超合金部件的局部修復(fù)的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是2013年8月1日提交的未決美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3/956431(代理人案卷 編號(hào)2013P03470US)的繼續(xù)申請(qǐng)，該未決美國(guó)專利申請(qǐng)13/956431是2013年1月31日提 交的未決美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?3/755098(代理人案卷編號(hào)為2012P28301US)的部分繼續(xù)申 請(qǐng)案，該未決美國(guó)專利申請(qǐng)13/755098又是2013年1月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?13/005656(代理人案卷編號(hào)為2010P13119US，并且公開號(hào)為US2012/0181255A1)的部分 繼續(xù)申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般涉及金屬接合領(lǐng)域，并且更具體涉及用于修復(fù)由超合金材料制成的部 件的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 取決于被焊接材料的類型，焊接工藝變化很大。一些材料在各種條件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊處理，以便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完好的接合，而不使周圍基底材料退化。
[0004] 普通電弧焊通常利用自耗電極作為供給材料。為了給焊池內(nèi)的熔化材料提供大氣 保護(hù)，惰性保護(hù)氣體或焊劑材料當(dāng)焊接許多合金包括例如鋼、不銹鋼以及鎳基合金時(shí)可以 被使用。惰性以及組合的惰性和活性氣體工藝包括氣體保護(hù)鎢極電弧焊（GTAW)(也稱為鎢 惰性氣體（TIG))和氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW)(也稱為金屬惰性氣體（MIG)和金屬活 性氣體（MAG))。焊劑受保護(hù)的工藝包括其中焊劑被常規(guī)供給的埋弧焊（SAW)，其中焊劑被 包括在電極芯中的藥芯焊絲電弧焊（FCAW)，和其中焊劑被涂覆在填充材料電極外部的自動(dòng) 保護(hù)金屬極電弧焊（SMAW)。
[0005] 利用能量束作為熱源進(jìn)行焊接也是已知的。例如，激光能量已經(jīng)被用于熔化預(yù)放 置的不銹鋼粉末到碳鋼基底上，其中粉末狀焊劑材料提供熔池的屏蔽。焊劑粉末可以與不 銹鋼粉末混合，或者作為單獨(dú)的覆蓋層施加。以本發(fā)明人的知識(shí)，當(dāng)焊接超合金材料時(shí)，焊 劑材料沒有被使用。
[0006] 應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，由于其對(duì)焊接凝固裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋的敏感性，超合金材料是最 難焊接的材料之一。術(shù)語(yǔ)"超合金"在本文中被使用，因?yàn)樗潜绢I(lǐng)域通常使用的；即在高 溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐蠕變性的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。超合金通常包括高 的鎳或鈷含量。超合金的例子包括以商標(biāo)和品牌名：哈氏合金，鉻鎳鐵合金（例如IN738， IN792,IN939)，雷內(nèi)合金（例如ReneN5,Rene80,Renel42)，海恩斯合金，MarM，CM247 LC，C263,718，X-750，ECY768,282，X45，PWA1483 和CMSX(例如CMSX-4)單晶合金出售的 合金。
[0007] -些超合金材料的焊接修復(fù)已通過(guò)預(yù)熱材料到非常高的溫度（例如達(dá)高于 1600°F或870°C)，以便在修復(fù)過(guò)程中顯著增加材料的延展性被成功完成。這種技術(shù)被稱 為熱匣焊接或在升高溫度超合金焊接（SWET)的焊接修復(fù)，它通常使用手動(dòng)GTAW工藝完成。 然而，熱匣焊接受到保持均勻的部件處理表面溫度的困難和保持完整的惰性氣體保護(hù)的困 難，以及強(qiáng)加在于這種極端的溫度下在部件附近工作的操作者上的身體困難的限制。
[0008] -些超合金材料的焊接應(yīng)用可以使用冷卻板，以限制基底材料的加熱來(lái)進(jìn)行；從 而限制基底熱效應(yīng)的出現(xiàn)和引起裂紋問(wèn)題的應(yīng)力。然而，這種技術(shù)對(duì)于許多零件的幾何結(jié) 構(gòu)不便于使用冷卻板的修復(fù)應(yīng)用是不實(shí)際的。
[0009]圖6是一個(gè)常規(guī)的圖，其示出了作為其鋁和鈦含量的函數(shù)的各種合金的相對(duì)焊接 性。合金，諸如絡(luò)鎳鐵合金（Inconel· )IN718,具有相對(duì)較低的這些元素的濃度，并必然具 有相對(duì)較低的γ'含量，該合金被認(rèn)為是相對(duì)可焊接的，雖然這種焊接通常被限制于部件 的低應(yīng)力區(qū)域。合金，例如鉻鎳鐵合金ΙΝ939具有相對(duì)較高的這些元素的濃度，該合金通常 不被認(rèn)為是可焊接的，或僅能使用上面討論的特殊步驟被焊接，所述特殊步驟增加了材料 的溫度/延展性并使工藝的熱輸入最小化。虛線80表示焊接性區(qū)域的認(rèn)可的上邊界。線 80與豎直軸上的3wt%的鋁相交，與水平軸上6wt%的鈦相交。焊接性區(qū)域以外的合金被認(rèn) 為是使用已知工藝非常困難或不可能進(jìn)行焊接的，并且具有最高鋁含量的合金一般被發(fā)現(xiàn) 是最難以焊接的，如由箭頭所表示的。
[0010] 還已知的是，利用選擇性激光熔化（SLM)或選擇性激光燒結(jié)（SLS)將超合金粉末 顆粒的薄層熔化到超合金基底上。在激光加熱過(guò)程中，通過(guò)施加惰性氣體，例如氬氣，將熔 池從大氣屏蔽。這些工藝傾向于捕獲氧化物（例如鋁和鉻的氧化物），它們附著在沉積材料 層內(nèi)的顆粒表面上，造成多孔性、夾雜物，和與被捕獲的氧化物相關(guān)聯(lián)的其他缺陷。后處理 熱等靜壓（HIP)經(jīng)常被用來(lái)使這些空隙、夾雜物和裂紋坍塌，以便改善沉積涂層的特性。由 于預(yù)先放置的粉末的要求，這些方法的應(yīng)用還僅限于水平表面。
[0011] 激光微熔覆是有3D能力的過(guò)程，其通過(guò)使用激光束熔化朝向表面指引的粉末流 將小的、薄的材料層沉積到表面上。該粉末通過(guò)氣體噴射流朝向表面推進(jìn)，并且當(dāng)粉末是鋼 或合金材料時(shí)，氣體是從大氣中的氧氣屏蔽熔化合金的氬氣或其它惰性氣體。激光微熔覆 由其低沉積速率，例如在1至6立方厘米每小時(shí)的量級(jí)限制。此外，因?yàn)楸Ｗo(hù)氬氣屏蔽趨于 在熔覆材料被完全冷卻之前消散，表面氧化和氮化可能會(huì)發(fā)生在沉積表面上，當(dāng)多個(gè)熔覆 材料層是必需的以實(shí)現(xiàn)期望的熔覆厚度時(shí)，這是有問(wèn)題的。
[0012] 對(duì)于在非焊接性區(qū)域中的一些超合金材料，沒有已知的商業(yè)上可接受的焊接或修 復(fù)工藝。此外，由于新的和更高的合金含量的超合金持續(xù)被開發(fā)，開發(fā)用于超合金材料的商 業(yè)上可行的接合工藝所面臨的挑戰(zhàn)繼續(xù)增大。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 本發(fā)明鑒于附圖在下面的說(shuō)明書中進(jìn)行說(shuō)明，所述附圖示出：
[0014] 圖1示出了使用多層粉末的熔覆工藝。
[0015] 圖2示出了使用混合層粉末的熔覆工藝。
[0016] 圖3示出了使用有芯填充絲和冷金屬電弧焊焊槍的熔覆工藝。
[0017] 圖4示出了使用有芯填充絲和能量束的熔覆工藝。
[0018] 圖5不出了能量束的重疊模式。
[0019]圖6是現(xiàn)有技術(shù)的圖，其示出了各種超合金的相對(duì)焊接性。
[0020] 圖7示出了通過(guò)激光微熔覆工藝?yán)梅勰詈竸┎牧系某辖鹑鄹驳膽?yīng)用。
[0021] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的各方面的添加制造工藝的示意圖。
[0022] 圖9A示出了如本領(lǐng)域已知的損壞的燃?xì)廨啓C(jī)輪葉蜂窩狀密封件。
[0023] 圖9B示出了圖9A的蜂窩狀密封件，其中損壞部分被去除。
[0024] 圖9C示出了在已被修復(fù)之后，圖9A的蜂窩狀密封件。
[0025] 圖10是圖9C的修復(fù)的蜂窩狀密封件的局部側(cè)剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 應(yīng)當(dāng)注意，為了讀者的方便性。本文的圖1-5和7示出了本文描述的發(fā)明技術(shù)的 各個(gè)方面和應(yīng)用，并且以下的圖8,圖9A-9C和圖10的描述特別涉及到當(dāng)前要求保護(hù)的用于 超合金部件的修復(fù)的本發(fā)明的技術(shù)的使用。
[0027] 本發(fā)明人已開發(fā)了一種材料接合工藝，其可成功地用于熔覆、接合和修復(fù)最難以 焊接的超合金材料。雖然以前在焊接超合金材料時(shí)，焊劑材料未被使用，但是本發(fā)明的工 藝實(shí)施例在激光微熔覆過(guò)程期間，有利地施加粉末狀焊劑材料。粉末狀焊劑材料有效地提 供光束能量捕獲、雜質(zhì)清潔、大氣屏蔽、焊縫成形和冷卻溫度控制，以便實(shí)現(xiàn)超合金材料的 無(wú)裂紋接合，而無(wú)需高溫?zé)嵯缓附踊蚶鋮s板的使用或惰性保護(hù)氣體的使用。雖然本發(fā)明的 各種元件在焊接行業(yè)已被知悉幾十年，本發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)新地開發(fā)了用于超合金添加制造工 藝的組合步驟，其解決了用于這些材料的已知選擇性激光熔化和燒結(jié)工藝的長(zhǎng)期存在的限 制。
[0028] 圖1示出了超合金材料的熔覆層10在環(huán)境室溫下正被沉積在超合金基底材料12 上，而沒有基底材料12的任何預(yù)熱或冷卻板的使用的工藝?；撞牧?2例如可以形成燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的部分，并且在一些實(shí)施例中熔覆工藝可以是修復(fù)程序的部分。粒子粉 末層14被預(yù)置在基底12上，并且激光束16跨粉末層14穿過(guò)以熔化粉末并形成被熔渣層 18覆蓋的熔覆層10。熔覆層10和熔渣18由粉末層14形成，該粉末層包括由粉末狀焊劑 材料層22覆蓋的粉末狀合金材料層20。
[0029] 焊劑材料22和所得到的熔渣層18提供了許多有利于防止熔覆層