[发明专利]用于修复单晶材料的方法

说明书

本发明涉及用涂层材料涂覆包含单晶合金的零部件的单晶基底表面的方法，其中将待涂覆表面抛光，然后将基底转移到真空室中。在那里将整个基底从外部加热到至少相当于基底熔融温度（以℃为单位）一半的温度，但低于该基底熔融温度。然后借助于真空等离子喷涂将涂层材料以粉末形式施加到待涂覆表面上，其中使用平均粒径为10至100μm的粉末。工作压力在1到200 mbar之间，并且使用氩气/氢气混合物作为工作气体。由此由此直接在涂层材料和抛光的基底表面的界面处产生至少一个区域，该区域具有与位于其下的基底相同的单晶定向取向。

本发明涉及金属和合金领域，特别涉及镍合金领域。本发明尤其涉及用于修复单晶材料的方法，所述单晶材料经常用于承受高温的零部件，例如固定式燃气轮机或航空涡轮机的叶片。

背景技术

由文献中已知，通过定向凝固和特别的铸造工艺来制造固定式燃气轮机和/或航空涡轮机的单晶叶片是非常昂贵且复杂的。在此，在零部件中产生的微观结构的取向沿着轴向应力的方向进行。叶片在运行中通常暴露于高的热负荷并且也暴露于腐蚀性气氛，由此其强烈地磨损。

因此，例如，对于修复而非重新制造单晶涡轮叶片的兴趣非常大。为此，也已经由现有技术已知一些修复方法，其中在那里区分为用于通过热喷涂方法修复例如涡轮叶片的方法、此外使用焊接和激光熔覆的修复方法以及最后在热喷涂方法期间进行陶瓷材料的取向附生的方法。

因此，由Kazuhoro等人^[1]已知一种方法，用该方法可以修复有缺陷的涡轮叶片。然而，在此在单晶基底上没有发生取向附生，因此结果产生了多晶微观结构，该多晶微观结构通常不具有原始基底的机械特性。

此外，在US 5,732,467 A1中描述了一种用于修复零部件外表面中的裂纹的方法，该零部件具有超级合金，所述超级合金具有方向定向的微观结构。那里描述的方法通过使用高速氧燃料法(在此也称为HVOF)涂覆有缺陷的区域，然后热等静压制相应的零部件，来涂覆并密封定向凝固且单晶的结构的外表面。在此，意在形成无裂纹的经修复的区域，而不会不利地影响其余零部件的单晶微观结构。然而，在这种情况下，在修复区域中也产生多晶微观结构，其具有上述的缺点。

此外，由现有技术已知Boris Rottwinkel等人^[2]的焊接方法，其中为了修复在单晶零部件例如涡轮叶片的尖端区域下方的裂纹，为节省时间和材料提供了断裂点，以便首先消除所涉及的受损区域。断裂点必须是是合适的，以便能够被焊接，并且以便同时能够实现与其余材料具有相同的取向的新施加的材料的定向方向。为此，需要促进定向取向（Orientierungsausrichtung）的温度梯度。由于其特别的工艺参数，如小的局部能量输入和受控的材料输入，在此描述的激光束堆焊原则上是一种合适的方法，以便相应地焊接这样的断裂点。然而，对于该方法的挑战在于，实现完美的单晶的、无裂纹的区域，因为通过小的不稳定的能量分布通常已经仅能够产生多晶区域。

由Henderson等人^[3]已知用于工业制造燃气轮机的自动焊接方法。高合金化的镍合金的焊接非常复杂，并且经常仅能非常困难地令人满意地应用。在用于修复叶轮的焊接尝试中，例如使用特别的合金线来填充。随后是标准加热-和老化程序，但是在其中出现微裂纹。

为了修复单晶材料的损伤，如其例如出现在燃气轮机的叶片或翼面中，同样提出了一种焊接方法^[3]。在通过激光束堆焊（英语Laser Metall Forming（激光金属成型）(LMF)或Laser Cladding（激光熔覆））修复的情况中，原则上可以在单晶基底上产生单晶结构。该方法的特征在于在构建期间最小的热量输入到零部件中，从而防止单晶材料的进一步裂纹或再结晶。

此外，借助于该方法，能够保持单晶的初始材料的定向直至越过界面进入到新施加的材料中。优化的工艺参数此外可以导致单晶基底上的一致的取向附生，例如其中在焊接区中的温度梯度和凝固速度之间的比率高于材料依赖性的阈值。