102。池102可以由多个粉末供应室(料斗)104、106、108、110、112和114供应。每个供应室可以填充可用于形成各种硅化铌成分的单个元素、化合物(如二元化合物)或合金。虽然例示了六个供应室，但该数目可以多于或少于六个，取决于用来形成一部分涡轮叶片的特定成分。每个供应室可通过用于粉末流动的常规导管而连接在池102上。 
传统的粉末输送系统常常在一股气流中夹带粉末微粒，该气流例如是一种可从一独立的气体供应源输送的惰气载体。(除了辅助粉末输送外，该惰气也能用于将粉末在压力下保持于池102中。)此处不 需包括有关这种气体系统的细节。池102可以加热(例如通过加热线圈)，从而尽可能减小粉末源中的水分含量。 
各种机构可用于将馈送物料116载带到粉末输送喷嘴118。作为一个不起限制作用的例子，可以利用一个商售的传统的粉末馈送轮120或者是，可以利用许多其它类型的体积馈送装置，如螺旋输送机构、盘式输送机构等。粉末轮配合地附接在导管122上，后者将馈送物料116载带到输送喷嘴118。可以是各种机构形式的振动装置124与导管122联接。该振动装置使通过导管的粉末微粒不会附着在管壁上。 
导管122终止于粉末输送喷嘴118(此处有时称为“粉末头”)。该粉末头(通常用一加压的惰气辅助)将粉末引导到衬底126的上表面或预先沉积的层128的表面上。粉末头的形状和尺寸可以大范围变化。该粉末头也可用各种材料如铜、青铜、铝、钢或陶瓷材料制成。如美国专利No.5,038,014中所述，该粉末头通常用流体如水冷却，以增强粉末的均匀流动。当激光束通过该头或当从熔池来的能量向粉末头反射时，流体冷却还防止粉末头过分受热。 
设备100还包括激光器130。该激光器发射有光轴134的光束132。可以使用种类广泛的传统激光器，只要它们具有足以完成上述熔融功能的输出功率。通常使用在约0.1Kw～约30Kw的功率范围内操作的二氧化碳激光器，虽然该功率范围可大大变化。适用于本发明的其它类型的激光器的不起限制作用的例子是Nd:YAG激光器、光纤激光器、二级管激光器、灯泵激的固态激光器、二极管泵激的固态激光器和准分子激光器。这些激光器均有商售，该技术的专业人员非常熟悉其操作。这些激光器的操作或用脉冲方式，或用连续方式。 
激光束132通常有一在衬底平面下的焦平面136。该焦平面被计算在衬底表面上提供选定的聚束点138。聚束点直径通常为约0.2mm～约5mm。但是，该直径可显著变化，有时可在该范围之外。激光能量选择为足以熔融通常与聚束点138符合一致的物料池。通常，施加的激光能量其功率密度为每平方厘米约103～约107瓦。 
如上所述，物料层通常通过导管122将粉末116馈送入在聚束点138处的熔池中而沉积。因为在激聚束点和承载其叠加功率的物件之间存在相对的侧向运动，所以产生顺序的熔融、冷却和熔融的相互作用区的固化，产生一个“焊珠”或层。图4表示沉积物料的第一层128， 而下一层140的沉积在进行中。馈送粉末的角度可以显著地变化，通常为相对于物件表面处于约25度～70度的范围。激光沉积技术的专业人员能根据该技术中已知的因素而容易地调整适应特定情况的粉末输送角。 
如图4中所示，衬底126可以支承在活动支架142上。支架142可沿两个线性方向移动衬底：“X”方向(X和-X两者)和“Y”方向(Y和-Y两者，在图4例示平面之外)。通过控制支架142的X和Y方向移动的结合，同时将导管122和激光器130保持在恒定高度上，可以在衬底上沉积一个具有对涡轮叶片的特定区段有精密图形(形状)的界定良好的层。 
在大多数情况下，支架142沿第一线性轴线X和第二线性轴线Y的移动是通过某些形式的计算机运动控制如使用处理器144而完成的。可以利用各种各样的计算机控制系统。其大多数通常利用一个CAD/CAM接口，其中运动的所要图形是编制程序的。 
而且，支架142可以用于与一个或多个额外的支承平台联用，以进一步增加其中可以操纵支架142(和衬底126)的方向。例如，这些支承平台可以是一台复杂的多轴线计算机数字控制(CNC)机器的一部分。这些机器在该技术中是已知的并有商售。这样一种操纵衬底的机器的使用描述于2003年7月17日申请的S.Rutkowski等人的共同待审的申请S.N.10/622,063中，该文件参考合并于此。如S.N.10/622,063中描述的，使用这样一种机器允许衬底沿一个或多个转动轴线相对于线性轴线X和Y运动。作为一个例子，可以使用一种传统的转动心轴(图4中未示出)来提供转动运动。 
如图4的实施例中所示，导管122和激光器130牢固地支承在设备支架146上。如图中所示，该支架可沿垂直的“Z”方向(和一Z方向)移动。以这种方式，可以升降导管122和激光器130。 
在某些实施例中，设备支架146可以用处理器148控制，处理器148可以与处理器144协同作用。以这种方式，支架146和支架142可以相对于待制造的物件沿至少三维移动。例如，通过控制支架142的X和Y方向运动的结合，而同时将导管122和激光器130保持在一个恒定的“Z”高度，可以在衬底上沉积一个良好界定的层。该层例如层140将符合于涡轮叶片特定区段所需的图形。(如该技术的专业人 员能理解的，同一类型的X、Y、Z运动可以通过沿Z方向操纵支架142而同时沿X和Y方向操纵支架146来进行。) 
如图4中所示，当沉积一个层如层128时，设备100向上增量。当设备上升时，导管122和激光器130也上升一个选定为第二层140的高度或厚度的量。以这种方式，可以形成叠合在层128上的层140。(再一次，图4例示当第一层128已完全沉积而第二层140部分沉积时在一台上的沉积过程)。当层140被沉积时，层128的上部通常重新熔融。以这种方式，保证了相邻各层的混合和结构连续性。 
如上所述，对涡轮叶片的特定区域选定的硅化铌成分是由从一个或多个供应室(部件104～114)来的馈送物料的某种结合提供的。作为不起限制作用的例子，六个例示的室可分别包括Nb、Si、Hf、Cr、Al、Ti(可增加额外的室用于额外的元素或元素混合物)。每个室可以连接传统的管子或导管，用来馈送到物料102。可以对每个室使用类似上述类型的各种体积馈送装置。粉末可以重力馈送到池102和/或可以用载气载带。池102可以包括传统的装置来用于混合各种元素和合金，以及用于尽可能减小其中含有的水份含量。该池也可包括机加工的细部或形状，以保证各种粉末能够容易地结合而产生所要的成分。 
可以使用许多技术来改变接连的沉积层内或之间的粉末混合物。例如，可以通过改变联接每个料斗的粉末馈送轮或盘(未特别示出)的转动速度来分配图4中每个料斗室之间的粉末。(如上面参考馈送轮120所述，可以用轮的许多替代物，如功能相似的螺旋或盘。)或者是，可以利用一个传统的粉末分流器，它们也能有效地分配从每个料斗流来的粉末量。 
继续参照图4，处理器150与池102联接。通常，该处理器(或一组处理器)的功能是协调从各料斗/供应室到该池的粉末元素或合金的供应。例如，处理器150可与处理器148和144一起起作用。所有处理器的协调的基础是：衬底的多轴向移动，及时在一特定点上的其定位和位置(即已在衬底上形成的层的数目)，以及在涡轮部件的形成中对下一层或下一组的层提供特定成分的计算机指令的图形。 
如该技术的专业人员所理解的，一个如部件150的处理器可集体地指许多子处理器。而且，图4中的所有处理器(144，148和150)可以结合，例如其功能可用一个单独的处理器操纵。该技术的专业人 员(如具有CNC系统和粉末沉积的工作知识的)将能够对一给定的情况设计最好的控制系统而不需过分努力。 
在许多参考文件如美国专利No.5,038,014中提供了利用像图4中的设备的典型的激光包层工艺的其它细节。作为不起限制作用的例子，可以利用一台子KW二氧化碳激光器来制成与一衬底成整体的压缩机叶片，来提供每平方厘米约30KW的功率密度。在沉积期间，可以将衬底表面和周围区域保持在惰性气氛(如氩)中。该粉末输送系统基本上如图4中所示。一种引向馈送导管的典型的硅化铌粉末的平均粒径为约35微米～约180微米。将粉末引向衬底表面的速率为约10克/分钟。形成的每“焊珠”或层的高度为约0.015英寸(0.038cm)。为了制造一个长约3英寸(7.6cm)的叶片，在这些运行状态下可能要求总数约200次通过。当沉积馈送粉末时，衬底相对于激光束的典型的线性横向速率可以是约50英寸(127cm)/分钟。 
对于一个激光包层工艺，该激光和粉末输送系统可以进行许多变化。通常，它们均处在本发明的范围内而不需在此处描述。作为一个例子，可以使用各种类型的同心馈送喷嘴。一种此类型在上述美国专利No.4,724,299中由Hammeke描述。Hammeke描述了一种激光喷射喷嘴装置，其中，激光束通道垂直地延伸通过喷嘴体的外壳。该外壳包括同轴的孔，激光可通过这些孔。一个独立的粉末输送系统从垂直于激光束通道的方向将粉末供应到一个与此通道连通的环形通路。以这种方式，馈送的粉末和激光束可以会聚在一共同位置上。像在其它激光包层系统中一样，一个熔池形成于一个在下面安置的工件上，在一个与激光束和粉末流的会聚符合一致的表面区域中。 
另一可能的替代例涉及输送馈送粉末的方式。在一些优选实施例中，通过多个馈送喷嘴将粉末馈送到衬底表面上的熔池中。例如，在产生沉积的表面区域的周边周围可以相等间隔地安置约2～4个喷嘴。每个喷嘴可以从一类似于图4实施例中池102的源得到供应。 
图5表示(以简化形式)作为一激光包层系统的一部分的粉末输送管160、162、164和166。每个输送管终止于一粉末喷嘴170、172、174和176(分别对应)。这些喷嘴围绕用激光包层工艺形成的涡轮翼面178的表面168。激光束180向下指向表面168上被粉末喷嘴围绕的一个点。(层169已部分形成)。许多有关粉末输送等的其它参数 类似于前述实施例中讨论的(虽然每个偻末喷嘴表示为相同，但其尺寸和形状可以变化，部分地取决于沉积参数。例如，一个或多个喷嘴可以在其顶端上有较小的直径)。 
使用多个粉末喷嘴允许沉积从不同方向来的硅化铌馈送物料。在某些情况下，与从单一方向来的沉积比较，这使物料“堆积”而变得更均匀。反过来，每一被沉积的层的熔融和随后的固化中的更大均匀度和符合一致能对完成的涡轮物件形成更均匀的微观结构。 
在用激光包层工艺制造涡轮部件之后可以采取各种工艺。例如，可以利用机加工步骤来获得或改变该部件的精确的几何形状。机加工技术的例子包括放电机加工(EDM)、铣削和研磨。也经常采用抛光步骤。而且，可以使用传统的等压压紧操作，例如在消除或尽可能减小部件材料中的内部多孔性。也可在该物件上进行合适的热处理，以用于烧结、固化等。通常，与用传统的锻造或铸造操作制成的涡轮物件相比，使用此处描述的激光包层工艺能减少许多这些后制造步骤所需的时间。 
如前所述，本发明的涡轮部件包括至少约75(重量)％的硅化铌成分。该成分的余量因而可以包括其它材料。作为涡轮叶片情况下的一个例子，与包括硅的金属间材料相比，该燕尾根部可以包括一种金属材料如铌合金。该金属铌基的材料可以提供一种增强的断裂韧性值，它有时候是燕尾根部所需要的。此类型的典型成分可以包括至少约50(原子)％的铌，以及至少一种选自下列一组的其它元素：钛、铪、铬、铝、钨、钽、钼、锆和铼。 
在其它实施例中，该燕尾根部可以包括一种传统的超级合金材料。术语“超级合金”通常预期包括复杂的钴基或镍基合金，它们包括一种或多种其它元素，如铼、铝、钨、钼、钛、或铁。此类材料描述于各种参考文件中，如美国专利No.6,475,462；No.5,399,313和No.4,116,723，它们参考合并于此。(部分地或完全包括一种超合金材料的燕尾根部的存在可能有时是优选的，因为其中插入燕尾根部的涡轮盘或转子常用一种类似的超级合金材料制成。)该激光包层工工艺在将超级合金成分和其它金属成分包括到主要以硅化铌为基的涡轮部件中方面提供最大的灵活性-按照或是逐渐变化的或是并不逐渐变化的方案。 
除了传统的涡轮部件外，此处描述的工艺还可用于制造用硅化铌基材料制成的“叶盘”。如美国专利No.5,038,014(授与Pratt等人)中描述的，叶盘是与一个盘整体形成的涡轮叶片。使用叶盘就不需要在翼面上的燕尾型连接，并与涡轮盘上的槽啮合。由此这些叶盘提供了提高涡轮性能的潜力，部分地由于减小了重量。Pratt等人的参考文件描述了用激光熔融(激光包层)工艺制造叶盘与传统的铸造和锻造操作相比的优点。 
图4中描述的设备非常适合于制造一个叶盘，如Pratt等人的专利的图1～5中描述的。如前所述，该叶盘所希望的形状最初的特征是利用一段一段的方式。然后按照计算机驱动的激光系统，一层上面一层地复制该物件。其次，从硅化铌成分制成的叶盘的结构的全部或部分可以在成分上逐渐变化。以这种方式，该部件的每一区段具有对一给定的操作环境最合适的成分。而且，叶盘的损坏的叶片部分可用激光包层工艺容易地制备(如下所述)，而不需要更多急剧的步骤，如报废整个叶盘。 
本发明的另一实施例涉及修理用硅化铌基材料制成的涡轮部件的方法。例如，一个受损的涡轮叶片可以磨光到受损面积下面的一个区域。然后该叶片遇到上述激光包层工艺，其中叶片的该未受损的部分或区段成为衬底表面。计算机控制的沉积将该叶片重新形成为与原来形状相同的形状。利用激光包层工艺的一个优点是修理的部分与原来的叶片部分在抛光后没有由于焊接现象而产生的可检出的结合线或不连续。这些修理技术也非常适合于上述叶盘。 
本发明也可用于修改用硅化铌材料制成的预先存在的涡轮部件。作为一个不起限制作用的例子，否则起作用的涡轮叶片表面可以通过激光包层工艺而积累一种耐磨材料，从而满足更需要的使用环境。而且，可以使用激光包层步骤和机加工步骤的结合来改变一涡轮部件的形状，以适合一特定要求。 
在本专利说明书中常常示范例示一个涡轮叶片。但是，许多类型的涡轮可以从本发明的各个实施例中得益。不起限制作用的例子包括料斗、喷嘴、转子、盘、叶板、定子、屏板和燃烧器，以及前面描述的叶盘。 
虽然为了例示的目的已经详细地描述了本发明的物件和方法，但 这些描述不应当看作是以任何方式进行限制。本权利要求书预期包括处于这些说明的范围和精神内的所有变化和修改。所有上面提到的专利、专利申请、文章和教科书都参考合并于此。 
部件清单 
10     涡轮叶片 
12     翼面 
14     翼面的压力侧 
16     翼面的负压侧 
18     前缘 
20     后缘 
21     侧壁 
22     翼面底座 
23     侧壁 
24     平台 
25     平台顶面 
26     燕尾根部 
31     翼面顶端 
32     端帽 
34     冷却孔 
35     顶缘 
40     燕尾根部的上部 
42     燕尾根部的下部 
58     衬底表面 
60     衬底 
62     激光束 
64     馈送物料 
66     粉末缘 
68     载气 
70     熔池 
72     包层轨迹 
100    设备 
102    馈送物料池 
104    粉末供应室 
106    粉末供应室 
108    粉末供应室 
110    粉末供应室 
112    粉末供应室 
114    粉末供应室 
116    馈送物料(粉末) 
118    粉末输送喷嘴 
120    粉末馈送轮 
122    导管 
124    振动装置 
126    衬底 
128    沉积物料层 
130    激光器 
132    激光束 
134    激光束轴线 
136    焦面 
138    聚束点 
140    物料层 
142    可动支架 
144    处理器 
146    支架 
148    处理器 
150    处理器 
160    粉末输送管 
162    粉末输送管 
164    粉末输送管 
166    粉末输送管 
168    涡轮翼面表面 
169    层 
170    粉末喷嘴 
172    粉末喷嘴 
174    粉末喷嘴 
176    粉末喷嘴 
178    涡轮翼面 
180    激光束 

Claims (15)

1.一种用硅化铌基成分制成的涡轮部件(10)，该成分在该部件的至少一部分中是逐渐变化的，其中“逐渐变化”表示该成分中一种或多种组份的量沿涡轮部件的一个维度的任何顺序的或接连的变化。
2.权利要求1的涡轮部件(10)，其特征在于，至少该部件的一个第一部分(31)其成分是逐渐变化的，从而在标准运行状态下呈现出比该部件的相邻第二部分(12)更大的氧化能力。
3.权利要求1的涡轮部件(10)，其特征在于，至少该部件的一个第一部分(24，26)其成分是逐渐变化的，从而在标准运行状态下呈现出比部件的相邻的第二部分(12)更高的机械性能。
4.权利要求1的涡轮部件(10)，其特征在于，至少该部件的一个第一部分(24，26)其成分是逐渐变化的，从而在标准运行状态下呈现出比部件的相邻的第二部分(12)更大的强度。
5.权利要求1的涡轮部件(10)，其特征在于，至少部分地用一种激光包层工艺制造。
6.一种用硅化铌合金制成的涡轮叶片(10)，其特征在于，其成分在该叶片的至少一部分中是逐渐变化的，其中“逐渐变化”表示该成分中一种或多种组份的量沿涡轮叶片的一个维度的任何顺序的或接连的变化，该叶片包括：
(a)一个翼面(12)；
(b)一个位于翼面(12)的外端部处的翼面顶端区(31)；
(c)一个其上安装该翼面(12)的平台(24)；以及
(d)一个附接在平台(24)下侧上的燕尾根部(26)，其形状适合于安装在涡轮转子上的一条槽内，使得叶片(10)可以附接在该转子上；
其中，该涡轮叶片的一部分(26)中的硅化铌合金的成分不同于该叶片的另一部分(12)中的硅化铌合金的成分。
7.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，在标准运行状态下，与翼面(12)中的硅化铌合金相比，翼面顶端区(31)中的硅化铌合金呈现出更大的抗氧化能力、耐磨性或抗氧化能力和耐磨性的结合。
8.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，在标准运行状态下，燕尾根部(26)中的硅化铌合金呈现出比翼面(12)中的硅化铌合金更高的机械性能。
9.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，硅化铌合金的成分在叶片的至少一个区段中是逐渐变化的，以提供在叶片一个部分到叶片另一部分的合金成分之间的逐渐变化的过渡。
10.权利要求9的涡轮叶片(10)，其特征在于，成分的逐渐过渡独立地存在于该叶片的不同区段中。
11.权利要求10的涡轮叶片(10)，其特征在于，该翼面的成分包括一个处于比该顶端区中的硅改性拉夫斯相低的值的硅改性拉夫斯相。
12.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，该翼面的成分包括铌(Nb)、钛(Ti)、铪(Hf)、铬(Cr)、铝(Al)和硅(Si)，并具有包括金属铌基相和金属硅化物相的一种微观结构。
13.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，燕尾根部(26)中的硅化铌合金呈现出比该翼面中的硅化铌合金更大的断裂韧性。
14.权利要求13的涡轮叶片(10)，其特征在于，燕尾根部(26)中的硅化铌合金中存在的硅量占总原子百分比小于约9原子百分比；而该合金包括金属Nb基相和至少一个化学式为M3Si或M5Si3的金属硅化物相，其中M为选自由Nb、Hf、Ti、Mo、Ta、W组成的族、铂族金属及其结合中的至少一元素。
15.权利要求6的涡轮叶片(10)，其特征在于，翼面(12)包括对置的侧壁(21，23)，而至少一部分侧壁的成分是逐渐变化的。
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