CN1970216A - 修理燃气涡轮发动机部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种修理燃气涡轮发动机部件的方法，其包括步骤：修理部件的吸力侧或压力侧；修理吸力侧或压力侧之后，修理部件的内部几何形状；部件的内部几何形状修理好后，修理部件的吸力侧或压力侧中的另一个；其中当修理部件的吸力侧和压力侧中另一个时，使用背衬材料来保持部件的内部几何形状。

Description

修理燃气涡轮发动机部件的方法
发明领域
本发明涉及一种修理部件的方法，具体地，涉及修理燃气涡轮发动机部件的各种损坏的方法。
背景技术
昂贵的燃气涡轮发动机部件，如涡轮叶片和翼片，在长期运行中通常会经历烧穿，受扩散控制的变形(蠕动变形)，循环加载和去载(疲劳)，热气体流产生的化学浸蚀(氧化)，叶片端和涡轮壳体之间摩擦接触造成的磨损，气流中的颗粒冲击导致的磨损(冲蚀)，外来物体损伤，和类似的损坏。虽然这些部件外部的损坏相对较小，设计接触部件内冷却空气流的内部几何形状所受到的损坏要严重的多。实际上，这些损坏可严重到足以影响或损害部件的内部结构。这类性质的缺陷通常足以使得部件不能使用。在某些情况下，这类性质的缺陷进行修理的结果可能是令人满意的。但是，由于缺少可靠修理这类缺陷的适当方法，这些叶片和翼片通常被报废。
电焊技术可带来现有损害以外的另外问题。例如，焊接材料可流入暴露的内部几何形状，并导致不能使用的状况。在其他区域，如后缘，焊接修复将导致内部几何形状，如内部冷却结构特征，的封闭，需要通过劳动量很大的加工或放电加工来重新修复。
因此，需要一种令人满意的修理技术，来重新修复损坏部件的外部特征和内部几何形状。
还需要一种令人满意的修理技术，以根据原始设计规格重新修复部件的内部几何形状。
还需要一种令人满意的修理技术，可修复部件的内部几何形状并保持内孔的对称性。
发明内容
根据本发明，提出了一种修理燃气涡轮发动机部件的方法，其广义上包括步骤：修理部件的吸力侧和压力侧的其中一个；部件的吸力侧或压力侧修理后，修复部件的内部几何形状；和部件的内部几何形状修复后，修理所述部件的吸力侧和压力侧中的另一个；其中当修理部件的吸力侧和压力侧中另一个时，使用背衬材料来保持部件的内部几何形状。
根据本发明，修理损坏部件的方法广义上包括：从部件的一个或多个侧面取下损坏区域的至少第一部分；施加修理材料，其数量足以填充部件的仅一个侧面的至少第一部分；焊接部件的一个侧面的第一部分的修理材料；结合修理材料到部件的一侧面的第一部分的外和内轮廓和壁厚，以形成修复部分；施加修理材料，其数量足以恢复部件的修复部分的一个或多个内部特征中的至少一部分；焊接一个或多个内部特征的所述部分的修理材料；结合修理材料到部件的修复部分的一个或多个内部特征的轮廓；施加背衬材料到部件的修复区的至少第二部分；施加所述修理材料，其数量足以填充部件的至少第二部分；焊接部件的第二部分的修理材料；结合修理材料到部件的第二部分，以修复部件的第二部分的轮廓；和从部件去除背衬材料。
根据本发明，修复的燃气涡轮发动机部件广义上包括吸力侧；压力侧；和位于吸力侧和压力侧之间的内部空腔；其中，首先将吸力侧和压力侧中的一个修理到预定尺寸和几何形状，然后修理内部空腔到预定尺寸和几何形状，其后使用背衬材料保持内部空腔，修理吸力侧和压力侧中的另一个到预定尺寸和几何形状。
在下面的附图和说明中公开了本发明的一个或多个实施例的细节。对本发明的其他特征，目的和优点通过阅读说明，附图和权利要求可有更清楚的了解。
附图说明
图1是显示了燃气涡轮发动机叶片的示意图，叶片具有外部物体对后缘和内部肋造成的损坏；
图2是显示图1的损坏的燃气涡轮发动机叶片的侧面的示意图；
图3是显示图1的燃气涡轮发动机叶片的利用所介绍的方法修理后的侧面的示意图。
相同的参考标记和符号在不同的示图中表示相同的部件。
具体实施方式
根据本发明，介绍了一种修理损坏的部件的方法。本发明的方法可根据原始设计规格修复损坏部件的外部特征和内部几何形状，同时还能保持部件的内孔和几何特征的对称。部件的损坏可包括但不限于，烧穿、受扩散控制的变形(蠕动)、循环加载和卸载(疲劳)、热气流的化学侵蚀(氧化)、叶片端部和涡轮壳体摩擦接触产生的磨损、气流中的颗粒冲击造成的磨损(冲蚀)、外部物体损伤(FOD)、前面提到类型损伤的组合以及类似损坏。
现在参考图1-3，显示了待修理的燃气涡轮发动机部件12的后缘10。后缘10包括吸力侧14，压力侧16和待修理的损坏区18。后缘10具有暴露的位于损坏区的内部空腔20。在这种情况下，有必要对暴露的内部空腔10进行保护，避免修理材料的侵入。为此，所介绍的方法结合了修理吸力侧14或压力侧16，然后修理内部空腔20，以保持内孔和内部特征的对称。其后，如美国专利No.6,742,698所介绍的，可使用背衬材料来防止当焊接吸力侧14或压力侧16中的另一个时使后缘10封闭，该专利的全部内容在文中参考引用。修复区22然后可进行检查，以保证质量控制测量得到满足。
现在具体参考图1，可使用所属领域的技术人员都知道的任何适合的方法去除至少一部分损坏区18(按加工程序进行)，去除的材料数量足以保证损坏和其周围区域被清除，如图2所示。
一旦损坏部分被清除，可施加修理材料，其至少充填部件12的后缘10的吸力侧14或压力侧16的去除部分。最好只充填一侧，以便所属领域的技术人员在后面的步骤修复暴露的内部空腔20的内部几何形状到其原始出厂状态。施加的修理材料的数量应当足以填充一侧(即吸力侧14或压力侧16)的去除部分。可使用任何所属领域的技术人员都知道的常用的适当方法来施加修理材料，方法包括但不限于堆焊。一般地，修理材料可包括任何与部件12的基体合金材料兼容的材料。与涡轮发动机部件的基体合金兼容的适当修理材料包括镍基合金，如IN-939，其可从美国宾夕法尼亚州的Wexford的INCO公司(原来的International Nickel Corporation)购买；C263，其可从美国佛罗里达州的Fort Lauderdale的MM Aerospace Metals Inc.公司购买；类似的含镍合金，其他相关的含镍的超合金，以及包括至少前述镍基合金中至少一个的组合。一旦修理材料施加到一侧(吸力侧14或压力侧16)的去除部分，可使用任何所属领域的技术人员已知的适当的焊接方法焊接修理材料于适当位置。
焊接的部分和周围区域结合到部件12的后缘10的轮廓和壁厚。部件12的轮廓一般构成部件原有的形状和特征。焊接部分的结合可使用任何适当的所属领域的技术人员都知道的方法，包括但不限于铣削，磨削，喷砂，超研磨加工，和包括前面方法中至少一个的组合。在多个实施例中，焊接区域可通过手工研磨或超研磨加工直至焊接部分和周围部分符合部件12的内部特征的原来轮廓。在可选实施例中，可通过预成型来精确恢复焊接部分和周围区域到后缘10的原轮廓。预成型可在结合焊接部分和周围区域前施加到部件12的包括焊接部分的表面。
一旦后缘10的一侧(吸力侧14或压力侧16)进行焊接，然后可施加修理材料，以修复暴露的内部空腔20的内部几何形状和特征到希望的状态。本发明的方法允许所属领域的技术人员修复暴露的内部空腔20的内部几何形状到其原始的出厂状态。所属领域的技术人员可通过可见的内部空腔具有的对称性来修理内部空腔和其特征，如冷却通道。施加的修理材料的数量应足以修复这些特征。可使用所属领域的技术人员已知的常用的适当方法施加修理材料，方法包括但不限于堆焊。如上面所介绍的，修理材料可包括任何与部件12的基体合金材料兼容的材料。与涡轮发动机部件的基体合金材料兼容的适当修理材料可包括镍基合金，如IN-939，其可从美国宾夕法尼亚州的Wexford的INCO公司(原来的International NickelCorpo-ration)购买；C263，其可从美国佛罗里达州的Fort Lauderdale的MM Aerospace Metals Inc.公司购买；类似的含镍合金，其他相关的含镍超合金，以及包括前述镍基合金中至少一个的组合。一旦施加到部件12的内部特征，可使用任何所属领域的技术人员已知的适当的焊接方法焊接修理材料于适当位置。
内部特征的焊接部分和周围部分结合到部件12的后缘10的希望轮廓。部件12的轮廓通常构成部件原有的形状和特征。焊接部分的结合可通过任何所属领域的技术人员都知道的适当方法，包括但不限于铣削，磨削，喷砂，超研磨加工，和包括前面方法中至少一个的组合。在多个实施例中，焊接区域的结合可通过手工研磨或超研磨加工直至焊接部分和周围区域符合部件12的内部特征的原来轮廓。在可选实施例中，可通过预成型来精确恢复焊接部分和周围区域到部件12的内部特征的原来轮廓。预成型可在结合焊接部分和周围区域前施加到部件12的包括焊接部分的表面。
一旦后缘10的一侧(吸力侧14或压力侧16)和部件12的内部特征得到修复，部件12的后缘10的第二侧(即吸力侧14或压力侧16中的另一个)可进行焊接，以完全修复部件12。在多个实施例中，使用背衬材料来防止当对后缘10的第二侧(即吸力侧14和压力侧16中的另一个)进行修理时无意地损坏内部空腔20。背衬材料件包括难熔金属材料，可设置到后缘10的进行修理区域，防止修理材料进入内部空腔20。适当的难熔金属材料的熔点可超过1455℃(2651)，最好熔点超过1650℃(3000)。适当的难熔金属材料可包括但不限于，铌、钽、钼、钨，和熔点高于镍熔点的金属，如铂，铱，和类似金属，及其合金等。
背衬材料可以进行涂复或是不涂复。如果修理部分的热冲击高的话，阻挡扩散涂层可施加到难熔材料。备选材料包括但不限于氧化物陶瓷，如氧化铝或多铝红柱石等。如果使用氧化物陶瓷涂层，可使用中间涂层，如硅化物，以帮助提高涂层的粘性。当用陶瓷材料涂复时，最好在氧化铝或硅化物上电镀镍，以提高与修理填充金属的润湿性。涂层系统还可包括修理后留下的铝化镍层，以改进涂层的抗氧化性。或者，如果热输入较低，可使用电解镍于至少一侧，只对难熔金属背衬材料进行镀镍。如前面提到的，涂层的存在增强了后来的焊接过程中背衬材料的润湿性。
背衬材料可进行切割以符合后缘10和内部空腔20的形状。背衬材料最好具有箔片形式，可放置在后缘10的待修理的区域上。现有技术已有的任何适当的切割技术，如激光切割，光蚀刻，冲压或水射流切割等，可用于切割背衬材料。背衬材料已经设置在后缘10后，可将上面介绍的修理材料沉积在背衬材料上，然后进行焊接操作。沉积的修理材料的数量应足以充填后缘10的待修理的区域。如上所述，修理材料包括与用来构建部件的基体合金兼容的任何材料。一旦施加到部件12的后缘，可使用所属领域的技术人员已知的任何适当焊接方法将修理材料焊接到适当位置。焊接期间，热量输入保持较低，以防止合金化。
后缘10的焊接部分和周围区域然后结合到部件12的轮廓。部件12的轮廓通常构成原有的形状和特征。焊接部分的结合可使用任何前面介绍的方法来实现，或者使用预成型，如前面所介绍的。
一旦修理材料固化，可用任何适当的方法去除背衬材料。在多个实施例中，背衬材料可使用硝酸-硫酸溶液通过酸化学处理来去除。该溶液具有2份硝酸和1份硫酸，再加上2份的水。最好将该混合物加热到温度150，以提高分解速率。
在其他实施例中，背衬材料可使用氧化加热处理来去除，处理时，空气流过燃气涡轮发动机部件12的内部。流动的空气可具有大约1400℃到1650℃的温度，其流过内部空腔20，持续大约1个小时到4个小时。氧化热处理可在炉中或用直接电阻加热来进行。
如果能够控制难熔金属和填充材料的合金化，可省略背衬材料的去除。
本发明的优点在于，允许难熔金属材料用作焊接背衬材料，使得可在开口空腔进行焊接或重建部件的内部冷却的几何形状。如果需要难熔金属材料后来可去除，不必进行大范围的焊接后处理或加工，如放电加工。本发明的方法尤其适合于修理熔模铸造件。
应当了解本发明不限于所显示的和所介绍的实施例，这些实施例只是对实现本发明的最佳模式的说明，可以对部件的形式，尺寸和设置以及操作细节进行改进。本发明希望包括所有这些改进，这样的改进未脱离本发明的由所附权利要求限定的精神和范围。

Claims (31)

1.一种修理燃气涡轮发动机部件的方法，其包括步骤：
修理所述部件的吸力侧和压力侧中的一个；
所述部件的吸力侧或压力侧修理后，修理所述部件的内部几何形状；和
所述部件的内部几何形状修理后，修理所述部件的吸力侧和压力侧中的另一个；
其中当修理所述部件的吸力侧和压力侧中另一个时，使用背衬材料来保持所述部件的内部几何形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修理所述吸力侧和所述压力侧中的一个包括步骤：
施加修理材料，其数量足以修理所述吸力侧的第一部分和所述压力侧的第一部分中的至少一个；
焊接所述吸力侧的所述第一部分和所述压力侧的所述第一部分中至少一个上的修理材料；
所述第一部分上的修理材料结合到所述吸力侧的所述第一部分或所述压力侧的所述第一部分的内部和外部轮廓和壁厚。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述施加修理材料包括施加修理材料到所述吸力侧的后缘的第一部分和所述压力侧的后缘的第一部分中的至少一个上。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述施加包括所述修理材料施加的数量足以恢复所述吸力侧的第一部分和所述压力侧的第一部分中至少一个的壁厚。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括与所述部件的基体合金材料兼容的合金。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括镍基合金。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结合包括使用从包括铣削，磨削，喷砂和超研磨加工的一组方法中选择的方法加工所述修理材料
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修理内部几何形状包括步骤：
施加修理材料，其数量足以修理所述部件的修理好的第一部分的内部几何形状的至少一部分；
焊接所述部件的所述内部几何形状中的所述修理材料；和所述修理材料结合所述部件的所述内部几何形状的轮廓。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括与所述部件的基体合金材料兼容的合金。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括镍基合金。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述结合包括使用从包括铣削，磨削，喷砂和超研磨加工的一组方法中选择的方法加工所述修理材料。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修理所述吸力侧或所述压力侧中另一个包括步骤：
施加所述背衬材料到所述吸力侧和所述压力侧中的另一个的至少一部分；
施加修理材料，其数量足以修理所述吸力侧的第二部分或所述压力侧的第二部分中的至少另一个；
焊接所述部件的所述第二部分的所述修理材料；
结合所述部件的所述第二部分的修理材料以修复所述部件的所述第二部分的轮廓；和
从所述部件去除所述背衬材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加修理材料包括施加所述修理材料到所述吸力侧的后缘的第二部分和所述压力侧的后缘的第二部分中至少另一个。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加修理材料包括修理材料施加的数量足以恢复所述吸力侧的第二部分和所述压力侧的第二部分中至少另一个的壁厚。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括与所述部件的基体合金材料兼容的合金。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述修理材料包括镍基合金。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，施加所述背衬材料包括施加所述背衬材料到所述吸力侧的后缘的第二部分和所述压力侧的后缘的第二部分中的至少另一个。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述结合包括利用从包括铣削，磨削，喷砂和超研磨加工的一组方法中选择的方法加工所述修理材料。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述去除包括下列步骤中的至少一个：
从所述部件溶解所述背衬材料；和
通过加热从所述部件去除所述背衬材料。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括一旦去除所述背衬材料，对所述部件进行检查。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述检查包括下面检查中的至少一个：
至少对所述部件的所述第二部分修复的轮廓进行荧光渗透检查；和
至少对所述部件的所述第二部分修复的轮廓进行X射线检查。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背衬材料包括具有难熔特性的金属。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背衬材料包括至少一种从包括铌、钽、钼和钨的一组材料中选择的金属。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背衬材料是铂、铱或其合金。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背衬材料还包括至少一涂层。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一涂层从包括陶瓷氧化物，硅氧化物和镍-铝氧化物的一组涂层材料中选择。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一涂层是镀镍层。
28.一种用权利要求1的方法修理的燃气涡轮发动机部件。
29.一种修理损坏部件的方法，包括步骤：
从部件的一个或多个侧面取下损坏区域的至少第一部分；
施加修理材料，其数量足以填充所述部件的仅一个所述侧面的至少所述第一部分；
焊接所述部件的一个侧面的所述第一部分的修理材料；
结合所述修理材料到所述部件的一侧面的所述第一部分的外和内轮廓和壁厚，以形成修复部分；
施加所述修理材料，其数量足以恢复所述部件的所述修复部分的一个或多个内部特征中的至少一部分；
焊接一个或多个内部特征中所述部分的修理材料；
结合所述修理材料到所述部件的所述修复部分的一个或多个内部特征的轮廓；
施加背衬材料到所述部件的所述修复区的至少第二部分；
施加所述修理材料，其数量足以填充所述部件的至少所述第二部分；
焊接所述部件的所述第二部分的所述修理材料；
结合所述修理材料到所述部件的所述第二部分，以修复所述部件的所述第二部分的所述轮廓；和
从所述部件去除所述背衬材料。
30.一种用权利要求29的方法修理的燃气涡轮发动机部件。
31.一修理好的燃气涡轮发动机部件，包括：
吸力侧；
压力侧；和
位于吸力侧和压力侧之间的内部空腔；
其中，吸力侧和压力侧中的一个首先修理到预定尺寸和几何形状，然后修理内部空腔到预定尺寸和几何形状，其后通过使用背衬材料保持内部空腔，修理吸力侧和压力侧中的另一个到预定尺寸和几何形状。
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