[发明专利]激光熔覆系统填料分布装置

说明书

对相关申请的引用

本申请通过引用结合与其同时提交的标题为“SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSATION(采用表面拓扑能量传递补偿的高温合金激光熔覆)”的美国发明专利申请13/611,034(代理机构案号2012P09110US)。

技术领域

本发明涉及激光熔覆高温合金部件，例如性能劣化的涡轮机轮叶和导叶。更具体地说，本发明的方法涉及沿连续焊接平移路径把一个或多个填料层焊接到基底上。填料(例如金属粉末)通过具有直线形或多边形散布孔阵列的填料分布装置在基底上以某个模式引入，以实现在激光束沿连续焊接平移路径向基底传递光能之前或该过程中均匀布料。

背景技术

通常认为，燃气轮机或其它高温合金部件的“结构”修理是使用相配的合金材料替换受损的材料，并获得接近于原始制造部件规格的特性，例如强度(例如，极限抗拉强度至少达到原始规格的百分之七十)。例如，优选在已出现表面裂纹的涡轮机轮叶上进行结构修理，从而降低进一步开裂的危险，并把轮叶恢复至原始材料的结构和尺寸规格。

对于用于制造涡轮机部件(例如涡轮机轮叶)的镍基和钴基高温合金材料，由于成品轮叶材料的冶金特性，修理起来很困难。成品涡轮机轮叶合金通常在铸造后热处理过程中进行过强化，这使得难以对它们进行后续的结构焊接。例如，具有超过6％的铝或钛总含量的高温合金(例如CM247合金)与铝-钛含量较低的X-750高温合金相比在经受高温焊接时更易产生应变时效裂纹。

当前用于高温合金制造或修理的焊接过程通常涉及与施焊准备区邻接的基底的显著熔化，以及焊条或增加的其它填料的完全熔化。当使用由相同或相似合金构成的填充金属对由这种材料制造的轮叶进行焊接时，在意图恢复高温合金的原始强度和把其它材料特性恢复到与新部件相当的水平的后续热处理过程中，轮叶易在焊缝内和焊缝附近出现凝固裂纹(又名液化裂纹)和/或应变时效裂缝(又名再热裂纹)。

一种意图熔化高温合金填充金属而又不会给下层高温合金基底造成热损害的已知高温合金接合和修理方法是激光束焊接，又名激光束微熔覆。与高温合金基底材料相容或相同的高温合金填充金属(常常是粉末填料)在焊接前预先放到基底表面上，或者在熔覆过程中通过加压气体喷到表面上。固定激光器(即，除了相对平移外，在激光束应用过程中，激光器和基底具有固定的相对方位)产生的聚焦激光光能的“光斑”区液化填充金属，并充分加热基底表面，以促进填料和基底材料的良好结合，该结合层随后凝固为基底表面上的熔覆沉积层。与其它已知的传统焊接过程相比，激光束微熔覆是一个低热输入过程，对基底的熔化和快速凝固的控制较好，这能降低导致上述的凝固裂纹的倾向。激光焊接/熔覆过程中对高温合金基底的较低热输入还能最大限度地减少残余应力，这种残余应力易导致上述的焊后热处理应变时效裂纹。虽然激光熔覆焊缝与通过传统手段形成的焊缝相比具有结构优点，但是实际的制造和修理情况需要很大的覆层表面积和/或大量覆盖，而这是通过任何单次熔覆沉积材料所不能填满的。

为了满足为高温合金部件增加体量的需求，基底上的激光熔覆沉积层可由相邻凝固熔覆道次的一维或二维阵列构成。可应用多个激光焊接覆层道次和焊层，以构造表面尺寸体量。产生激光熔覆沉积层的阵列常常导致在沉积材料和热影响区的下层基底材料中形成微裂纹和缺陷。某些缺陷与局部激光光能热输入不足时常见的未熔合(LoF)有关。基底(例如涡轮机轮叶)常常需要使用同等数量的高温合金填料对缺失的轮叶基底材料量进行结构修理，以恢复轮叶的原始结构尺寸。在已知的激光熔覆技术中，使用独立应用的激光熔覆沉积带或道次的二维填料焊缝阵列来填充缺失的基底体量。与一系列毗连并交叠的凸点或焊点类似的是，在形成一片沉积物之后，激光束焦点位置和基底表面彼此相对移动，以焊接下一片沉积物。采用已知的多维填料沉积设备，在基底表面上预置一层填料颗粒(常常为粉末形式)，或者通过压缩气体进料喷嘴在激光“光斑”投射位置喷射一层填料颗粒。虽然美国专利公布文件2010/0078411说明了一种经由单个喷嘴分布熔覆填料粉末的机械螺旋进料式粉末供料筒，但是对于多维填料分布应用，其单点布料效果不太理想。