[发明专利]使用复合填料粉末的高温合金的包覆和熔焊的方法

说明书

发明领域

本发明涉及熔焊和用于熔焊的填充材料，并且利用钨极惰性气体保护焊(GTAW)、激光束焊(LBW)、电子束焊(EBW)、等离子焊(PAW)和微束等离子焊(MPW)的手动和自动焊接，该填充材料可用于制造和修补由镍、钴和铁基高温合金制成的涡轮发动机组件。

发明背景

本发明涉及熔焊并且可以利用熔焊方法来用于连接、制造和修补由常规多晶、单晶和定向凝固的高温合金制造的制品，特别是涡轮发动机组件。

在熔焊中，两个或多个制品之间的结合或连接是通过在引入或不引入填充材料的情况下熔化基材、接着冷却并结晶焊池来进行的。熔焊可以产生在广泛的温度和条件下与该基材的性能相等的性能。然而，凝固和残余应力的留存往往导致裂纹，难以焊接Inconel 713、Inconel738、Rene 77、Rene 80、CMSX-4、Rene N4以及具有低延展性的其它高温合金。

钎焊(brazing)可以产生无裂纹接缝，因为其不需要熔化基材以获得接合。钎焊是通过仅将钎焊材料熔化和凝固而进行的。然而，在高温下，钎焊接缝的机械性能通常比基材的机械性能低50-75％。

由大部分镍和钴钎焊材料制成的钎焊接缝的不良机械性能不允许大尺寸修复涡轮叶片和其它发动机组件。

因此，尽管有裂纹倾向，但是焊接往往比钎焊更常用于制造和修补不同的制品，包括涡轮发动机组件。

例如，按照WO2009012747，涡轮叶片的修补是通过去除叶片的受损部分、随后通过使用激光束焊(LBW)(也称为使用粉末填充材料的包覆)的焊缝熔敷来重建被去除的部分而完成的。

EU102004002551所公开的方法包括去除受损材料，对修补区域进行激光粉末沉积以及机械加工，从而获得所需的外形。

在US专利6269540中描述了类似的方法。其包括使用相对于修补的表面移动的激光束和供给到该表面的填充材料、以激光束熔化一薄层的金属基底并且填充材料在叶片表面上形成熔融的金属的方式进行包覆。重复此过程，直到所期望的叶片部分被完全修复。

由镍和钴基沉淀硬化和定向凝固的高温合金制造的低延展性涡轮叶片在焊接和热处理过程中极易产生裂纹。

因此，根据US5897801，为了在熔焊过程中避免裂纹，由具有低延展性的材料制成的涡轮叶片在焊接之前被预热至1800°F至2100°F的温度。通过在预选区域中引弧以局部熔化母体材料，提供具有与制品的镍基高温合金相同组成的填充金属，并且将填充金属供给入电弧，电弧导致熔化并且后者与母体材料熔合，一旦凝固则形成焊缝熔敷，从而完成焊接。

在高温下焊接的类似方法用于US6659332所公开的方法中。制品通过去除存在于缺陷区域的受损材料、随后在含有保护气体的室中将制品预热至基材固相线温度的60-98％的温度而进行修补。

为了使叶片中由于在熔焊过程中施用大量热能而产生的焊接应力最小化，根据CA1207137所述的方法，使叶片在焊接修补之前经历受控加热并且在焊接修补之后控制冷却。

涡轮叶片的预热增加了修补成本，并且不能保证无裂纹焊缝，这归因于使用沉淀硬化的高温合金制备的组件的低延展性。

US2010221567的直接金属激光烧结方法包括以下步骤：至少向一部分制品施用熔化温度低于基底熔化温度的包覆材料，并且将该包覆材料加热至超过液相线温度的温度，以使表面湿润并在随后的冷却和凝固过程中形成固体化合物。为了防止氧化，该方法是在真空或保护气氛下进行的。该方法基于在US6454885、US6383312、US6454885、US8123105和其它现有技术所述的高温钎焊工艺，因此也有类似的缺点。

该方法的主要劣势是在改变焊珠的几何形状的焊后固溶或恢复热处理过程中钎焊被覆熔接的完全再熔化，将修补区域的尺寸局限于单一焊接通道。

另外，由于实验发现在焊后状态下，使用具有高含量的诸如B和Si的熔点抑制剂的Ni和Co基钎焊材料产生的焊缝很容易出现大量裂纹，因此不适于在“焊后”状态下使用。