超耐热合金部件的螺柱焊接修复的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在制造或修复期间连接先进的超耐热合金部件。在一些实施例中，本发明涉及使用固定到要修复基底的螺柱(Stud)，通过电弧加热螺柱和基底以熔化它们的表面然后在压力下将螺柱驱动进基底中，以不会明显降低所连接部件的机械结构或材料属性的方式来表面修复蒸汽或燃气轮机中的超耐热合金涡轮叶片和轮叶。
【背景技术】
[0002]燃气轮机或其它超耐热合金部件的“结构”修复一般被认为是用匹配的合金材料更换受损材料，并获得与原始制造部件规格(例如，原始规格的至少70%极限抗张强度)相近的属性(比如强度)。例如，优选地对经受表面裂纹的涡轮叶片执行结构修复，使得减少进一步破裂的风险，并且使叶片恢复原始材料结构和尺寸规格。
[0003]由于成品叶片材料的冶金属性，对用于制造涡轮部件(比如铸造涡轮部件)的镍和钴基超耐热合金材料的结构修复或重新制作是有挑战性的。例如，具有多于6%聚合铝或钛含量的超耐热合金(比如CM247合金)在受到高温焊接时比低铝-钛含量的X-750合金更易受到应变时效裂纹的影响。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理期间加强，这使它们难以执行随后的结构焊接。当前使用的用于超耐热合金结构制作或修复的焊接工艺通常涉及在焊接准备之后基本上熔化基底以及完全熔化焊接杆或添加的其它填充材料。当用具有相同或类似合金的填充金属焊接由这种材料构成的叶片时，叶片在随后热处理工艺期间易受到焊缝内或附近的凝固(又名熔析)裂纹和/或应变时效(又名再热)裂纹的影响，随后热处理工艺意在使超耐热合金恢复原始强度和与新部件相当的其它材料属性。
[0004]在热阻连接设备中通过使电流在压缩电极之间通入一对抵接的超耐热合金部件中来执行超耐热合金的传统“点”电阻焊接的过去尝试也会导致焊接区域内的凝固裂纹。替代的超耐热合金焊接工艺(包括利用冷淬夹具的激光微熔覆、在所谓“热”箱中在高温下焊接和惯性摩擦焊接)仍可导致焊接后热处理应变时效裂纹。其它摩擦焊接工艺(比如搅拌摩擦焊接)可降低超耐热合金裂纹倾向，但是所使用的焊接设备具有比较有限的寿命。当由超耐热合金材料构成的分离部件通过焊接工艺连接起来时，相同的裂纹问题发生在超耐热合金部件制作期间。
[0005]鉴于超耐热合金结构修复焊接的缺点，商业上可接受的方案通常仅仅是抛弃需要结构修复的受损涡轮叶片，因为过去的经验已表明，这种结构修复成功有限。因此，修复仅限于那些在过去被证明通过上述替代的超耐合金焊接工艺或通过盖面焊(使用结构强度降低的更有延伸性的焊接填充材料)可成功执行的修复。
[0006]因此，本领域中需要一种在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，使得可以连接亚部件，或者可以修复那些结构裂纹或其它表面缺陷。
[0007]本领域中还需要增加对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面进行结构修复的成功率，使得可以降低受损叶片废弃率。
[0008]本领域中又需要一种利用已被证明的可重复修复技术和机器在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。
【发明内容】
[0009]相应地，本发明之目的是对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面执行结构连接或修复，使得可以连接部件，或者可以修复结构裂纹和其它表面缺陷。
[0010]本发明的另一目的是增加成功执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构修复的可能性，使得可以降低受损部件废弃率。
[0011]本发明的又一目的是利用已被证明的可重复修复技术和机器执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构制造或修复，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。
[0012]这些和其它目的根据本发明实施例通过结构连接超耐热部件或者修复比如涡轮叶片或轮叶的超耐热材料部件中的缺陷来实现。超耐热合金部件通过沿接触表面匹配形成在一个部件基底中的凹槽与形成在另一部件中的对应突起并利用螺柱焊接设备将它们焊接在一起来连接或修复。匹配的超耐热合金修复螺柱形成有螺柱突起，其轮廓沿对应的接触表面符合基底凹槽轮廓。螺柱和基底两者联接到螺柱焊接设备，螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流通过螺柱突起和凹槽之前，并在其间形成电弧，以熔化它们彼此的相对表面。熔化的螺柱突起和基底凹槽的相对表面通过螺柱焊接设备彼此按压接触，其间形成焊缝。
[0013]在修复实施例中，通过电火花加工或其它已知的金属加工工艺从部件基底移除表面缺陷，形成挖出凹槽。优选地以具有类似机械结构属性的相同材料形成修复螺柱，修复螺柱具有轮廓符合对应凹槽轮廓的匹配突起。修复螺柱插入并占据在螺柱焊接设备夹具内，并取向成螺柱匹配突起和轮廓处于彼此相对间隔开的关系，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流通过螺柱突起和凹槽之间，并在其间形成电弧，以熔化它们的相对表面。相对表面在压力下被驱动在一起，在螺柱突起和基底凹槽之间形成共同焊缝。
[0014]本发明的目的和特征可以由本领域技术人员以任何组合或子组合的形式联合地或单独地施加。
【附图说明】
[0015]通过结合附图考虑下列详细描述，可易于理解本发明的教导，附图中:
[0016]图1是在移除根据本发明实施例修复的超耐热合金部件的表面缺陷之后留下的挖穴的示意性正视图；
[0017]图2是用于根据本发明实施例修复超耐热合金部件的表面缺陷的超耐热合金修复螺柱的示意性正视图；
[0018]图3是根据本发明实施例通过螺柱焊接设备电弧加热修复螺柱和部件基底而修复的超耐热合金部件的表面挖穴的示意性正视图；
[0019]图4是在利用螺柱焊接设备将修复螺柱驱动进凹槽中，从而在螺柱和凹槽之间形成薄焊缝之后，与图3类似的示意性正视图；以及
[0020]图5是根据本发明实施例修复的超耐热合金的示意性正视图。
[0021]为了便于理解，如果可能的话，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。
【具体实施方式】
[0022]在考虑下列描述之后，本领域技术人员清楚地认识到，本发明的教导可易于用于超耐热合金部件的机械结构连接/修复。在一些实施例中，本发明的教导可易于通过使用螺柱焊接修复螺柱以不会明显降低所连接或修复叶片的机械结构或材料属性的方式对蒸汽或燃气轮机中使用类型的超耐热合金材料涡轮叶片和轮叶进行结构修复。在本修复方法中，损害被移除，形成挖出凹槽。将修复螺柱插入并占据在已知的螺柱焊接设备中，并与凹槽以相对间隔开的关系取向修复螺柱。然后，螺柱焊接设备使电弧电流通过间隔开的螺柱和基底凹槽之间直到它们各自的相对表面熔化为止。之后，用螺柱焊接设备在压力下将螺柱驱动进凹槽内，使得相应熔化表面形成焊缝。修复的部件的总体机械结构属性与未受损部件类似。本发明的修复方法不要求复杂的焊接或热处理过程，并使用已知的螺柱焊接设备器材和固定工艺。除了执行修复，本发明的连接方法可用于通过连接亚部件来制作超耐热合金结构。
[0023]图1示出具有表面应力裂纹的示例性超耐热合金部件10，表面应力裂纹由电火花加工(EDM)或其它已知金属移除工艺挖出，在未破裂的基底中留下凹槽12。如果应力裂纹不被结构修复(即，不仅仅是利用比较软的低应用温度熔焊或钎焊合金进行的肤浅修复)，肤浅修复的裂纹有可能再次破裂和/或继续在部件基底内扩散。凹槽12轮廓由未破裂的基底10的剩余边缘限定。尽管图1示出锥形截面轮廓凹槽12，但是可以使用其它截面轮廓构造，比如通过切割工具头或EDM形成的V形或弓形轮廓。凹槽直径可在用于执行修复的螺柱焊接设备的容许范围内变化。用于凹槽12的合适的俯视轮廓包括圆形对称、方形和三角形轮廓。当制造新的复合超耐热合金结构时，两个超耐热合金亚部件制造有匹配的凹槽和突起轮廓(一个放置在螺柱焊接设备内)，并在电弧熔化匹配的相对表面之后在结构上连接起来，然后螺柱焊接设备在压力下将部件驱动在一起。还可使用螺柱焊接设备通过在没有任何匹配的突起和凹槽的情况下使两个部件彼此间隔开、在间隙上电弧加热然后在压力下将部件驱动在一起来制造不具有匹配的凹槽和突起部分的复合结构。
[0024]在已知的修复或制造方法中，凹槽12通过较软的填充材料(肤浅修复)或通过具有类似硬度的填充材料填充。如先前所讨论的，施加超耐热合金填料的其它焊接技术一般在焊接期间或在随后的焊接后热处理期间在超耐热合金部件中诱导出非期望的裂纹。
[0025]本发明与现有已知的更换裂纹中或形成凹槽的超耐热合金材料的不同之处在于使用修复螺柱20，其优选地由具有与修复的部件类似的材料属性的相同超耐热合金材料构成，如图2所示。修复螺柱20具有突起部分22，突起部分的轮廓符合并匹配凹槽轮廓12。如上所讨论的，具有匹配突起和凹槽部分的新的亚部件可通过相同的方法连接起来以制成新的部件。
[0026]参见图3，将修复螺柱20插入已知的常规螺柱焊接设备30螺柱焊接夹具32中，并由陶瓷绝缘套筒34围绕，陶瓷绝缘套筒用于将空气排除出焊接区域、集中热量和容纳熔化金属。(这种套筒在焊接之后脱离并抛弃)。已知的螺柱焊接设备30利用DC电源或电容性放电产生焊接电流，并在基底10和螺柱22之间的间隙上产生电弧来熔化它们各自的相对表面，然后，将两个部分驱动在一起，使得相应的熔化表面形成焊缝。
[0027]当利用螺柱焊接设备30执行修复过程时，修复螺柱20邻近被修复部件基底10取向，匹配的突起部分22与凹槽12相互间隔开，其间具有间隙。之后，螺柱