RU2784612C1 - System and method for repairing high-temperature gas turbine components - Google Patents
System and method for repairing high-temperature gas turbine components Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784612C1 RU2784612C1 RU2022104948A RU2022104948A RU2784612C1 RU 2784612 C1 RU2784612 C1 RU 2784612C1 RU 2022104948 A RU2022104948 A RU 2022104948A RU 2022104948 A RU2022104948 A RU 2022104948A RU 2784612 C1 RU2784612 C1 RU 2784612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- percent
- melting point
- base material
- point depressant
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 34
- 230000000994 depressed Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 37
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 47
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 26
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 24
- 229910002077 partially stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 23
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 17
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 16
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 14
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 12
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 11
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 11
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 11
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 5
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 3
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N Hafnium Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N Rhenium Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005092 Ruthenium Substances 0.000 description 2
- 210000002356 Skeleton Anatomy 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 2
- 229910001175 oxide dispersion-strengthened alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000967 As alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 1
- 239000000789 fastener Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 description 1
- 229910001173 rene N5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
[0001] Настоящее раскрытие направлено, в общем, на систему и способ ремонта высокотемпературных газотурбинных компонентов, а более конкретно, на такую систему и способ ремонта рабочих лопаток и направляющих лопаток газовых турбин.[0001] The present disclosure is directed generally to a system and method for repairing high temperature gas turbine components, and more particularly to such a system and method for repairing gas turbine blades and guide vanes.
Предпосылки изобретенияBackground of the invention
[0002] Трудности, связанные с аддитивным производством (AM) газотурбинных компонентов на никелевой основе с высоким содержанием гамма-штрих фазы, делают процесс неподходящим для крупномасштабного изготовления или ремонта. В частности, попытки аддитивного производства компонентов с использованием сплава (CM) 247 или ремонта таких компонентов зачастую приводят к плавлению границ зерен и растрескиванию. Альтернативно, компоненты ремонтируют другим, худшим сплавом на никелевой основе, который менее подвержен растрескиванию, что приводит к низким эксплуатационным характеристикам компонента.[0002] The difficulties associated with the additive manufacturing (AM) of nickel-based gas turbine components with a high content of gamma-prime phase make the process unsuitable for large-scale fabrication or repair. In particular, attempts to additively manufacture components using (CM) 247 alloy or repair such components often result in grain boundary melting and cracking. Alternatively, the components are repaired with a different, inferior nickel-based alloy that is less prone to cracking, resulting in poor component performance.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[0003] Способ формирования компонента включает в себя смешивание порошкообразного основного материала и связующего с образованием смеси, формование смеси до желательной формы без плавления основного материала, удаление связующего из желательной формы с образованием каркаса, причем объем каркаса составляет основной материал на величину между 80 процентами и 95 процентами, и пропитывание каркаса материалом-депрессантом температуры плавления с образованием готового компонента, причем готовый компонент имеет менее чем 1-процентную пористость по объему.[0003] A method for forming a component includes mixing a powdered base material and a binder to form a mixture, molding the mixture to a desired shape without melting the base material, removing the binder from the desired shape to form a skeleton, wherein the volume of the skeleton is between 80 percent of the base material and 95 percent, and impregnating the scaffold with a melting point depressant material to form a finished component, the finished component having less than 1 percent porosity by volume.
[0004] В другой конструкции компонент включает в себя каркас, образованный из основного материала и определяющий конечную форму компонента, причем каркас имеет пористость между 5 процентами и 20 процентами, и расположенный в каркасе материал-депрессант температуры плавления, заполняющий поры в каркасе с образованием готового компонента, имеющего менее чем 1-процентную пористость по объему.[0004] In another design, the component includes a scaffold formed from a base material that defines the final shape of the component, the scaffold having a porosity between 5 percent and 20 percent, and a melting point depressant material located in the scaffold that fills pores in the scaffold to form a finished component having less than 1% porosity by volume.
[0005] Выше достаточно широко изложены технические признаки настоящего раскрытия с тем, чтобы специалисты в данной области техники могли лучше понимать нижеследующее подробное описание. В дальнейшем будут описаны дополнительные признаки и преимущества раскрытия, которые составляют предмет формулы изобретения. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание, что они могут легко использовать концепцию и раскрытые конкретные варианты осуществления в качестве основы для модификации или проектирования других конструкций для реализации идентичных назначений настоящего раскрытия. Специалисты в данной области техники должны также понимать, что такие эквивалентные конструкции не отступают от сущности и объема раскрытия в его самом широком виде.[0005] The foregoing has set forth the technical features of the present disclosure broadly enough to enable those skilled in the art to better understand the following detailed description. In the following, additional features and advantages of the disclosure that are the subject of the claims will be described. Those skilled in the art should appreciate that they can easily use the concept and the disclosed specific embodiments as a basis for modifying or designing other structures to achieve the identical purposes of the present disclosure. Those skilled in the art should also appreciate that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of the disclosure in its broadest sense.
[0006] Кроме того, перед изучением нижеприведенного подробного описания следует понимать, что в этом описании даны различные определения некоторых слов и выражений, и специалисты в данной области техники должны понимать, что такие определения применяются во многих, если не в большинстве, случаев в предыдущих, а также будущих вариантах использования определенных таким образом слов и выражений. Хотя некоторые термины могут охватывать широкий спектр вариантов, прилагаемая формула изобретения может в явном виде ограничивать эти термины конкретными вариантами.[0006] In addition, before reading the detailed description below, it should be understood that various definitions of certain words and expressions are given in this description, and those skilled in the art should understand that such definitions apply in many, if not most, cases in the previous , as well as future uses of the words and expressions thus defined. Although some terms may cover a wide range of options, the appended claims may expressly limit these terms to specific options.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
[0007] Фиг. 1 является видом в продольном сечении газотурбинного двигателя.[0007] FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a gas turbine engine.
[0008] Фиг. 2 является видом в перспективе нескольких направляющих лопаток газотурбинного двигателя по фиг. 1.[0008] FIG. 2 is a perspective view of several guide vanes of the gas turbine engine of FIG. one.
[0009] Фиг. 3 является видом в перспективе вставной детали для использования в ремонте направляющей лопатки турбины по фиг. 2.[0009] FIG. 3 is a perspective view of an insert for use in repairing the turbine guide vane of FIG. 2.
[0010] Фиг. 4 является видом в перспективе направляющих лопаток по фиг. 2 с установленной вставной деталью по фиг. 3.[0010] FIG. 4 is a perspective view of the guide vanes of FIG. 2 with the insert according to FIG. 3.
[0011] Фиг. 5 является видом в перспективе компонента, полученного трехмерной (3D) печатью с близкой к конечной формой.[0011] FIG. 5 is a perspective view of a near-final 3D printed component.
[0012] Фиг. 6 является видом в перспективе каркаса компонента после удаления связующего и спекания.[0012] FIG. 6 is a perspective view of the component frame after debinding and sintering.
[0013] Фиг. 7 является видом в перспективе каркаса компонента во время инфильтрации депрессанта температуры плавления.[0013] FIG. 7 is a perspective view of the frame of the component during infiltration of a melting point depressant.
[0014] Фиг. 8 является видом в перспективе готового компонента близкой к конечной формы после инфильтрации.[0014] FIG. 8 is a perspective view of a finished component close to its final shape after infiltration.
[0015] Фиг. 9 является видом в перспективе другого компонента, полученного трехмерной (3D) печатью с близкой к конечной формой.[0015] FIG. 9 is a perspective view of another component obtained by three-dimensional (3D) printing with a near-final shape.
[0016] Фиг. 10 является видом в перспективе каркаса компонента по фиг. 9 после удаления связующего и спекания.[0016] FIG. 10 is a perspective view of the frame of the component of FIG. 9 after debinding and sintering.
[0017] Фиг. 11 является видом в перспективе каркаса компонента по фиг. 9 во время инфильтрации депрессанта температуры плавления.[0017] FIG. 11 is a perspective view of the frame of the component of FIG. 9 during infiltration of the melting point depressant.
[0018] Фиг. 12 является видом в перспективе готового компонента близкой к конечной формы после инфильтрации и во время удаления ограничителя.[0018] FIG. 12 is a perspective view of the finished component in close to final shape after infiltration and during removal of the restrictor.
[0019] Фиг. 13 является видом в перспективе присоединяемой ПСЗ для использования в процессе ремонта входной кромки.[0019] FIG. 13 is a perspective view of an attached PVD for use in the lead edge repair process.
[0020] Фиг. 14 является видом в перспективе заменяющего компонента входной кромки, присоединенного к присоединяемой ПСЗ по фиг. 13.[0020] FIG. 14 is a perspective view of a replacement leading edge component attached to the attachable PS of FIG. 13.
[0021] Фиг. 15 является видом в перспективе участка газотурбинной лопатки, имеющей функциональное повреждение в виде коррозии торца и растрескивания торца.[0021] FIG. 15 is a perspective view of a portion of a gas turbine blade having functional damage in the form of end corrosion and end cracking.
[0022] Фиг. 16 является видом в перспективе лопатки по фиг. 15 с удаленным поврежденным участком лопатки.[0022] FIG. 16 is a perspective view of the blade of FIG. 15 with the damaged portion of the blade removed.
[0023] Фиг. 17 является видом в перспективе заменяющего торца для ремонта поврежденной лопатки по фиг. 16.[0023] FIG. 17 is a perspective view of a replacement end for repairing the damaged blade of FIG. 16.
[0024] Фиг. 18 является видом в перспективе присоединяемой ПСЗ для использования в ремонте торца лопатки по фиг. 16.[0024] FIG. 18 is a perspective view of an attached PVD for use in repairing the blade end of FIG. 16.
[0025] Фиг. 19 является видом в перспективе поврежденной лопатки по фиг. 16, присоединяемой ПСЗ по фиг. 18 и заменяющего торца по фиг. 17.[0025] FIG. 19 is a perspective view of the damaged blade of FIG. 16 attached to the PSZ according to FIG. 18 and the replacement end of FIG. 17.
[0026] Фиг. 20 является видом в перспективе заменяющего торца в "неспеченной заготовке" в ходе процесса изготовления.[0026] FIG. 20 is a perspective view of a replacement end in a "green billet" during the manufacturing process.
[0027] Фиг. 21 является видом в перспективе заменяющего торца по фиг. 20 после спекания и удаления из технологического опорного элемента.[0027] FIG. 21 is a perspective view of the replacement end of FIG. 20 after sintering and removal from the technological support element.
[0028] Фиг. 22 является видом в перспективе заменяющего торца по фиг. 21, установленного на лопатку по фиг. 16.[0028] FIG. 22 is a perspective view of the replacement end of FIG. 21 mounted on the blade of FIG. 16.
[0029] До того, как будут подробно разъяснены какие-либо варианты осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено в своем применении подробностями конструкции и компоновки компонентов, изложенными в нижеприведенном описании или проиллюстрированными на прилагаемых чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления и может применяться на практике или осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что используемые в данном документе формулировки и терминология служат только для цели описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.[0029] Before any embodiments of the invention are explained in detail, it should be understood that the invention is not limited in its application to the details of construction and arrangement of components set forth in the description below or illustrated in the accompanying drawings. The invention is capable of other embodiments and may be practiced or carried out in various ways. In addition, it should be understood that the language and terminology used herein is for the purpose of description only and should not be construed as limiting.
Подробное описание Detailed description
[0030] Ниже описываются различные технологии, которые относятся к системам и способам, со ссылкой на чертежи, на которых аналогичные ссылочные номера представляют аналогичные элементы во всем описании. Чертежи, обсуждаемые ниже, и различные варианты осуществления, используемые для того, чтобы описать принципы настоящего раскрытия в данном патентном документе, предоставлены только в качестве иллюстрации и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие объем раскрытия. Специалисты в данной области техники должны понимать, что принципы настоящего раскрытия могут быть реализованы в любом подходящим образом выполненном оборудовании. Следует понимать, что функциональность, которая описывается как выполняемая определенными элементами системы, может выполняться несколькими элементами. Аналогично, например, элемент может быть выполнен с возможностью осуществлять функциональность, которая описывается как выполняемая несколькими элементами. В дальнейшем многочисленные инновационные идей настоящей заявки будут описаны со ссылкой на примерные неограничивающие варианты осуществления.[0030] Various technologies are described below, which relate to systems and methods, with reference to the drawings, in which like reference numbers represent like elements throughout the description. The drawings discussed below and the various embodiments used to describe the principles of the present disclosure in this patent document are provided by way of illustration only and should in no way be construed as limiting the scope of the disclosure. Those skilled in the art will appreciate that the principles of the present disclosure may be implemented in any suitably implemented equipment. It should be understood that functionality that is described as being performed by certain elements of the system may be performed by multiple elements. Similarly, for example, an element may be configured to perform functionality that is described as being performed by multiple elements. In the following, numerous innovative ideas of the present application will be described with reference to exemplary non-limiting embodiments.
[0031] Кроме того, следует понимать, что используемые здесь слова или выражения должны истолковываться в широком смысле, если только они явно не ограничены в некоторых примерах. Например, термины "включающий", "имеющий" и "содержащий", а также их производные означают включение без ограничения. Формы единственного числа подразумеваются также включающими в себя формы множественного числа, если контекст явно не указывает иное. Дополнительно, термин "и/или" при использовании в данном документе означает и охватывает все без исключения возможные комбинации одного или более связанных с ним перечисленных элементов. Термин "или" является включительным, означая «и/или», если контекст явно не указывает иное. Выражения "связанный с" и "связанный с ним", а также их производные могут означать включать в себя, включаться в, взаимно соединяться с, содержать, содержаться в, подключаться к или с, сопрягаться с, сообщаться с, взаимодействовать с, перемежать, помещаться рядом, находиться поблизости от, быть (под)соединенным с или к, иметь, иметь свойство чего-либо или т.п. Кроме того, хотя могут описываться множественные варианты осуществления или конструкции, любые признаки, способы, этапы, компоненты и т.д., описанные относительно одного варианта осуществления, являются в равной степени применимыми к другим вариантам осуществления, при отсутствии конкретного утверждения об обратном.[0031] In addition, it should be understood that the words or expressions used here should be construed in a broad sense, unless they are clearly limited in some examples. For example, the terms "including", "having" and "comprising", as well as their derivatives, mean inclusion without limitation. The singular forms are also intended to include the plural forms, unless the context clearly indicates otherwise. Additionally, the term "and/or" as used herein means and encompasses any and all possible combinations of one or more of its associated listed elements. The term "or" is inclusive, meaning "and/or" unless the context clearly indicates otherwise. The expressions "associated with" and "associated with" and their derivatives may mean to include, be included in, interconnect with, contain, be contained in, connect to or with, conjugate with, communicate with, interact with, intersperse, to be placed next to, to be near, to be (under) connected with or to, to have, to have the property of something, or the like. In addition, although multiple embodiments or designs may be described, any features, methods, steps, components, etc. described with respect to one embodiment are equally applicable to other embodiments, unless specifically stated to the contrary.
[0032] Кроме того, хотя термины "первый", "второй", "третий" и т.д. могут использоваться здесь для того, чтобы обозначать различные элементы, сведения, функции или действия, эти элементы, сведения, функции или действия не должны быть ограничены этими терминами. Вместо этого, данные числовые характеристики используются для того, чтобы отличать различные элементы, сведения, функции или действия друг от друга. Например, первые элемент, информация, функция или действие могут быть названы вторыми элементом, информацией, функцией или действием, и, аналогично, вторые элемент, информация, функция или действие могут быть названы первыми элементом, информацией, функцией или действием, без отступления от объема настоящего раскрытия.[0032] In addition, although the terms "first", "second", "third", etc. may be used here to refer to various elements, details, functions, or actions, those elements, details, functions, or actions are not to be limited by these terms. Instead, these numbers are used to distinguish different elements, details, functions, or activities from one another. For example, the first element, information, function, or action may be referred to as the second element, information, function, or action, and similarly, the second element, information, function, or action may be referred to as the first element, information, function, or action, without departing from the scope. of this disclosure.
[0033] Помимо этого, термин "смежный" может означать: то, что элемент находится относительно близко к, но не в контакте с другим элементом; либо то, что элемент находится в контакте с другим участком, если контекст явно не указывает иное. Далее, выражение "на основе" подразумевается означающим "по меньшей мере частично на основе", если в явной форме не указано иное. Термины "примерно" или "практически" либо аналогичные термины подразумеваются охватывающими отклонения значения, которые находится в пределах нормальных отраслевых технологических допусков для этого размера. Если отсутствуют доступные отраслевые стандарты, отклонение в 20 процентов должно попадать в пределы смыслового значения этих терминов, если не указано иное.[0033] In addition, the term "adjacent" can mean: that an element is relatively close to, but not in contact with, another element; or that the element is in contact with another site, unless the context clearly indicates otherwise. Further, the expression "based on" is intended to mean "at least partially based on", unless explicitly stated otherwise. The terms "about" or "practically" or similar terms are intended to cover deviations in value that are within normal industry manufacturing tolerances for that size. If there are no industry standards available, a 20 percent deviation should fall within the meaning of these terms, unless otherwise noted.
[0034] Фиг. 1 иллюстрирует газовую турбину или газотурбинный двигатель 10 внутреннего сгорания, который включает в себя секцию 15 компрессора, секцию 20 сгорания и секцию 25 турбины. В ходе работы атмосферный воздух вовлекается в секцию 15 компрессора и сжимается. Часть сжатого воздуха смешивается с топливом и сгорает в секции 20 сгорания с получением высокотемпературных продуктов сгорания. Продукты сгорания смешиваются с оставшимся сжатым воздухом, образуя выхлопные газы, которые затем проходят через секцию 25 турбины. Выхлопные газы расширяются в секции 25 турбины, создавая крутящий момент, который приводит в действие секцию 20 компрессора и любое присоединенное к двигателю 10 вспомогательное оборудование, такое как электрический генератор. Выхлопные газы входят в секцию 25 турбины при высокой температуре (1000 градусов по Фаренгейту, 538 градусов по Цельсию или больше), так что рабочие и направляющие лопатки 30 турбины подвергаются воздействию высоких температур и должны изготавливаться из материалов, подходящих для этих температур. Термины "рабочая лопатка" и "направляющая лопатка" должны считаться взаимозаменяемыми. Хотя, типично, термин "рабочая лопатка" относится к вращающимся аэродинамическим поверхностям, а "направляющая лопатка" – к неподвижным аэродинамическим поверхностям, изобретение не должно быть ограничено этими определениями, поскольку большинство ремонтов или процессов в равной степени применимы и к рабочим, и к направляющим лопаткам.[0034] FIG. 1 illustrates a gas turbine or gas turbine
[0035] В одной конструкции направляющие лопатки 30 изготавливаются из суперсплава на основе никеля, к примеру, из сплава (CM) 247. Фиг. 2 иллюстрирует часть неподвижных направляющих лопаток 30 из секции 25 турбины двигателя 10 по фиг. 1. Каждая лопатка 30 включает в себя входную кромку 35, выходную кромку 40, спинку 45 и корыто 50. Смежные лопатки 30 взаимодействуют друг с другом, образуя между собой проточную часть. Выхлопные газы проходит через эти проточные части и направляются и ускоряются желательным образом для обеспечения эффективного расширения выхлопных газов и подачи крутящего момента на ротор 53, который, в свою очередь, приводит в действие вспомогательное оборудование.[0035] In one design, the
[0036] В ходе работы лопатки 30 могут становиться поврежденными. Повреждение может быть вызвано ударными воздействиями посторонних объектов, работой при высокой температуре, усталостью, ползучестью, окислением и т.п. Одна зона, которая подвержена повреждению, представляет собой входную кромку 35 лопатки 30. Фиг. 2 иллюстрирует одну из лопаток 30 с удаленным участком 55 входной кромки 35. Желательный ремонт должен включать в себя замену удаленного участка 55 материалом, который плотно совпадает с основным материалом. Однако суперсплавы (жаропрочные сплавы) на основе никеля, такие как используемые для изготовления лопаток 30, не пригодны к сварке или типичным процессам ремонта при аддитивном производстве.[0036] During operation, the
[0037] Фиг. 3 и 4 иллюстрируют один возможный ремонт входной кромки 35 лопатки 30, проиллюстрированной на фиг. 2. Фиг. 3 иллюстрирует вставную деталь в виде вставки 60 на входной кромке, а фиг. 4 иллюстрирует позиционирование вставки 60 на входной кромке в предназначенной для присоединения лопатке 30. Вставка 60 включает в себя значительную часть из совпадающего основного материала и типично присоединяется с использованием процесса высокотемпературной пайки.[0037] FIG. 3 and 4 illustrate one possible repair to the leading
[0038] Фиг. 5-12 иллюстрируют процесс изготовления вставной детали 60, проиллюстрированной на фиг. 3, либо любого другого желательного ремонтного компонента. Фиг. 5-8 иллюстрируют этот процесс для общего кубовидного объекта 65, в то время как фиг. 9-12 иллюстрируют аналогичный процесс для вставки 60 на входной кромке, проиллюстрированной на фиг. 3.[0038] FIG. 5-12 illustrate the manufacturing process of the
[0039] Процесс начинается смешиванием никелевого порошка 66 с высоким содержанием гамма-штрих фазы (основного материала) со связующим 67 и трехмерной печатью либо иным аддитивным производством неспеченной заготовки желательного компонента 70, 75 до близкой к конечной формы. После этого неспеченной заготовке компонента 70, 75 дают высохнуть. Фиг. 5 и 9 иллюстрируют этот этап. В ходе процесса печати или аддитивного производства основной материал не расплавляется. Употребляемый здесь термин "близкая к конечной форма" означает то, что компонент попадает в пределы желательных технологических параметров и допусков для данного компонента на конкретном этапе в процессе изготовления без дополнительной механической обработки. Тем не менее, некоторое шлифование или полировка поверхности может потребоваться для того, чтобы достигать желательной отделки или текстуры поверхности у конечного компонента. Помимо этого, на компонент могут быть нанесены дополнительные слои или покрытия с тем, чтобы завершать компонент для применения. Кроме того, как проиллюстрировано на фиг. 9-12, неспеченная заготовка компонента 75 может включать в себя такие признаки, как ограничители 80, или опорные конструкции, которые используются в ходе процесса изготовления и затем удаляются. Неспеченная заготовка компонента 75, включающая в себя такие признаки, как означенные, будет считаться имеющей близкую к конечной форму, поскольку дополнительная механическая обработка или иная обработка не требуется перед выполнением дополнительных этапов изготовления, а требуется только удаление нежелательных признаков (ограничителя 80).[0039] The process begins by mixing the high gamma prime nickel phase (base material)
[0040] Следующий этап заключается в размещении неспеченной заготовки компонента 70, 75 в печи или другом нагревательном устройстве. Неспеченную заготовку компонента 70, 75 нагревают, чтобы выжечь или удалить связующее 67. Оставшийся материал образует каркас 85, 90, состоящий из основного материала 66 и зазоров или пустых зон 68, ранее занимаемых связующим веществом 67. На фиг. 6 каркас 85 имеет кубовидную форму. На фиг. 10 каркас 90 образует промежуточный компонент, который в итоге станет вставкой 60 на входной кромке, и дополнительно включает в себя ограничитель 80. В предпочтительных вариантах выполнения этап нагрева или спекания не расплавляет основной материал 66 и оставляет по меньшей мере восемьдесят процентов объема каркаса 85, 90 из основного материала 66, тем самым оставляя не более двадцати процентов каркаса 85, 90 в виде пустого пространства 68. Это называется здесь двадцатипроцентной или меньшей пористостью. Количество используемого связующего 67 и температуру спекания выбирают для достижения менее чем двадцатипроцентной пористости, а предпочтительно – от пятипроцентной до двадцатипроцентной пористости.[0040] The next step is to place the
[0041] Как проиллюстрировано на фиг. 7 и 11, каркас 85, 90 и ограничитель 80 пропитывают (инфильтруют) материалом с низкой температурой плавления, или депрессантом 100 температуры плавления (иногда называемым "припоем"). Предпочтительные составы депрессанта 100 температуры плавления включают по меньшей мере один из титана (Ti), циркония (Zr) и гафния (Hf), при этом остальное составляют хром (Cr) и никель (Ni). Использование бора (B), кремния (Si) или фосфора (P) отчасти или полностью в качестве депрессанта 100 температуры плавления исключается, чтобы предотвратить отрицательные эффекты, которые эти материалы оказывают на свойства материала готового компонента 60, 65.[0041] As illustrated in FIG. 7 and 11, the
[0042] Чтобы получить желательную пропитку, депрессант 100 температуры плавления расплавляют таким образом, который гарантирует то, что жидкий депрессант 100 температуры плавления находится в контакте с каркасом 85, 90. Капиллярное действие, создаваемое пористостью в каркасе 85, 90, затягивает жидкий депрессант 100 температуры плавления в поры 68 каркаса 85, 90 и может приводить к готовому компоненту 60, 65, который на девяносто девять процентов заполнен материалом (т.е. однопроцентной пористости).[0042] To obtain the desired impregnation, the
[0043] Конкретный состав депрессанта 100 температуры плавления выбирается по меньшей мере отчасти на основе количества титана, входящего в состав основного материала. Например, в конструкциях, которые включают 3,5 процента или более титана по массе в основном материале, желательный депрессант 100 температуры плавления включает по меньшей мере один из Hf и Zr, а остальное – Ni и Cr. В конструкциях с 1,0 процента или менее Ti в основном материале предпочтительный состав включает Ti, а остальное – Ni и Cr. Когда количество Ti в основном материале составляет между 1,0 процента и 3,5 процента, желательный состав включает по меньшей мере один из Zr и Ti, а остальное – Ni и Cr. Количество Ti, Zr или Hf выбирают таким образом, что готовый компонент на основе никеля имеет менее чем 6,0 процента Ti (причем другие конструкции – ниже 5,0 процента, а еще другие – ниже 4,0 процента).[0043] The specific composition of the
[0044] После того как пропитка завершена, любые признаки, добавленные по требованиям производства, такие как ограничитель 80 или опорная конструкция, проиллюстрированные на фиг. 9-12, удаляют для того, чтобы завершить компонент 60, 65. Теперь могут выполняться любые дополнительные шлифование, полирование или добавления слоев перед установкой компонента 60, 65, как проиллюстрировано на фиг. 4. В предпочтительных конструкциях, после пропитки, компонент 60, 65 имеет менее чем однопроцентную пористость.[0044] Once the impregnation is complete, any features added for manufacturing requirements, such as the
[0045] Описанный здесь процесс не расплавляет порошок 66 основного материала. Вместо этого, порошок 66 смешивают со связующим 67, подвергают трехмерной печати с использованием лазерного источника или другого источника энергии и сушат. Выжигают связующее 67 при низкой температуре (например, <500°C). Оставшийся основной материал 66 нагревают до температуры спекания, которая гарантирует то, что в спеченном материале остается максимум двадцатипроцентная пористость.[0045] The process described here does not melt the
[0046] Для сплавов на основе никеля количество используемого титана предпочтительно ограничено примерно шестью процентами (т.е. между четырьмя и восемью процентами), чтобы уменьшать вероятность сниженных механических свойств. Вследствие этого ограничения уровень пористости в каркасе 85, 90 определяется, по меньшей мере отчасти, количеством титана в основном материале и в припое 100 (иногда называемом депрессантом температуры плавления), причем целью являются примерно шесть процентов титана в готовом компоненте 60, 65. Например, в одной конструкции, основной материал или каркас 85, 90 может не включать титан. Если используется припой, который содержит 22% титана, то полная пористость каркаса 85, 90 должна быть ограничена примерно 30%, что приводит к готовому компоненту 60, 65 с примерно 6,6% титана.[0046] For nickel-based alloys, the amount of titanium used is preferably limited to about six percent (ie, between four and eight percent) to reduce the chance of reduced mechanical properties. Because of this limitation, the level of porosity in the
[0047] В другом примере каркас 85, 90 включает 1% титана. В этом случае, при использовании идентичного припоя с 22% титана, каркас 85, 90 должен быть ограничен менее чем 20%-ной вязкостью, чтобы добиться готового компонента 60, 65, имеющего примерно 5,2% титана.[0047] In another example, the
[0048] В еще одном другом примере каркас 85, 90 включает 2% титана. В этом случае, при использовании идентичного припоя с 22% титана, каркас 85, 90 должен быть ограничен менее чем 15%-ной вязкостью, чтобы добиться готового компонента 60, 65, имеющего примерно 6,0% титана.[0048] In yet another example, the
[0049] Как пояснено, газотурбинные компоненты на никелевой основе, в частности, компоненты из сплава (CM) 247, трудно ремонтировать или наращивать любым способом, который подразумевает плавление компонента, поскольку температура плавления границ зерен (начала плавления) является низкой относительно температуры сварки, так что сварочный ремонт зачастую вызывает трещины в ходе процесса ремонта.[0049] As explained, nickel-based gas turbine components, in particular alloy (CM) 247 components, are difficult to repair or build up in any way that involves melting the component, because the melting temperature of the grain boundaries (melt onset) is low relative to the welding temperature, so welding repairs often cause cracks during the repair process.
[0050] Как пояснено в отношении фиг. 2-12, одна альтернатива сварочному ремонту заключается в том, чтобы сначала построить заменяющий компонент 60, 65 (предварительно спеченную заготовку (ПСЗ)) для поврежденной секции лопатки 30 и затем присоединить этот новый заменяющий компонент 60, 65 к ремонтируемому компоненту (например, лопатке 30) с использованием процесса, который гарантирует максимальную температуру, остающуюся ниже температуры плавления границ зерен. Чтобы дополнительно улучшить этот ремонт, можно заменять поврежденную часть ремонтируемого компонента заменяющим компонентом 60, 65, который включает в себя функциональный материал, который обеспечивает более высокую стойкость к окислению, чем основной материал ремонтируемого компонента (например, лопатки 30).[0050] As explained with respect to FIG. 2-12, one alternative to welding repair is to first build a
[0051] Поврежденный участок 55 удаляют и заменяют плотно прилегающим заменяющим компонентом 105, изготовленным с использованием аддитивно произведенного (AM) материала или предварительно спеченной заготовки (ПСЗ), который(ая) обеспечивает аналогичные или лучшие свойства окисления и разрушения. Когда заменяющий компонент 105 представляет собой замену для входной кромки 35, как проиллюстрировано на фиг. 2-4 и 9-12, аддитивно произведенные заменяющие компоненты 105 могут включать столбчатые зерна со значительным сопротивлением разрушению.[0051] The damaged
[0052] Чтобы выполнять ремонт входной кромки 35 материалом с высокой стойкостью к окислению, сначала удаляют поврежденный участок 55 входной кромки 35 лопатки 30. Удаленный поврежденный участок 55 измеряют, чтобы определять размер и конфигурацию заменяющего компонента 105, который будет устанавливаться. Затем заменяющий компонент 105 изготавливают с использованием процесса аддитивного производства или в виде ПСЗ, такой как ПСЗ, выполненная с использованием процесса, описанного в отношении фиг. 2-12. Чтобы повысить стойкость к окислению заменяющего компонента 105, используемый для его изготовления материал при использовании процесса аддитивного производства включает вплоть до восьми процентов (8%) алюминия. Помимо этого, в качестве части заменяющего компонента 105 могут быть выполнены крепежные конструкции 110, такие как штифты, выступы, выемки, отверстия и т.д., чтобы повысить или создать взаимное зацепление между заменяющим компонентом 105 и лопаткой 30 либо другим ремонтируемым компонентом.[0052] In order to repair the leading
[0053] Когда заменяющий компонент 105 изготавливается в виде ПСЗ, предпочтительный материал включает вплоть до восьмидесяти процентов (80%) суперсплава (предпочтительно совпадающего с ремонтируемой лопаткой 30), вплоть до восьми процентов (8%) алюминия и вплоть до тридцати процентов (30%) припоя, включающего Ti, Zr и Hf, как описано выше. Аналогично аддитивно произведенному заменяющему компоненту 105, заменяющие компоненты-ПСЗ 105 могут включать в себя крепежные конструкции 110, такие как описанные выше. Фиг. 9 и 10 иллюстрируют крепежные конструкции 110 в форме совмещающих штифтов 111. Штифты 111 совмещаются с и входят в отверстия, сформированные в лопатке 30, к которой будет присоединяться заменяющий компонент 105. Хотя штифты 111 проиллюстрированы только на фиг. 9 и 10 для ясности, в предпочтительных конструкциях штифты 111 формировались бы в качестве части заменяющего компонента 105 и поэтому присутствовали бы на каждом этапе процесса изготовления. В других конструкциях штифты 111 представляют собой отдельные компоненты, которые присоединяются к заменяющему компоненту 105 в какой-то момент в ходе его изготовления. Присоединению можно было бы способствовать с использованием любого подходящего средства присоединения, включая, но не ограничиваясь ими, адгезивы, сварку, высокотемпературную пайку и т.д.[0053] When the replacement component 105 is made in the form of PSZ, the preferred material includes up to eighty percent (80%) superalloy (preferably matching the repaired blade 30), up to eight percent (8%) aluminum, and up to thirty percent (30% ) solder, including Ti, Zr and Hf, as described above. Similar to the additively produced replacement component 105, the replacement-PSZ components 105 may include mounting structures 110 such as those described above. Fig. 9 and 10 illustrate attachment structures 110 in the form of alignment pins 111.
[0054] Материал, используемый для изготовления заменяющего компонента-ПСЗ 105, поддерживают при температуре на по меньшей мере 50 градусов по Цельсию выше температуры плавления припоя в течение более чем одного часа, чтобы позволить прореагировать большей части припоя с порошком основного материала. Это предотвращает повторное плавление во время операции высокотемпературной пайки, присоединяющей заменяющий компонент 105 к лопатке 30.[0054] The material used to make the replacement component, PSZ 105, is maintained at a temperature of at least 50 degrees Celsius above the melting point of the solder for more than one hour to allow most of the solder to react with the base material powder. This prevents remelting during the brazing operation attaching the replacement component 105 to the
[0055] Присоединяемая ПСЗ 115, показанная на фиг. 13, образована из сочетания материалов, аналогичного описанному выше в отношении заменяющего компонента-ПСЗ 105, за исключением того, что она включает по меньшей мере тридцать процентов (30%) припоя, а не вплоть до тридцати процентов (30%) припоя. Присоединяемая ПСЗ 115 предпочтительно имеет толщину не более 250 микронов и получена при аналогичной температуре, как и описанный выше заменяющий компонент-ПСЗ 105, но поддерживалась при этой температуре в течение меньшего времени (менее чем 15 минут). Присоединяемая ПСЗ 115 в силу этого имеет достаточно непрореагировавшего припоя, чтобы иметь возможность присоединить заменяющий компонент 105, как проиллюстрировано на фиг. 14, независимо от того, как он изготовлен (ПСЗ или аддитивное производство), к ремонтируемой лопатке 30.[0055]
[0056] Заменяющий компонент 105 имеет достаточные механические свойства и стойкость к окислению вследствие его отрегулированного состава и состава припоя Ni-Cr-(Ti, Zr, Hf). Помимо этого, при использовании аддитивно произведенного заменяющего компонента 105, столбчатые зерна обеспечивают значительное сопротивление разрушению по отношению к основному материалу с равноосной зеренной структуры.[0056] The replacement component 105 has sufficient mechanical properties and oxidation resistance due to its adjusted composition and Ni-Cr-(Ti, Zr, Hf) solder composition. In addition, when using the additively produced replacement component 105, the columnar grains provide significant fracture resistance relative to the base material with an equiaxed grain structure.
[0057] Как будет описано ниже, эти процессы и процедуры могут применяться к другим компонентам, таким как торец 120 направляющей лопатки 30 или рабочей лопатки.[0057] As will be described below, these processes and procedures may be applied to other components, such as end face 120 of
[0058] Например, фиг. 15-19 иллюстрируют процесс, аналогичный вышеописанному процессу, но для ремонта торца 120 газотурбинной направляющей или рабочей лопатки 30 на основе никеля и, в частности, направляющей или рабочей лопатки 30, изготовленной из сплава 247 или аналогичного материала.[0058] For example, FIG. 15-19 illustrate a process similar to the above, but for repairing the
[0059] Фиг. 15 схематично иллюстрирует лопатку 30 с трещинами 125 в концевом сечении, которые простираются вниз в лопатку 30. Торец 120 лопатки также включает поврежденные окислением участки 130, которые могут быть общими после работы лопатки 30 турбины. Чтобы отремонтировать лопатку 30, сначала удаляют поврежденный участок торца 120. В примере по фиг. 15 удаление поврежденного участка 135 не приводит к полному удалению трещин 125, а к удалению поврежденных окислением участков 130. Желательно минимизировать величину удаляемого торца 120, так что в некоторых обстоятельствах участки с трещиной или трещинами 125 могут остаться после удаления. Со ссылкой на фиг. 16, любые трещины 125, которые остаются после удаления поврежденного участка 135, удаляют с использованием процесса механической обработки, шлифования или других подходящих процессов удаления материалов.[0059] FIG. 15 schematically illustrates
[0060] Плотно прилегающий заменяющий торец 140 формируют, чтобы заполнить пространство, созданное удалением поврежденного участка 135. Заменяющий торец 140 также может заполнять любые пространства, созданные во время удаления любых трещин 125. Альтернативно, пространство, открытое во время удаления трещин 125, может быть заполнено порошкообразным припоем в ходе процесса присоединения заменяющего торца 140. Заменяющий торец 140 может быть сформирован с использованием процесса аддитивного производства (AM) или может быть сформирован из предварительно спеченной заготовки (ПСЗ), которая обеспечивает аналогичные или лучшие свойства окисления и разрушения, чем удаленный участок 135.[0060] A tight-fitting
[0061] Заменяющий торец 140, при изготовлении с использованием процесса AM, предпочтительно состоит из материала, аналогичного основному материалу лопатки 30, с добавлением вплоть до восьми процентов (8%) алюминия, чтобы обеспечить превосходную стойкость к окислению. Помимо этого, могут использоваться крепежные конструкции 110, такие как штифты 145, проиллюстрированные на фиг. 17, для того, чтобы улучшить механическое соединение между заменяющим торцом 140 и остальной частью ремонтируемой лопатки 30. Конечно, в качестве крепежных конструкций 110 могут использоваться и другие признаки, такие как выступы, отверстия, бобышки и т.д. Штифты 145 по фиг. 17 вставляются в соответствующие отверстия, выполненные или иным образом существующие в оставшейся части ремонтируемой лопатки 30.[0061] The
[0062] В конструкциях, в которых вместо полученного методом AM заменяющего торца 140 используется ПСЗ, материал предпочтительно выполнен из вплоть до восьмидесяти процентов (80%) суперсплава (совпадающего с основным материалом ремонтируемой лопатки 30), вплоть до восьми процентов (8%) алюминия и вплоть до тридцати процентов (30%) припоя, включающего Ti, Zr и Hf, как описано выше.[0062] In designs where the AM-derived
[0063] Материал, используемый для изготовления заменяющего торца-ПСЗ 140, поддерживают при температуре на по меньшей мере 50 градусов по Цельсию выше температуры плавления припоя в течение более чем одного часа, чтобы позволить прореагировать большей части припоя с порошком основного материала. Это предотвращает повторное плавление во время операции высокотемпературной пайки, присоединяющей заменяющий торец 140 к ремонтируемой лопатке 30.[0063] The material used to make the replacement end-
[0064] Присоединяемая ПСЗ 150 торца, показанная на фиг. 18, образована из сочетания материалов, аналогичного описанному выше в отношении заменяющего торца-ПСЗ 140, за исключением того, что она включает по меньшей мере тридцать процентов (30%) припоя, а не вплоть до тридцати процентов (30%) припоя. Присоединяемая ПСЗ 150 торца предпочтительно имеет толщину не более 250 микронов и получена при аналогичной температуре, что и описанный выше заменяющий торец-ПСЗ 140, но поддерживалась при этой температуре в течение более короткого периода времени (менее чем 15 минут). Присоединяемая ПСЗ 150 торца в силу этого имеет достаточно непрореагировавшего припоя, чтобы иметь возможность присоединить заменяющий торец 140 к ремонтируемой лопатке 30, как проиллюстрировано на фиг. 19, независимо от того, как изготовлен заменяющий торец 140 (ПСЗ или аддитивное производство).[0064]
[0065] Заменяющий торец 140 имеет достаточные механические свойства и стойкость к окислению вследствие своего отрегулированного состава и состава припоя Ni-Cr-(Ti, Zr, Hf).[0065] The
[0066] Как пояснено выше, газотурбинные компоненты работают в самых разнообразных локальных условиях, которые могут давать локализованное повреждение. Это может быть приписано различающимся состояниям компонентов (например, температурам, давлениям, свойствам текучей среды и т.д.) и состояниям двигателя.[0066] As explained above, gas turbine components operate under a wide variety of local conditions that can produce localized damage. This can be attributed to differing component states (eg, temperatures, pressures, fluid properties, etc.) and engine states.
[0067] Один пример локальных рабочих условий существует в турбинной лопатке 155 первого ряда, где локализованная поломка лопаток 155 может вызывать повреждение в нескольких зонах, включая входную кромку 160 лопатки 155 и торец 165 лопатки 155. Фиг. 22 иллюстрирует входную кромку 160 и торец 165 лопатки 155, а также иллюстрирует заменяющий торец 170, установленный для того, чтобы отремонтировать повреждение вследствие растрескивания и/или окисления на торце 165 лопатки.[0067] One example of local operating conditions exists in the first
[0068] Один тип повреждения возникает на входной кромке 160 лопатки 155 первой ступени, а также других лопаток, где керамическое покрытие пристает смежно с последовательностью охлаждающих отверстий 175. Если покрытие раскалывается, зачастую наблюдается пережег или потеря входной кромки. Другая зона, где может возникать повреждение, находится на торце 165 лопатки 155, где лопатка 155 может тереться о кольцевой сегмент бандажа или другой компонент, радиально наружный относительно лопатки 155. На торце 165 лопатки 155 может также возникать сильное окисление, и трещины или торцевые трещины могут образовываться и распространяться от охлаждающих отверстий 175 или от повреждения, вызванного другими факторами, такими как трение или окисление.[0068] One type of damage occurs at the
[0069] Как пояснено выше, ремонты торцов 165 рабочих или направляющих лопаток могут включать в себя удаление участка торца 165 лопатки, с последующей заменой заменяющим торцом 170. Аналогичные ремонты также могут проводиться для входных кромок 160 рабочих или направляющих лопаток.[0069] As discussed above, repairs to the rotor or guide vane ends 165 may include removing a portion of the
[0070] Можно основываться на аддитивном производстве для того, чтобы изготавливать заменяющие компоненты или заменяющие торцы 170 с помощью процессов высокотемпературной пайки и специальных припоев, улучшающих работу ремонтированной рабочей или направляющей лопатки 155.[0070] Additive manufacturing can be relied upon to make replacement components or replacement ends 170 using brazing processes and specialty solders that enhance the performance of the repaired vane or guide
[0071] Один предпочтительный процесс аддитивного производства, хорошо подходящий для изготовления заменяющих компонентов или заменяющих торцов 170, включает в себя атомную диффузию. Фиг. 20-22 иллюстрируют процесс ремонта торца 165 лопатки с использованием атомной диффузии для формирования заменяющего торца 170. Как поймут специалисты в данной области техники, такой же процесс может быть применен для ремонта входной кромки 160 рабочей или направляющей лопатки 155, а также не обсуждавшихся здесь других компонентов.[0071] One preferred additive manufacturing process well suited for making replacement components or replacement ends 170 involves atomic diffusion. Fig. 20-22 illustrate the process of repairing a
[0072] Со ссылкой на фиг. 20, при атомной диффузии используются связующие вещества и металлический порошок для быстрого построения трехмерной формы. Металлический порошок обычно выбирается близко совпадающим с материалом (например, сплавом (CM) 247), используемым в ремонтируемом компоненте (т.е. в лопатке 155). Металлический порошок и полимерное связующее вещество смешивают и затем формуют до желательной формы, которая в конечном итоге приведет к получению заменяющего компонента или торца 170. Этот предварительный компонент 185 часто называют "неспеченной заготовкой". Такую "неспеченную заготовку" компонента 185 затем нагревают и спекают в операции высокотемпературного спекания, чтобы удалить связующее вещество и механически/металлургически связать частицы порошка. Температура спекания выбирается для полного удаления связующего вещества при обеспечении желательной механической/металлургической связи порошкового металла без полного расплавления металлических частиц порошка.[0072] With reference to FIG. 20, atomic diffusion uses binders and metal powder to rapidly build a three-dimensional shape. The metal powder is typically selected to closely match the material (eg, Alloy (CM) 247) used in the repaired component (ie, blade 155). The metal powder and polymeric binder are mixed and then molded to the desired shape, which will eventually result in a replacement component or end 170. This pre-component 185 is often referred to as "green stock". This "green billet" of
[0073] Один способ формирования неспеченной заготовки компонента 185 включает в себя метод трехмерной печати. Подготавливают исходное сырье в виде проволоки, включающее желательный порошковый металл и связующее. Пользователь способен скомбинировать химические составы материалов или подобрать химические составы желательным образом, чтобы достичь желательных свойств материала в готовом заменяющем торце 170 или готовой заменяющей детали. Помимо этого, различные составы могут использоваться в различные моменты времени в ходе формирования заменяющего торца 170, чтобы добиться различных свойств в различных местоположениях в заменяющем торце 170. Например, в одной конструкции, состав, предназначенный быть первым или пограничным слоем, включает в себя желательные основные материалы, а также припой, интегрированный в сырье в виде проволоки.[0073] One method for forming the green body of
[0074] Чтобы изготовить заменяющий торец 170 или другой компонент, первый или пограничный слой осаждают на опорную конструкцию 190 либо формируют независимо от опорной конструкции 190. Первый слой в примере по фиг. 20 предназначен быть той поверхностью, которая сопрягается с или припаивается к ремонтируемому компоненту (т.е. к лопатке 155), присоединяя заменяющий торец 170 к ремонтируемой лопатке 155. Дополнительные слои могут формироваться поверх первого слоя с использованием идентичного материала, или же может использоваться другой материал, что может быть необходимо для конкретного заменяющего компонента.[0074] To make a
[0075] Например, сырье может меняться на второй материал, который не включает припоя, а, вместо этого, более близко совпадает с основным материалом лопатки 155 или другого ремонтируемого компонента. Как пояснено выше, могут использоваться некоторые материалы, которые повышают эксплуатационных характеристики заменяющего торца 170 или другого компонента по сравнению с таковыми у основного материала. Также в этом процессе может использоваться любой из этих материалов. Например, можно использовать вплоть до 8% алюминия для того, чтобы повысить стойкость к окислению. Как отмечено выше, процесс спекания проектируется так, чтобы не расплавить порошковый материал. Поскольку этот процесс представляет собой процесс без плавления, отклонения по химическому составу не ожидается.[0075] For example, the raw material may be changed to a second material that does not include solder, but instead more closely matches the base material of the
[0076] С дальнейшей ссылкой на фиг. 20, металлический порошок экструдируют со связующим (например, полимером), чтобы создать исходное сырье в виде проволоки, которое затем осаждают на опорную конструкцию 190. Между осажденным материалом и опорной конструкцией 190 может быть расположен керамический промежуточный слой 195, чтобы помогать в удалении готового заменяющего торца 170 с опорной конструкции 190. Этап промывки неспеченной заготовки удаляет полимерное связующее, а уплотнение выполняют посредством спекания. Типично, могут достигаться плотности более чем в девяносто шесть процентов, но это зависит от размера компонента и соответствующей толщины стенки, поскольку уплотнение достигается посредством твердотельной диффузии. Примеры заменяющих торцов 170, сформированных с использованием этого процесса после спекания и удаленных с опорной конструкции, проиллюстрированы на фиг. 21.[0076] With further reference to FIG. 20, metal powder is extruded with a binder (e.g., a polymer) to create a wire feed stock that is then deposited onto
[0077] Этот способ не претерпевает изотропии послойных методов AM и, из-за его скорости получения неспеченной заготовки компонента 185 и очень низких отходов порошка, значительно сокращает затраты по сравнению с другими методами AM. Помимо этого, как отмечено выше, этот процесс аддитивного производства может использоваться для формирования компонентов, отличных от заменяющих торцов 170, включая сменные входные кромки или другие компоненты, и может включать дополнительные признаки, такие как крепежные конструкции 110.[0077] This method does not suffer the isotropy of stratified AM methods and, due to its rate of
[0078] Другая выгода при таком подходе заключается в том, что компоненты могут быть изготовлены из других стойких к высоким температурам (жаропрочных) материалов (например, дисперсионно упрочненных оксидами (ODS) или усовершенствованных монокристаллических (CMSX8/Rene N5/PWA1484)), которые имеют лучшие прочность, стойкость к окислению и адгезию покрытия.[0078] Another benefit of this approach is that components can be made from other high temperature resistant (heat resistant) materials (e.g., oxide dispersion strengthened (ODS) or advanced single crystal (CMSX8/Rene N5/PWA1484)), which have the best strength, oxidation resistance and coating adhesion.
[0079] В общих словах, фиг. 20-22 иллюстрируют заменяющий торец 170 во время различных состояний изготовления с использованием процесса атомной диффузии. После удаления поврежденного участка торца 165 ремонтируемой лопатки 155 заменяющий торец 170 может быть подобран по размеру для изготовления. Во многих случаях потребуется опорная конструкция 190, образующая несущее основание, на котором может формироваться заменяющий торец 170. Хотя это и не обязательно, в ситуациях, когда опорная конструкция 190 используется, сначала может быть нанесен керамический промежуточный слой 195, чтобы способствовать простому отделению готового заменяющего торца 170 от опорной конструкции 190.[0079] In general terms, FIG. 20-22 illustrate
[0080] Неспеченную заготовку компонента 185 затем печатают с использованием сырья соответствующего компонентного состава. Первый слой или первые несколько слоев могут использовать сырье, которое представляет собой частично основной материал, частично связующее и частично припой, который в итоге используется во время присоединения заменяющего торца 170 к лопатке 155. После того, как эти начальные слои отпечатаны, это сырье можно переключить на иное сырье, которое включает желательный химический состав основного металла (т.е. химический состав, близко совпадающий с лопаткой 155) и связующее, зачастую в виде полимера. Химический состав последующего сырья может иметь улучшенный химический компонентный состав, как пояснено выше, чтобы обеспечить превосходные свойства материала, такие как стойкость к окислению.[0080] The green piece of
[0081] По завершению процесса трехмерной печати, неспеченную заготовку компонента 185 промывают и спекают, чтобы удалить связующее и механически или металлургически связать оставшиеся частицы в желательной форме. Спеченный заменяющий торец 170 снимают с опорной конструкции 190, как проиллюстрировано на фиг. 21.[0081] Upon completion of the 3D printing process, the green stock of
[0082] Как проиллюстрировано на фиг. 22, заменяющий торец 170 размещают в нужном положении на лопатке 155 и формируют между ними паяное соединение 200. В ходе процесса высокотемпературной пайки припой в начальном слое или слоях заменяющего торца 170 способствует образованию паяного соединения и присоединению заменяющего торца 170.[0082] As illustrated in FIG. 22, the
[0083] Существующие материалы, используемые для предварительно спеченных заготовок (ПСЗ) и для высокотемпературных припоев для применения с материалами из суперсплавов на никелевой основе, которые работают в высокотемпературных окружающих средах (например, 1000 градусов по Фаренгейту, 538 градусов по Цельсию), типично выполнены на основе никеля (Ni) хрома (Cr).[0083] Existing materials used for pre-sintered billets (PSBs) and for high temperature solders for use with nickel-based superalloy materials that operate in high temperature environments (e.g., 1000 degrees Fahrenheit, 538 degrees Celsius) are typically made based on nickel (Ni) chromium (Cr).
[0084] Описанный здесь состав предпочтительно применяется к ПСЗ и/или припоям, которые не содержат бора. Чтобы увеличивать ресурс до разрушения при ползучести безборных ПСЗ и припоев, в большинство припойных сплавов на никелевой основе могут добавляться рений (Re) или рутений (Ru). Эти два элемента являются мощными усилителями сопротивления ползучести, которые добавляются в состав основного металла для продления ресурса до разрушения при ползучести. Они повышают сопротивление ползучести сплавов на никелевой основе на величину вплоть до десяти раз. Их высокая температура плавления и большой атомный диаметр приводят к низким скоростям атомной диффузии и позволяют материалам на основе Ni повышать свое сопротивление ползучести.[0084] The composition described here is preferably applied to PSZ and/or solders that do not contain boron. Rhenium (Re) or ruthenium (Ru) can be added to most nickel-based solder alloys to increase the creep life of boron-free PSZ and solder alloys. These two elements are powerful creep enhancers that are added to the base metal composition to extend life before creep failure. They increase the creep resistance of nickel-based alloys by up to ten times. Their high melting point and large atomic diameter result in low atomic diffusion rates and allow Ni-based materials to increase their creep resistance.
[0085] Рений (Re) и рутений (Ru) до настоящего времени не добавлялись в безборные припои, поскольку не была известна потребность в припоях с сопротивлением ползучести.[0085] Rhenium (Re) and ruthenium (Ru) have not been added to boron free solders to date because the need for creep resistant solders has not been known.
[0086] Чтобы добавить Re или Ru, материалы преобразуются в порошкообразную форму и затем смешиваются с порошковой смесью основного материала перед высокотемпературной пайкой. Re и Ru добавляют в порошковую смесь безборного припоя Ni-Cr-X/основного материала перед созданием ПСЗ. Предпочтительно, Re и Ru имеют наименьший размер частиц, возможный для порошка. Предпочтительно, чтобы диаметр частиц порошка Re и Ru составлял по меньшей мере 50% или меньше, чем основного металла и металлического порошка припоя, чтобы гарантировать равномерное смешивание и гомогенное распределение элементов после высокотемпературной пайки. Порошки Re и Ru не расплавляются в ходе процесса высокотемпературной пайки. Вместо этого они диффундируют в окружающий жидкий припой во время высокотемпературной пайки. Поскольку скорости диффузии в жидкости высоки, эти элементы равномерно разносятся в припое.[0086] To add Re or Ru, the materials are converted into a powder form and then mixed with the base material powder mixture before high temperature brazing. Re and Ru are added to the Ni-Cr-X boron free solder/base material powder mix prior to making the PSZ. Preferably, Re and Ru have the smallest particle size possible for the powder. It is preferable that the particle diameter of the Re and Ru powder be at least 50% or less than that of the base metal and the solder metal powder to ensure even mixing and homogeneous distribution of the elements after brazing. Re and Ru powders do not melt during the brazing process. Instead, they diffuse into the surrounding liquid solder during high temperature soldering. Since the diffusion rates in the liquid are high, these elements are evenly spaced apart in the solder.
[0087] Re и Ru добавляют так, что они составляют 3-6 процентов от общего состава припоя или ПСЗ независимо от пропорции основного металла к порошку припоя в припое.[0087] Re and Ru are added such that they make up 3-6 percent of the total composition of the solder or PSZ regardless of the proportion of base metal to solder powder in the solder.
[0088] Например, при ремонте компонента, изготовленного из сплава 247, может использоваться ПСЗ, которая изготовлена из порошков, в которых 74-77 процентов совпадают с составом сплава 247, 20 процентов совпадают с желательным припоем (иногда называемым "депрессантом температуры плавления"), и 3-6 процентов составляют один или оба из Re или Ru.[0088] For example, when repairing a component made from Alloy 247, a PSW can be used that is made from powders that are 74-77 percent match the composition of
[0089] Подходящие припои типично выполнены на никелевой основе и включают никель, хром и по меньшей мере один из титана, циркония и гафния. Некоторые специальные составы припоя включают в себя состав, который включает 6,5% Cr, 11% Zr, 7,5% Ti, а остальное Ni. Другой состав может включать 5,0% Cr, 10% Hf, 10% Zr, а остальное Ni. Еще один другой состав может включать 17% Cr, 22% Ti, а остальное Ni.[0089] Suitable solders are typically nickel-based and include nickel, chromium, and at least one of titanium, zirconium, and hafnium. Some special solder formulations include a formulation that includes 6.5% Cr, 11% Zr, 7.5% Ti, and the rest Ni. Another composition may include 5.0% Cr, 10% Hf, 10% Zr, and the rest Ni. Yet another composition may include 17% Cr, 22% Ti, and the rest Ni.
[0090] Каждый из трех компонентов – основной материал (74-77 процентов), припой (20 процентов) и Re или Ru (3-6 процентов) – превращают в порошкообразную форму и смешивают вместе для спекания. Во время любых этапов плавления (т.е. процессов высокотемпературной пайки) Re и Ru не расплавляются. Наоборот, в ходе процесса плавления они диспергируются по любым ваннам расплава.[0090] Each of the three components - base material (74-77 percent), solder (20 percent) and Re or Ru (3-6 percent) - is powdered and mixed together for sintering. During any melting steps (ie brazing processes) Re and Ru do not melt. On the contrary, during the melting process they are dispersed throughout any baths of the melt.
[0091] Фиг. 3 иллюстрирует одну возможную ПСЗ-вставку 60, которую удалось изготовить с использованием вышеописанных материалов. ПСЗ-вставку 60 предварительно формуют и спекают включающими основной материал, припой и желательное количество Re или Ru. Фиг. 4 иллюстрирует ремонт лопатки 30 турбины с использованием ПСЗ-вставки 60, проиллюстрированной на фиг. 3. После того, как удален поврежденный участок лопатки 30, требуемую ПСЗ-вставку 60 подбирают по размеру и изготавливают так, как описано. ПСЗ-вставку 60 затем позиционируют в пустом пространстве 55 в лопатке 30 и припаивают на месте. В ходе процесса высокотемпературной пайки некоторая часть Re и Ru мигрирует в расплавленный припой. Re и Ru не будут расплавляться в ванне расплава, а вместо этого будут внедряться в припой во время затвердевания.[0091] FIG. 3 illustrates one possible PSZ insert 60 that could be made using the materials described above. PSZ insert 60 is preformed and sintered including base material, solder and the desired amount of Re or Ru. Fig. 4 illustrates the repair of a
[0092] Хотя выше подробно описан примерный вариант осуществления настоящего раскрытия, специалисты в данной области техники поймут, что в раскрытый здесь вариант могут быть внесены различные изменения, подстановки, вариации и улучшения без отступления от сущности и объема раскрытия в его самом широком виде.[0092] While an exemplary embodiment of the present disclosure has been described in detail above, those skilled in the art will appreciate that various changes, substitutions, variations, and improvements may be made to the embodiment disclosed herein without departing from the spirit and scope of the disclosure in its broadest sense.
[0093] Никакой фрагмент описания в настоящей заявке не следует считать подразумевающим то, что какой-то конкретный элемент, этап, действие или функция представляет собой существенный элемент, который должен быть включен в объем формулы изобретения: объем патентуемого объекта изобретения определяется только приведенной в патенте формулой изобретения. Кроме того, ни один из пунктов формулы изобретения не подразумевает конструкцию пункта формулы изобретения "средство плюс функция", если именно после слов "средство для" не идет указание соответствующей функции.[0093] No portion of the description in this application should be taken as implying that any particular element, step, act, or function is an essential element that should be included in the scope of the claims: the scope of the patentable subject matter of the invention is determined only by what is given in the patent the claims of the invention. In addition, none of the claims does not imply the construction of the claim "means plus function", unless after the words "means for" there is an indication of the corresponding function.
Claims (21)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/880,387 | 2019-07-30 | ||
US62/880,949 | 2019-07-31 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2784612C1 true RU2784612C1 (en) | 2022-11-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6520401B1 (en) * | 2001-09-06 | 2003-02-18 | Sermatech International, Inc. | Diffusion bonding of gaps |
RU2240214C1 (en) * | 2003-03-17 | 2004-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method for repairing surface flaws of articles of gas turbine engine |
US8640942B1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-02-04 | Siemens Energy, Inc. | Repair of superalloy component |
RU2703666C2 (en) * | 2014-11-14 | 2019-10-21 | Сафран Эйркрафт Энджинз | Turbine engine component manufacturing method |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6520401B1 (en) * | 2001-09-06 | 2003-02-18 | Sermatech International, Inc. | Diffusion bonding of gaps |
RU2240214C1 (en) * | 2003-03-17 | 2004-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method for repairing surface flaws of articles of gas turbine engine |
US8640942B1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-02-04 | Siemens Energy, Inc. | Repair of superalloy component |
RU2703666C2 (en) * | 2014-11-14 | 2019-10-21 | Сафран Эйркрафт Энджинз | Turbine engine component manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11939884B2 (en) | System and method for repairing high-temperature gas turbine blades | |
US9765623B2 (en) | Methods for modifying cooling holes with recess-shaped modifications | |
US20080237403A1 (en) | Metal injection molding process for bimetallic applications and airfoil | |
US6609894B2 (en) | Airfoils with improved oxidation resistance and manufacture and repair thereof | |
JP6362858B2 (en) | Part having surface close cooling microchannel and manufacturing method thereof | |
RU2703666C2 (en) | Turbine engine component manufacturing method | |
JP7193617B2 (en) | Advance preparation for service runs and gas turbine component repairs | |
JP2022503567A (en) | Section replacement with metal brazing preforms for turbine blades | |
WO2014197087A2 (en) | Component repair using brazed surface textured superalloy foil | |
RU2784612C1 (en) | System and method for repairing high-temperature gas turbine components | |
US11795832B2 (en) | System and method for repairing high-temperature gas turbine components | |
US11712738B2 (en) | Crack healing additive manufacturing of a superalloy component | |
US11298768B2 (en) | Method of preparing a surface for diffusion bonding and method of diffusion bonding | |
US20200376554A1 (en) | Manufacturing method for hard-to-weld materials |