用于修复服役运转燃气涡轮机部件的预烧结的预成形坯的制作方法

本公开涉及超合金部件的修复，并且特别地涉及预烧结的预成形坯(pre-sinteredpreforms)及其使用方法，其提供了相对于已知结构和方法具有改善的抗氧化性和较少的材料损耗的施加到超合金部件的粘结层(bondcoat)。

背景技术：

燃气涡轮机在本领域中是公知的。在燃气涡轮机领域中的持续追求是提高燃气涡轮机循环的热效率。实现了这一点的一种方式是通过开发越来越耐热的材料，或能够在高温下经时保持其结构完整性的材料。为此，燃气涡轮发动机的热气通路(hotgaspath)部件通常由超合金材料形成。本文所用的术语“超合金”如同其在本领域中通常使用的那样是指在高温(例如，＞1000℃)下表现出优异的机械强度和抗蠕变性的高度抗腐蚀和抗氧化的合金。

尽管在材料方面有所改进，但为了提高发动机效率而驱使燃气涡轮机的运行温度甚至更高的推力还导致将保护覆层(protectivecoating)施加到部件表面。在一些情况下，该保护覆层包括抗氧化金属粘结层(例如，如本领域中已知的mcraly合金)和绝热热障涂层(thermalbarriercoating,tbc)。在这样的情况下，粘结层进一步改善了tbc对部件表面的附着性。在其它情况下，保护覆层仅包括粘结层，其可经施加以向部件提供具有一定程度的热保护的抗氧化覆层。在任一情况下，目前的粘结层施加技术的特征在于在部件的服役寿命期间粘结层的持续损失和/或有限的厚度。例如，已经发现热喷涂的粘结层仅能提供有限厚度的覆层。随着覆层厚度在沉积粘结层材料时增加，压缩力增加，这导致粘结层材料的脱离或损耗。

此外，在具有粘结层的服役运转(servicerun)部件(其中下层的基底受到损坏)的修复中，通常将保护覆层从覆层上化学剥离。此后，利用本领域中已知的钎焊或焊接技术修复下层的基底。接着，将保护覆层(粘结层或粘结层与tbc)施加至部件。所有这些步骤的总和导致显著的成本和时间，这通常导致零件的处置而不是承担修复费用。因此，需要改进的粘结层施加技术来修复服役运转部件，其减少了成本和时间，并导致改善的抗氧化性和减少的材料损耗。

附图说明

在下面的描述中，参考附图来解释本发明，附图显示：

图1示出了采用根据本发明的一个方面制备的部件的燃气涡轮发动机的一个实施方案；

图2是根据本发明的一个方面的修复方法的示意图。

图3-4示出了根据本发明的一个方面去除现有的保护覆层。

图5-6示出了根据本发明的一个方面将psp(具有如本文所述的组成)施加到部件上以便在部件上形成替换保护覆层。

图7示出了根据本发明的一个方面将热障涂层施加到经修复的表面上。

图8是示出了通过如本文所述的psp施加的粘结层相对于常规热喷涂的粘结层的抗氧化性的图。

技术实现要素：

本发明人通过开发预烧结的预成形坯(psp)和利用该预成形坯的方法解决了本领域中的缺点，该预成形坯和方法提供了对涡轮机部件的基部基底(basesubstrate)的修复，而且同时将粘结层添加至部件。此外，测试了所得的粘结层，并且其相对于已知的应用技术(包括热喷涂类似的粘结层材料)表现出优异的耐热性和抗氧化性、对下层的涡轮机部件的改善的附着性、以及在涡轮机部件的服役寿命期间减少的粘结层损耗。此外，通过本文所述的预烧结的预成形坯和方法，可以将粘结层作为较厚的层施加，而没有粘结层脱离或损耗的风险。较厚的层有利地为下层的部件提供附加的热保护。预烧结的预成形坯还可以适用于修复服役运转燃气涡轮机部件，例如环段(ringsegments)、叶片(blades)、轮叶(vanes)等。

根据本发明的一个方面，提供了一种修复方法，其包括：

去除服役运转涡轮机部件的受损部分以露出修复表面；

将预烧结的预成形坯施加至所述涡轮机部件的所述修复表面；以及

将所述预烧结的预成形坯和所述涡轮机部件一起加热，以便在所述预成形坯和所述涡轮机部件冷却后形成包括所述修复表面上的替换保护覆层的钎焊部(brazement)。

其中所述预烧结的预成形坯由第一粉末和第二粉末的混合物形成，其中所述第一粉末包含按重量%计的以下各项：

ni：33.0-35.0；

cr：21.4-23.4；

si：8.6-9.2；

al：2.4-3.0；

w1.2-1.6；

ta0.6-0.8；

b0.45-0.65；

c0.05-0.15；

fe0.15-0.45；和

co余量

并且其中所述第二粉末包含按重量%计的以下各项：

n32；

c21；

al8；

y0.5；和

co余量。

根据另一方面，提供了一种预烧结的预成形坯，其包含第一粉末和第二粉末的烧结混合物，其中所述第一粉末包含按重量%计的以下各项：

ni：33.0-35.0；

cr：21.4-23.4；

si：8.6-9.2；

al：2.4-3.0；

w1.2-1.6；

ta0.6-0.8；

b0.45-0.65；

c0.05-0.15；

fe0.15-0.45；和

co余量

并且其中所述第二粉末包含按重量%计的以下各项：

n32；

c21；

al8；

y0.5；和

co余量。

根据又一方面，提供了一种粘结层组合物，其包含按重量%计的以下各项：

ni：33.0-35.0；

cr：21.4-23.4；

si：8.6-9.2；

al：2.4-3.0；

w1.2-1.6；

ta0.6-0.8；

b0.45-0.65；

c0.05-0.15；

fe0.15-0.45；和

co余量。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出了已知的燃气涡轮发动机2，其具有压缩机部分4、燃烧室部分6和涡轮部分8。在涡轮部分8中，存在静止翼片18(通常称为“轮叶”)和旋转翼片16(通常称为“叶片”)的交替排。每排叶片16由连接到设置在具有转子轴线12的转子10上的附接盘(attachmentdisc)14的翼片的圆形阵列形成。叶片16从转子10径向向外延伸并终止于叶片尖端。轮叶18从连接到发动机2的外壳26的轮叶载体22、24的内表面径向向内延伸。在轮叶18的排之间，环密封件20连接到轮叶载体22的内表面。环密封件20是静止部件，其在旋转叶片16的位置处在轮叶18的排之间充当热气通路导向件。环密封件20通常由多个环段21形成，所述环段直接地连接到轮叶载体22、24或者间接地(例如通过连接到金属隔离环(未示出))连接到轮叶载体22、24。在发动机运行期间，高温/高速气体28主要相对于转子轴线12轴向流过涡轮部分8中的轮叶18和叶片16的排。

图2示出了用于修复其上具有保护覆层104的服役运转涡轮机部件102的方法100中的非限制性步骤。在第一步骤中，并且如图3-4中所示，方法100包括去除服役运转涡轮机部件102的受损部分108(图3)以露出修复表面110(图4)的步骤106。受损部分108包括保护覆层的至少一部分——如果不是保护覆层104的全部的话。在某些实施方案中，也可以去除部件102的基部基底103的一部分，包括其中的缺陷(裂纹等)。在其它实施方案中，不去除基部基底103，并且如下所述用熔融的psp材料填充任何缺陷。保护覆层104可以包括单独的粘结层或粘结层与热障涂层(tbc)的组合。或者，保护覆层104可以包括任何其它合适的耐温和抗氧化的覆层。服役运转涡轮机部件102可以是上述燃气涡轮发动机2的任何部件，例如轮叶18或环段21。受损部分108的去除可以通过任何合适的方法(例如通过机加工部件102的表面)来完成。

当使用机加工时，机加工可以包括相关领域中已知的用于从金属基部基底去除金属和/或陶瓷材料任何机械(非化学)工艺。机加工工艺的非限制性实例包括研磨工艺，其包括cnc(计算机数控)研磨技术，以及用于机械融合(blending)机加工表面以去除凸起区域和/或松散材料的已知工艺。融合和清洁技术可以用于确保所得的机加工表面是均匀成形的(例如，平坦的、弓形的、凸的、凹的等)并且没有生产污染。可以任选地将机加工表面的非气体通路侧(例如，背侧、周向端、前面和后面)喷砂以提供清洁的二次表面，小心避免气体通路表面的喷砂。

使用机加工(研磨)代替化学技术来去除磨损或损坏的保护覆层104避免了相关领域中已知的化学去除工艺所经常伴随的不协调和缺陷。与化学技术不同，机加工可以完全去除磨损或损坏的保护覆层104，同时使从部件102去除的基底材料的量最小化。机加工步骤可以提供没有表面不协调和缺陷的机加工表面，当使用现有技术的化学清洁/堆焊技术时，这些表面不协调和缺陷通常是不可避免的。

在某些实施方案中，方法100可以进一步包括清洁机加工(修复)表面110。例如，这可以通过如本领域中已知的氟化物离子清洁(fic)工艺来完成，以便形成适于随后钎焊的部件表面。在一些实施方案中，fic工艺可以包括用氟化氢气体进行清洁。使用fic清洁有利地从机加工表面上和存在于修复表面110上的微观和宏观裂纹中去除不期望的氧化物和残余覆层残留物(例如扩散覆层残留物)。在其它实施方案中，取决于金属基部的材料特性，可以使用真空清洁、氢清洁或真空清洁、氢清洁和/或氟化物离子清洁的组合来进行修复表面110的清洁。

再次参考图2，一旦制备了修复表面110，方法100进一步包括将预烧结的预成形坯(psp)114施加到涡轮机部件102的修复表面110上(图5)的步骤112，以及将psp114和涡轮机部件102一起加热以便在psp114和涡轮机部件102冷却后形成包括修复表面110上的替换保护覆层118的钎焊部116的步骤120。要重申的是，保护覆层118包括至少粘结层。在某些实施方案中，psp114通过合适的方法或结构(例如通过点焊)暂时固定到部件102的表面上。加热120可以通过使psp114和部件102经受在预定温度下或预定温度附近的温度来完成。在一个实施方案中，预定温度包括psp114的材料的固溶温度(solutiontemperature)。在某些实施方案中，加热在2125℉±25℉(1163℃±3℃)的温度下进行。加热120可以进一步等度地或以温度梯度进行。在一个实施方案中，将温度保持在所需温度下或所需温度附近持续一定量的时间，以便适当地熔融psp114并允许熔融材料扩散到部件102中以填充基部基底中的任何缺陷(如果存在的话)。在一个实施方案中，加热(钎焊)在惰性气氛中进行，例如在氩气等的存在下进行。

如下面将要解释的那样，psp114的组成使得psp114既可以修复部件102(通过供应与下层的基底相容的材料以填充任何缺陷)，又可以为部件102提供包括至少粘结层的替换保护覆层118。psp114可以通过任何合适的工艺来提供或形成。在一个实施方案中，psp114通过将第一(粘结层)粉末与第二(钎焊)粉末以预定量和比率的第二粉末混合来制备。然后，使所得的粉末混合物经受热处理(烧结)过程，以烧结粉末混合物并形成psp114。psp114可以具有预定厚度和与修复表面110的形状互补的形状，以便在布置在一起时提供表面至表面的接触。可以控制psp114的预定厚度以获得具有足以保护部件102的表面的所需厚度的保护覆层。如所述那样，如本文所述的psp114的使用还允许相对于常规方法(例如保护覆层的热喷涂施加)将更厚的保护覆层添加至部件102。通常，psp114的形状由其中发生烧结的模具的形状决定。控制psp114的厚度以获得具有足以保护部件102的表面的所需厚度的替换保护覆层118。在某些实施方案中，所得的psp114还可以通过例如切割来成形，以便规定由加热步骤120导致产生的保护覆层118的最终形状和尺寸。

在形成psp114时，第一(粘结层)粉末包含适应于粘结至部件102的表面并保护其免受热条件影响的热保护性金属合金。在本发明的一个方面，粘结层粉末包含按重量%计的以下各项：

ni：33.0-35.0；

cr：21.4-23.4；

si：8.6-9.2；

al：2.4-3.0；

w1.2-1.6；

ta0.6-0.8；

b0.45-0.65；

c0.05-0.15；

fe0.15-0.45；和

co余量。

在一个具体实施方案中，粘结层粉末包含按重量%计的以下各项：

ni34；

cr22.4；

si8.9；

al2.7；

w1.4

ta0.7

b0.55

c0.12

fe0.3；和

co余量。

在某些实施方案中，粘结层粉末还包含0.01至0.3重量%的选自ti和zr的成员。根据一个方面，粘结层粉末通过实验测试显示出相对于已知材料改善的附着性、耐热性和抗氧化性，以及减少的材料损耗。

第二(钎焊)粉末包含充当钎焊材料的组成，该钎焊材料能够结合至部件表面，并且产生在强度上类似于下层的部件102的材料的钎焊部116。以这种方式，psp114提供了修复下层的部件102的材料，以及提供了优异的粘结层(替换保护覆层118)。在一个特定实施方案中，第二(钎焊)粉末包含钎焊粉末，该钎焊粉末包含按重量%计的以下组成：

n32；

c21；

al8；

y0.5；和

co余量。

目前，具有上述组成的材料可以以商品名co-210商购自praxairsurfacetechnologies。

部件102的基部基底103包含合金材料，并且在特定实施方案中包含超合金材料，例如镍基或钴基超合金材料，如本领域中公知的那样。术语“超合金”可以理解为是指高度抗腐蚀和抗氧化的合金，其表现出优异的机械强度和抗蠕变性——即使在高温下也是如此。示例性的超合金材料是可商购的，并且例如以下列商标和商品名出售：hastelloy,inconel合金(例如in738、in792、in939)、rene合金(例如renen5、rene41、rene80、rene108、rene142、rene220)、haynes合金、marm、cm247、cm247lc、c263、718、x-750、ecy768、262、x45、pwa1483和cmsx(例如cmsx-4)单晶合金、gtd111、gtd222、mga1400、mga2400、psm116、cmsx-8、cmsx-10、pwa1484、in713c、mar-m-200、pwa1480、in100、in700、udimet600、udimet500和铝化钛。本发明人已经发现，上述第二(钎焊)粉末特别适于修复由目前以商品名hastelloyx、inconel(in)738和inconel(in)939商业销售的超合金形成的部件102。因此，在一个实施方案中，基部基底103包含hastelloyx、in738材料和in939材料中的一种。

当存在时，hastelloyx通常包含按重量%计的以下标称组成：

ni余量

cr22

fe18

mo9

co1.5

w0.6

c0.1

mn1.0最大值

si1.0最大值

b.008最大值

nb0.5最大值

al0.5最大值

ti0.15最大值

ni余量。

此外，当存在时，in738通常包含按重量%计的以下标称组成：

c0.11-0.17

co8.50

cr16.0

mo1.75

w2.60

ta1.75

nb0.90

al3.40

ti3.40

b.010

fe0.05最大值

mn.02最大值

si.30最大值

s.015最大值

ni余量。

此外，当存在时，in939通常包含按重量%计的以下标称组成：

cr22.4

co19

al1.9

ti3.7

ta2.5

w1.6

zr0.1

c.15

b1。

第一(粘结层)粉末和第二(钎焊)粉末可以以相对于彼此的任何合适的比率提供。在某些实施方案中，第一(粘结层)粉末以总粉末组成的25-75重量%的比率提供。在一个特定实施方案中，第一(粘结层)粉末和第二(钎焊)以1:1的比率或50:50重量%提供。以这种方式，粉末混合物和所得的psp可以容易地重现。粉末颗粒的粒度可以是任何合适的尺寸和范围。在一个实施方案中，粉末颗粒具有约10(2000微米)至约1250(10微米)的目粒度(meshsize)。如本文所用，术语“约”是指自所述值加或减2%的量。在一些实施方案中，第一粉末和第二粉末的粉末尺寸范围为约-120至+325目。另外，当必要时，可以使用液体粘合剂将粉末混合物粘合在一起形成糊料，在这种情况下，液体粘合剂占粉末混合物的约5体积%至约15体积%。

根据本发明的一个方面，将psp114直接施加到修复表面110以便将钎焊/粘结层混合物施加至其上允许将psp114更精确地布置和粘结(使用例如电阻点焊(resistancetackwelding))到修复表面110。此外，psp114的使用还提供了对所得保护覆层118的厚度的改进控制，并且如所讨论的，相对于例如热喷涂，允许将更厚的粘结层施加到部件102表面。

在某些实施方案中，方法100还可以包括将钎焊糊料施加到部件102表面上，以填充可能存在于部件102表面上的裂纹和其它不均匀性。钎焊糊料可以包含例如使用如上所述的液体粘合剂粘合在一起的呈糊料形式的粉末混合物。在其中部件表面的预处理导致裂纹、凹槽或其它不均匀性(这可能影响psp114与部件102表面的接触和粘结)的某些实施方案中，使用任选的钎焊糊料可能是有益的。

在施加psp114和加热120步骤中，可以将一个或多个psp114施加到部件102表面上，使得至少一个psp114覆盖修复表面110上的所需修复区域。在某些实施方案中，多个psp114彼此层叠以产生较厚的保护覆层118或其中保护覆层118的组成沿其厚度变化的渐变保护覆层118。在另一个实施方案中，将精确地覆盖部件112表面的第一psp114施加到部件112表面，并将第二psp114施加到第一psp114的顶部上，其中第二psp114具有比第一psp114更大的表面积，并且定位成悬于部件112表面的各边缘之上。在再另一些实施方案中，可以将单个psp114设置到部件112表面上，其中单个psp114可以部分地或完全地覆盖部件112表面，或者可以悬于部件112表面的至少一个边界(边缘)之上。

在某些实施方案中，在加热步骤120和形成具有替换保护覆层118的钎焊部116之后，可以将另外的耐热材料例如热障涂层(tbc)122施加到替换保护覆层118上，如图7中所示。tbc122可以通过任何合适的工艺来施加，例如本领域中已知的热喷涂工艺、基于浆料的涂层沉积工艺、或气相沉积工艺。在一个实施方案中，tbc122通过热喷涂工艺例如等离子喷涂工艺来施加。

tbc122可以包含任何合适的材料，其在施加到部件102上时为其提供增加的耐温性。在一个实施方案中，tbc122包含经稳定的氧化锆材料。例如，tbc122可以包含氧化钇稳定的氧化锆(ysz)，其包含含有预定浓度的氧化钇(y2o3)的氧化锆(zro2)、烧绿石(pyrochlores)或本领域中已知的其它耐热材料。在另一个实施方案中，tbc122可以包含脆性渐变绝缘体(friablegradedinsulation,fgi)，这在本领域中是已知的，例如在美国专利no.6,670,046和6,235,370中，其通过引用并入本文。设想tbc122可以具有适于其预期应用的任何所需厚度。

实施例

本文所述的体系和方法将通过下面的实施例进一步说明，所述实施例在本质上是说明性的，并且不意在限制本公开的范围。

实施例1

将如本文所述的包含粘结层粉末和钎焊粉末的psp114与mcraly涂层粉末一起制备。将psp钎焊到第一部件表面上，并且将mcraly粉末热喷涂到第二部件表面上。然后使沉积的材料经受以下温度持续1000小时的时间：950℃、1010℃、1079℃和1121℃。这些温度覆盖了燃气涡轮机环段零件的典型操作条件的范围。结果示于图8中，并且表明相对于热喷涂的mcraly粉末，具有如本文所述的组成的psp的材料损失或损耗更低。

尽管本文中已经示出和描述了本发明的各种实施方案，但是显然这些实施方案仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替代。因此，意在本发明仅由所附权利要求的精神和范围来限定。