利用部件支撐的填料對基底的修復(fù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常涉及金屬接合的領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于使用激光熱源沉積金屬 的過程。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接過程取決于被焊接的材料的類型而顯著地變化。一些材料在各種條件下更 容易被焊接，而其它材料需要特殊過程以便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)良好的接合而不劣化周圍的基底材 料。
[0003] 普通的電弧焊接通常利用自耗電極作為供給材料。為了從針對焊接熔池中的熔融 材料的大氣（atmosphere)提供保護，惰性覆蓋氣體或者焊劑材料可以在焊接許多合金時 被使用，該許多合金例如包括鋼、不銹鋼以及鎳基合金。惰性和組合的惰性和活性氣體的過 程包括氣體鎢電弧焊（GTAW)(也稱為鎢惰性氣體（TIG))和氣體金屬電弧焊（GMAW)(也稱 為金屬惰性氣體（MIG)和金屬活性氣體（MAG))。焊劑保護的過程包括通常饋送有焊劑的埋 弧焊（SAW)，焊劑包括在電極的芯中的藥芯焊絲電弧焊（FCAW)，以及焊劑被涂布在填料電 極外部上的屏蔽金屬電弧焊（SMAW)。
[0004] 利用能量束作為熱源進行焊接也是已知的。例如，激光能量已經(jīng)被用于將預(yù)放置 的不銹鋼粉末熔化到碳鋼基底上，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，或者作為單獨的覆蓋層施加。以本發(fā)明人的知識，當(dāng)焊接超合金材料時并 未使用焊劑材料。
[0005] 已認(rèn)識到的是，由于超合金材料易受到焊接凝固開裂和應(yīng)變時效開裂的影響， 超合金材料是最難焊接的材料之一。術(shù)語"超合金"在本文中使用，因為它在本領(lǐng)域中被 普遍使用；即，在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度和耐蠕變的高度抗腐蝕和抗氧化的合金。 超合金通常包含高鎳或鈷含量。超合金的示例包括以下列商標(biāo)和品牌名稱銷售的合金： Hastelloy,Inconel合金（例如，IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如，ReneN5、 1^1^80、1^116 142)、他71168合金、]\&^]\1、〇1 247、〇1 2471^：、〇263、718、父-750^〇￥ 768、 282、X45、PWA1483 和CMSX(例如，CMSX-4)單晶合金。
[0006] 通過將材料預(yù)加熱到非常高的溫度（例如，到高于1600 °F或870°C)以便于在修 復(fù)期間顯著地增加材料的延展性已成功完成一些超合金材料的焊接修復(fù)。該技術(shù)被稱為在 升高的溫度下的熱箱焊接或超合金焊接（SWET)焊接修復(fù)，并且其通常使用手動GTAW過程 被完成。然而，熱箱焊接被維持均勻的部件過程表面溫度的困難和維持完全的惰性氣體屏 蔽的困難而限制，并且也被施加在于這樣高的溫度的部件附近工作的操作者的物理困難而 限制。
[0007] -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而被執(zhí)行；從 而限制致使開裂問題的基底熱影響和應(yīng)力的發(fā)生。然而，該技術(shù)對于部件的幾何形狀不便 于使用冷卻板的許多修復(fù)應(yīng)用而言是不實際的。
[0008]圖11是圖示了作為其鋁和鈦含量的函數(shù)的各種合金的相對焊接性的常規(guī) 圖。諸如具有這些元素相對較低的濃度以及必然相對較低的γ'（gammaprime)含量的inconel? 718之類的合金被認(rèn)為是相對可焊的，雖然這樣的焊接通常被限制為部件的低 應(yīng)力區(qū)域。諸如具有這些元素相對較高的濃度的丨nconel? 939之類的合金通常不被認(rèn)為 是可焊的，或者僅可以利用以上討論的增大材料的溫度/延展性并且最小化過程的熱量輸 入的特殊過程被焊接。為了本文的討論目的，虛線80指示了介于在線80以下的可焊區(qū)與 在線80以上的非可焊區(qū)之間的邊界。線80在垂直軸線上相交于3wt% (重量百分比）鋁 并且在水平軸線上相交于6wt%鈦。在非可焊區(qū)以內(nèi)，具有最高鋁含量的合金通常被發(fā)現(xiàn)是 最難焊接的。
[0009] 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)以將合金粉末顆 粒的薄層熔化到合金基底上。熔池在激光加熱期間通過施加諸如氬氣之類的惰性氣體從大 氣中屏蔽。這些過程通常在"全浸浴"室中被執(zhí)行，在其中待被修復(fù)的部件浸沒在填充該室 的粉墨金屬中。相應(yīng)地，需要大量的未消耗的粉末金屬合金，其可以極為昂貴。這樣的過程 尚未被成功應(yīng)用到超合金。
[0010] 對于一些在非可焊區(qū)中的超合金材料而言，沒有已知的可接受的焊接或修復(fù)過 程。此外，由于新的和更高的合金含量超合金繼續(xù)被發(fā)展，針對超合金材料開發(fā)商業(yè)上可行 的接合過程的挑戰(zhàn)繼續(xù)增長。
【附圖說明】
[0011] 本發(fā)明根據(jù)附圖在以下描述中進行解釋，該附圖示出了：
[0012] 圖1是渦輪機的渦輪或葉片的機翼的頂剖面圖。
[0013]圖2是被配置用于使用可熔填充材料修復(fù)基底的受損區(qū)域的基底的示意性剖面 圖。
[0014]圖3是圖2的基底的示意性剖面圖，包括被引導(dǎo)在修復(fù)開口以熔融粉末填充材料 的激光能量束。
[0015]圖4是被配置用于修復(fù)的基底的示意性剖面圖，包括在修復(fù)開口處的粉末填充材 料上的一層焊劑材料并且示出了在修復(fù)沉積層上形成的熔渣層。
[0016]圖5是被配置用于修復(fù)的基底的示意性圖示，包括粉末填充材料，其具有粉末金 屬合金與粉末焊劑材料的混合。
[0017]圖6A是機翼的示意性剖面圖，其中插入件支撐修復(fù)開口中的粉末填充材料。
[0018]圖6B是沿著圖6A的線6B-6B所取的具有插入件和填充材料的機翼的剖面圖。
[0019] 圖7A至7C是被配置用于修復(fù)的基底受損區(qū)域的示意性頂視圖以及激光能量束根 據(jù)修復(fù)開口的幾何形狀而改變的示意性表示。
[0020] 圖8A至8C是被配置用于修復(fù)的基底受損區(qū)域的示意性頂視圖，包括在基底上并 且環(huán)繞修復(fù)開口的掩膜。
[0021 ] 圖9圖不了能量束重置圖案。
[0022] 圖10是包括修復(fù)金屬基底的方法中的步驟的流程圖。
[0023] 圖11是圖示了各種超合金的相對焊接性的現(xiàn)有技術(shù)示圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出使用可以被加熱、熔融及固化的粉末填充材料修復(fù)部件的基 底的過程或方法。該方法利用包括內(nèi)部腔的部件的特征。更具體地，基底上的受損區(qū)域被識 別及移除以形成與部件的內(nèi)部腔相鄰的修復(fù)開口。填充材料隨后在修復(fù)開口中被支撐。在 實施例中，內(nèi)部腔被填充有可熔融填充材料，其優(yōu)選包含大致匹配基底的金屬合金組分的 粉末金屬合金，其中腔以內(nèi)的填充材料的底在修復(fù)開口處或在修復(fù)開口中支撐填充材料。 可替代地，插入件可以被放置在腔以內(nèi)以在修復(fù)開口處或在修復(fù)開口中支撐填充材料。在 實施例中，能量束橫越包括粉末填充材料的修復(fù)開口，熔融填充材料至對應(yīng)于基底的厚度 的深度。因為填充材料移位腔中的任何空氣并且因為填充材料可以包含粉末屏蔽焊劑以及 粉末金屬，本發(fā)明的實施例消除背面屏蔽，并且僅有填充材料的外部屏蔽是需要的。通過示 例的方式，粉末焊劑的層可以在修復(fù)開口處被設(shè)置在填充材料上或與粉末金屬合金混合以 在加熱期間產(chǎn)生熔渣層以在修復(fù)期間保護金屬修復(fù)沉積層不受大氣影響。可替代地，修復(fù) 可以在室中進行并且惰性氣體可以被引入到部件的外部或者真空被生成。
[0025] 相對于圖1