用于修理涡轮构件的方法与流程

本发明涉及燃气涡轮的技术。其涉及用于通过焊接来修理涡轮构件(特别是涡轮叶片)的方法。

现有技术

典型的燃气涡轮叶片(这种叶片10的示例在图1中示出)包括翼型件11，其从轴12在径向方向上延伸且结束于叶片末梢14。轴12下方是用于将叶片10安装在转子(未示出)的相应凹槽中的根部区段13(叶片的基座)。叶片末梢14的部分冠有顶板14'和缘(凹槽14'')。那些末梢特征通常称作凹槽状末梢且设计成使末梢泄露流尽可能小，当末梢腔用作冷却系统时保护叶片末梢免于高温泄露气体的完全冲击，且保护叶片不受偶然的摩擦。叶片末梢14的另外的特征是所谓的信孔15(细节见下文)。

燃气涡轮构件(诸如涡轮叶片)通常由镍基合金制成。此类合金的精密铸造广泛地用作基本成形技术过程。精密铸造具有一些典型的技术相关的限制，其必须早已在由此过程制造的构件的设计期间考虑。构件由精密铸造完成的用于可制造性的一些设计特征可能降低总体构件寿命，例如，具有这些设计要素，其具有对氧化寿命的负作用或导致降低的高周疲劳寿命或低周疲劳寿命。

典型示例是插入件、封闭板或信孔，它们封闭构件(这里是涡轮叶片)中的铸造相关的开口，以便确保正确的内部冷却通路。对于精密铸造，需要这些开口以用于陶瓷芯通过化学溶出/刻蚀过程的移除。在新部分制造过程链期间，这些开口(信孔)随后通过在封闭板中钎焊封闭。在服务期间，这些位置显著受损，且该部分在拆卸之后通常显示高度的损坏。

对于此构件的修复和第二寿命周期，原始设计的恢复是必要的。这目前包括钎焊的信孔的替换，但随后观察到高脱落率。

为了再钎焊新信孔，由于材料和机械完整性原因需要一定量的健康基材(这意思是没有已经受之前钎焊影响的材料)。此限制在修复期间导致一定的脱落率(碎屑)。例如，信孔上方的贯穿裂纹是此碎屑的原因。此外，需要信孔下方的一定壁厚的修理以便避免钎焊腐蚀，其也导致脱落。另外，电极在EDM(电火花加工)期间的错误定位也可能导致碎屑，例如在信孔未完全腐蚀掉、顶板太薄等的情况下。

除了描述的和众所周知的对涡轮末梢的再钎焊，也可能使用标准焊接策略以用于封闭构件，例如仅通过焊接填料封闭移除的信孔的铸造孔。但此方法造成非最佳内部几何结构且导致焊接相关的缺陷(像反吸和孔隙、焊接修理的气孔和裂纹)，其在对于机械完整性原因的可允许质量限制之外。

作为用于叶片末梢的封闭的现有技术解决方案，通常执行末梢帽焊接，如例如在文献EP2071124A2、WO2013/169747A1或WO2013/169754A1中描述的以及在图2a、图2b和图2c(主要从现有技术文献WO2013/169754A中取得)中示出的：

新封闭板或末梢帽48放置在之前研磨或加工的(修理表面46)叶片末梢(图2a)上方且在适当的位置焊接(图2b)，例如利用不同焊接填料。叶片相关的内腔34的封闭由封闭板/末梢帽48自身实现。根据图2c，完成的组件结构包括叶片自身，带有压力侧壁和吸力侧壁22、24，新末梢帽48和一个或若干焊接元件，例如焊接接头54、周边部分56和替换凹槽状末梢62。这是用于这种情况的典型修理途径，其中叶片末梢需要到其内腔34中的完全或部分开口(冷却空气侧)。

存在三个接合材料对接部(叶片、末梢帽和焊接)，其为不利条件，因为各个对接部通常是缺陷来源。缺点且因此是标准“末梢帽”途径的限制通常包括在图1c中标记“C”的区域中的显著焊接缺陷，且通常在叶片、焊接填料和末梢帽之间不充分结合。

现有技术中也已知将修理范围保持在内腔之外(受限的修理)。

利用更加塑性和兼容性的焊接填料的焊接或通过叶片、末梢帽和焊接填料之间的特殊几何结构增加接合长度可带来一些改进。但另外，对于叶片接近临界区域C的局部壁厚较低的情况，这从机械完整性观点可能不足够。

本发明的概要

本发明的目的是提供用于磨损构件(特别是燃气涡轮叶片)的修理的带有改进质量的有效方法。应达到最佳内部几何结构以及缺陷降低至仅可允许的程度。

根据独立权利要求1，用于修理精密铸造的涡轮叶片的方法包括以下步骤，涡轮叶片包括：带有压力侧和带有壁厚的吸力侧以及内部冷却通道的翼型件，具有带有顶板和凹槽以及至少一个信孔的末梢顶的末梢，信孔在新部分制造期间通过钎焊封闭，其中信孔区域在叶片的第一寿命周期中的操作期间损坏。

a)与合适的末梢顶一起移除损坏的信孔区域；然后

b)通过焊接将翼型件的压力侧和吸力侧堆积至足够高度；然后

c)CNC加工翼型件至顶板的底侧的高度；然后

d)电火花加工(EDM)焊接堆积的内部轮廓，其包括内腔的精确开口几何结构以用于封闭板的结合；然后

e)将精确配合的封闭板插入到步骤d)中加工的开口中且通过点焊固定封闭板；然后

f)基于需要的性质选择焊接填料且完全过焊封闭板，使得封闭板自身重熔且被吸收到主要由选择的焊接填料形成的液态焊池中，从而堆积顶板；然后

g)焊接凹槽状末梢；且最终

h)通过研磨恢复叶片的内部轮廓和外部轮廓。

本申请的核心是将封闭板放置到叶片开口的腔中，而不是将其放置在加工水平上方。在最终组件结构中，此封闭板不用作叶片的封闭元件，但其仅为随后的过焊过程的过程辅助。

封闭板具有焊池固定的功能，避免在临界区域“C”中液态焊池凝固带有显著几何结构缺陷(称作“反吸”或“底切”)。封闭板自身重熔且被吸收到主要由选择的焊接填料形成的液态焊池中。焊接之后，叶片的封闭通过焊接自身而不是通过任何“外来”末梢帽实现。作为优点，这允许将接合材料对接部的数目从三个(叶片、末梢帽和焊接)限制为两个(叶片和焊接，包括熔化的封闭板)。因为各个对接部通常是缺陷来源，这是优于标准现有技术过程的显著进步。

在优选的实施例中，步骤a)中的移除包括将损坏的信孔区域完全加工或研磨掉，包括来自新部分制造的钎焊影响区域以及来自叶片的第一寿命周期期间的操作的局部损坏。切除部的深度优选达到现在的信孔下方5mm，且用于切除部的开口角度在带有半径R3的100°到120°的范围中。

在一个实施例中，步骤b)中的堆积包括沿堆积带有增加壁厚的压力侧壁和吸力侧壁的焊接堆积，使得步骤e)中点焊的封闭板的水平处的壁厚相比步骤a)中加工/研磨的叶片的水平处较高。在将壁厚从之前服务的厚度加厚至等于在此区域新产生设计标称壁厚的2倍的厚度的情况下其是有利的，因为然后可达到临界区域“C”朝叶片的中间的移位，其意味着远离负载承受侧壁。这具有的优点在于，封闭板的尺寸缩小(对焊池有受限的影响)，且叶片和凹槽状末梢之间的结合的质量通过减少焊接缺陷而增加。

其它优选的实施例在另外的从属权利要求中描述，例如，当带有用于激光束的光学扫描器的自动激光焊接用于在过程期间调节焊道厚度且因此焊接堆积的局部壁厚时，修理的构件具有极高的质量且因此长久的第二寿命。

附图的简要描述

现在将借助于不同的实施例且参照附图来更加仔细地阐释本发明。

图1在透视图中示出了典型燃气涡轮叶片的照片；

图2a至图2c示出了用于根据现有技术的叶片末梢的封闭(末梢帽焊接)的若干步骤；

图3示出了本发明的步骤a)之后的带有移除的信孔和周围材料(由图中的圈识别)的之前服务的燃气涡轮叶片的照片；

图4示意性示出了带有设计用于焊接的内部轮廓的更好控制的量规的叶片的末梢；

图5a至图5b示意性示出了翼型件侧壁中的一个通过焊接的堆积的实施例，带有本发明的步骤b)之后的壁厚的增加；

图6示出了本发明的步骤c)之后的翼型件的照片；

图7示出了本发明的步骤e)和f)之后带有利用插入的精确配合的封闭板、点焊板和完全过焊板以用于封闭腔的若干步骤的照片。

本发明的不同实施例的详细描述

在优选实施例的以下详细描述中，对附图进行了参照，附图形成其一部分且通过图示示出，且不作为限制。将理解的是，可使用其它实施例且可作出改变而不脱离本发明的范围。

作为示例，申请人的GT13E2叶片1(精密铸造的新叶片10)具有两个信孔15(在带有末梢顶的末梢区域14中)，其封闭铸造相关的铸孔。在服务期间，这些位置显著受损，且该部分在拆卸之后通常显示高度的损坏。

对于这种构件的修复和第二寿命周期，迄今进行了原始设计的恢复(包括钎焊的信孔15的替换)，其引起相对高的脱落率。根据本发明的主要观点，在修复期间不恢复原始精密铸造驱动的信孔15的设计特征，而是完全地移除且由特定焊接结构替换。

根据独立权利要求1，用于修理该精密铸造的涡轮叶片10的公开的方法包括以下步骤：

a)与合适的末梢顶14'一起移除损坏的信孔15区域；然后

b)通过焊接将翼型件11的压力侧和吸力侧22、24堆积至足够高度；然后

c)CNC加工翼型件11至顶板14'的底侧的高度；然后

d)电火花加工(EDM)焊接堆积的内部轮廓，其包括内腔34的精确开口几何结构以用于封闭板16的结合；然后

e)将精确配合的封闭板16插入到步骤d)中加工的开口中且通过点焊固定封闭板16；然后

f)基于需要的性质选择焊接填料54且完全过焊封闭板，使得封闭板16自身重熔且被吸收到主要由选择的焊接填料54形成的液态焊池中，从而堆积顶板14'；然后

g)焊接末梢14的凹槽14''；且最终

h)通过研磨恢复叶片10的内部轮廓和外部轮廓。

通过将损坏的信孔15区域完全研磨掉，移除来自第一寿命周期的操作局部损坏区域以及来自新部分制造的钎焊影响区域(见图3)。在优选的实施例中，切除部的深度达到原始信孔15下方5mm，且用于切除部的开口角度为带有半径R3的100°到120°。

第一步骤之后，翼型件11在压力侧24和吸力侧22(以及此实施例中的中间壁)处焊接堆积。在本实施例中，焊接堆积利用沿堆积的增加壁厚w实现。可有利地使用设计用于焊接的内部轮廓的更好控制的量规(见图4)。

封闭板水平下方的局部壁从值w1(其为研磨/加工的叶片的局部壁厚)到较高值w2(在封闭板16的水平处)的加厚使其可能将临界区域“C”(见图5)朝叶片10的中间移位，因此远离负载承受侧壁。一方面，现在有可能缩小封闭板16的尺寸(对焊池有受限的影响)，且在另一方面，叶片10和上方的凹槽状末梢14之间的结合的质量通过减少焊接缺陷而增加。优选的是，将壁厚从之前服务的厚度加厚至等于此区域中新产生设计标称壁厚的2倍的厚度。

步骤b)之后，其意思是在将翼型件侧22、24焊接至足够高度之后，将构件CNC加工至顶板14'的底侧的高度。CNC研磨的正确高度确保正确的局部壁厚w、正确的重量分布且因此用于顶末梢14的正确的负载情况(图6)。

然后，电火花加工焊接堆积的内部轮廓，其包括内腔34的精确开口几何结构以用于随后的封闭板16的结合。通过这样做，可为了机械完整性原因而控制焊接填料54(重量=负载)的量以及焊接堆积的内部轮廓。正确的内部轮廓可通过EDM电极的形状保证。

下一步骤是关键的-优选地通过激光或水射流切割生产的精确配合的封闭板16点焊到由EDM过程产生的腔34中(见图7a和图7b)且之后整个封闭板16过焊(见图7c)。在封闭焊接过程期间，此封闭板16作用为焊池固定，保证稳定的焊池且因此包括焊接的内部几何结构的受控的总体焊接过程。这具有的优点是，诸如像几何结构的反吸、内部几何结构的边缘处的尖缺口和/或裂纹的典型焊接缺陷最大限度减少。

用于封闭板16的材料有利地为哈司特镍合金(Hastelloy)X、Haynes 230或类似的镍基超合金。封闭板16的厚度优选为1.0到1.8mm。封闭板16的尺寸对于各个构件优化。

相对于外部翼型件几何结构，存在优选的2.0到4.0mm的向内移位。封闭板16和叶片的加工部分之间的对接部设计在优选的实施例中“抵靠配合”(见图5a)或作为备选设计带有架(见图5a)。使用优化用于高强度、高抗氧化性或高焊接性的若干不同焊接填料材料中的一者或组合是有利的。

可实现相比于顶板14'或凹槽14''末梢焊接带有不同性质的缓冲焊接。这取决于修理的构件和其损坏模式。

焊接过程通过手动或自动的TIG(钨极惰性气体)焊接、MAG(金属活性气体)焊接或激光焊接(LMF-激光金属成形)实现。优选的是包括用于激光束的光学扫描器的自动激光焊接，带有在过程期间调节焊道厚度且因此焊接堆积的局部壁厚的可能性。

过焊完整的封闭板16之后，凹槽状末梢14'、14''另外根据现有技术焊接。最终，叶片10的内部(末梢腔)和外部(翼型件)轮廓通过研磨恢复，完成构件的修理。

公开的焊接修理嵌入在包括恢复冷却特征、再钻冷却孔、再涂布等的总体过程链中。

当然，公开的过程不限于描述的实施例。其可用于其中在修理期间必须封闭腔的所有构件。

参考标号的清单

10 叶片，涡轮叶片

11 翼型件

12 轴

13 基座

14 叶片末梢

14' 顶板

14'' 凹槽

15 信孔

16 封闭板

18 翼型件外壁

22 压力侧壁

24 吸力侧壁

34 内腔

46 修理表面

48 封闭板/末梢帽

54 焊接接头(焊接填料)

56 周边部分

62 替换凹槽状部分

w 壁厚

w1 加工的叶片的水平处的壁厚

w2 焊接的封闭板的水平处的壁厚。