[发明专利]超耐热合金部件的螺柱焊接修复

说明书

技术领域

本发明涉及在制造或修复期间连接先进的超耐热合金部件。在一些实施例中，本发明涉及使用固定到要修复基底的螺柱(stud)，通过电弧加热螺柱和基底以熔化它们的表面然后在压力下将螺柱驱动进基底中，以不会明显降低所连接部件的机械结构或材料属性的方式来表面修复蒸汽或燃气轮机中的超耐热合金涡轮叶片和轮叶。

背景技术

燃气轮机或其它超耐热合金部件的“结构”修复一般被认为是用匹配的合金材料更换受损材料，并获得与原始制造部件规格(例如，原始规格的至少70％极限抗张强度)相近的属性(比如强度)。例如，优选地对经受表面裂纹的涡轮叶片执行结构修复，使得减少进一步破裂的风险，并且使叶片恢复原始材料结构和尺寸规格。

由于成品叶片材料的冶金属性，对用于制造涡轮部件(比如铸造涡轮部件)的镍和钴基超耐热合金材料的结构修复或重新制作是有挑战性的。例如，具有多于6％聚合铝或钛含量的超耐热合金(比如CM247合金)在受到高温焊接时比低铝-钛含量的X-750合金更易受到应变时效裂纹的影响。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理期间加强，这使它们难以执行随后的结构焊接。当前使用的用于超耐热合金结构制作或修复的焊接工艺通常涉及在焊接准备之后基本上熔化基底以及完全熔化焊接杆或添加的其它填充材料。当用具有相同或类似合金的填充金属焊接由这种材料构成的叶片时，叶片在随后热处理工艺期间易受到焊缝内或附近的凝固(又名熔析)裂纹和/或应变时效(又名再热)裂纹的影响，随后热处理工艺意在使超耐热合金恢复原始强度和与新部件相当的其它材料属性。

在热阻连接设备中通过使电流在压缩电极之间通入一对抵接的超耐热合金部件中来执行超耐热合金的传统“点”电阻焊接的过去尝试也会导致焊接区域内的凝固裂纹。替代的超耐热合金焊接工艺(包括利用冷淬夹具的激光微熔覆、在所谓“热”箱中在高温下焊接和惯性摩擦焊接)仍可导致焊接后热处理应变时效裂纹。其它摩擦焊接工艺(比如搅拌摩擦焊接)可降低超耐热合金裂纹倾向，但是所使用的焊接设备具有比较有限的寿命。当由超耐热合金材料构成的分离部件通过焊接工艺连接起来时，相同的裂纹问题发生在超耐热合金部件制作期间。

鉴于超耐热合金结构修复焊接的缺点，商业上可接受的方案通常仅仅是抛弃需要结构修复的受损涡轮叶片，因为过去的经验已表明，这种结构修复成功有限。因此，修复仅限于那些在过去被证明通过上述替代的超耐合金焊接工艺或通过盖面焊(使用结构强度降低的更有延伸性的焊接填充材料)可成功执行的修复。

因此，本领域中需要一种在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，使得可以连接亚部件，或者可以修复那些结构裂纹或其它表面缺陷。

本领域中还需要增加对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面进行结构修复的成功率，使得可以降低受损叶片废弃率。

本领域中又需要一种利用已被证明的可重复修复技术和机器在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。

发明内容

相应地，本发明之目的是对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面执行结构连接或修复，使得可以连接部件，或者可以修复结构裂纹和其它表面缺陷。

本发明的另一目的是增加成功执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构修复的可能性，使得可以降低受损部件废弃率。

本发明的又一目的是利用已被证明的可重复修复技术和机器执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构制造或修复，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。

这些和其它目的根据本发明实施例通过结构连接超耐热部件或者修复比如涡轮叶片或轮叶的超耐热材料部件中的缺陷来实现。超耐热合金部件通过沿接触表面匹配形成在一个部件基底中的凹槽与形成在另一部件中的对应突起并利用螺柱焊接设备将它们焊接在一起来连接或修复。匹配的超耐热合金修复螺柱形成有螺柱突起，其轮廓沿对应的接触表面符合基底凹槽轮廓。螺柱和基底两者联接到螺柱焊接设备，螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流通过螺柱突起和凹槽之前，并在其间形成电弧，以熔化它们彼此的相对表面。熔化的螺柱突起和基底凹槽的相对表面通过螺柱焊接设备彼此按压接触，其间形成焊缝。