使用粉末状焊剂和金属的超合金的沉积的制作方法
【专利说明】使用粉末状焊剂和金属的超合金的沉积
[0001]本申请是2011年1月13日提交的未决美国专利申请号为13/005656(公开号为US2012/0181255A1)的部分继续申请案，其通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本发明一般涉及金属接合的领域，并且更特别是涉及超合金材料的焊接包层积聚和修复。
【背景技术】
[0003]取决于被焊接的材料的类型，焊接工艺变化很大。一些材料在各种条件下更容易焊接，而其他材料需要特殊处理，以便实现结构上完好的接合，而不使周围基底材料退化。
[0004]普通电弧焊通常利用自耗电极作为供给材料。为了给焊池内的熔融材料提供大气保护，惰性保护气体或焊剂材料当焊接许多合金包括例如钢、不锈钢以及镍基合金时可以被使用。惰性气体以及组合的惰性和活性气体工艺包括气体保护钨极电弧焊(GTAW)(也称为钨惰性气体(TIG))和气体保护金属极电弧焊(GMAW)(也称为金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。焊剂保护工艺包括其中焊剂被常规供给的埋弧焊(SAW)，其中焊剂被包括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，和其中焊剂被涂覆在填料电极外侧的自动保护金属极电弧焊(SMAW)。
[0005]利用能量束作为热源进行焊接也是已知的。例如，激光能量已经被用于熔化预放置的不锈钢粉末到碳钢基底上，其中粉末状焊剂材料提供熔池的屏蔽。焊剂粉末可以与不锈钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。以本发明人的知识，当焊接超合金材料时，焊剂材料没有被使用。
[0006]应该认识到，由于其对焊接凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，超合金材料是最难焊接的材料之一。
[0007]术语“超合金”在本文中被使用，因为它是本领域通常使用的；即在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变性的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超合金通常包括高的镍或钴含量。超合金的例子包括以商标和品牌名:哈氏合金，铬镍铁合金(例如IN738，IN792，IN939)，雷内合金(例如 Rene N5，Rene 80, Rene 142)，海恩斯合金，Mar M, CM 247LC，C263，718，X-750，ECY 768，282，X45，PWA 1483 和 CMSX (例如 CMSX-4)单晶合金出售的合金。
[0008]—些超合金材料的焊接修复已通过预热材料到非常高的温度(例如达高于1600° F或870°C )，以便在修复过程中显著增加材料的延展性成功完成。这种技术被称为热匣焊接或在升高温度(SWET)焊接修复的超合金焊接，并且它通常使用手动GTAW工艺完成。然而，热匣焊接受到保持均匀的部件处理表面温度的困难和保持完整的惰性气体保护的困难，以及强加在这种极端的温度下在部件附近工作的操作者上身体困难的限制。
[0009]—些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板，以限制基底材料的加热；从而限制基底热效应的出现和引起开裂问题的应力来执行。然而，这种技术对于许多其中零件的几何结构不便于使用冷却板的修复应用是不实际的。
[0010]图6是一个常规的图，其示出了作为铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性。诸如铬镍铁合金IN718之类的合金，具有相对较低的这些元素的含量，并必然具有相对较低的γ’含量，这些合金被认为是相对可焊接的，虽然这种焊接通常被限制到部件的低应力区域。诸如络镍铁合金ΙΝ939之类的合金具有相对较高的这些元素的含量，这些通常不被认为是可焊接的，或仅能使用上面讨论的特殊程序来焊接，这提高了材料的温度/延展性并最小化工艺的热输入。虚线80表示焊接性区域的认可的上边界。线80与竖直轴上的3被％的铝相交，与水平轴上6wt%的钛相交。焊接性区域以外的合金被认为是使用已知工艺非常难以或不可能进行焊接的，并且具有最高铝含量的合金一般被发现是最难以焊接的，如由箭头所表示的。
[0011]还已知的是，利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)以将超合金粉末颗粒的薄层熔化到超合金基底上。在激光加热过程中，通过施加惰性气体，例如氩气，将熔池从大气屏蔽。这些工艺倾向于捕获氧化物(例如铝和铬的氧化物)，它们附着在沉积的材料层内的颗粒表面上，从而造成多孔性、夹杂物，和与被捕获的氧化物相关的其他缺陷。后处理热等静压(HIP)经常被用来使这些孔洞、夹杂物和裂纹坍塌，以改善沉积的涂层的特性。
[0012]对于一些在非焊接性区域中的超合金材料，没有已知的可接受的焊接或修复工艺。此外，由于新的和更高合金含量的超合金持续被开发，对于研发用于超合金材料的商业上可行的接合工艺的挑战继续增长。
【附图说明】
[0013]本发明鉴于附图在下面的说明书中进行说明，所述附图示出:
[0014]图1示出了根据本发明的实施例使用多层粉末的熔覆工艺。
[0015]图2示出了使用混合层粉末的熔覆工艺。
[0016]图3示出了使用有芯填充焊丝和冷金属电弧焊焊枪的熔覆工艺。
[0017]图4示出了使用有芯填充焊丝和能量束的熔覆工艺。
[0018]图5示出了能量束重叠模式。
[0019]图6是现有技术的图，其示出了各种超合金的相对焊接性。
【具体实施方式】
[0020]本发明人已开发了一种材料接合工艺，其可成功地用于接合和/或修复最难以焊接的超合金材料。
[0021]虽然以前在焊接超合金材料时，焊剂材料未被使用，但是本发明工艺的实施例在熔化和再凝固过程中，有利地在超合金基底之上施加粉末状焊剂材料。一些实施例还利用能量束加热工艺，例如激光束加热的精确能量输入控制能力。粉末状焊剂材料有效地提供光束能量捕获、杂质清洁、大气屏蔽、焊缝成形和冷却温度控制，以便实现超合金材料的无裂纹接合，而无需高温热匣焊接或冷却板的使用或惰性保护气体的使用。虽然本发明的各种元件在焊接行业已被知悉几十年，本发明人已经创新地开发了用于超合金接合工艺的步骤组合，其解决了长期存在的这些材料的裂纹问题。
[0022]图1示出了本发明的一个实施例，其中超合金材料的熔覆层10在环境室温下正被沉积在超合金基底材料12上，而没有基底材料12的任何预热或冷却板的使用。基底材料12例如可以形成燃气涡轮发动机叶片的部分，并且在一些实施例中熔覆工艺可以是修复程序的部分。粒状粉末层14被预置在基底12上，并且激光束16跨粉末层14穿过以熔化粉末并形成被熔渣层18覆盖的熔覆层10。熔覆层10和熔渣18由粉末层14形成，其包括由粉末状焊剂材料层22覆盖的粉末状超合金材料20。
[0023]焊剂材料22和所得到的熔渣层18提供了许多有利于防止熔覆层10和下面的基底材料12开裂的功能。首先，它们起在激光束16的下游区域中从大气屏蔽熔融材料和凝固(但仍然是热的)熔覆材料10两个区域的作用。熔渣浮到表面以从大气中分离熔融金属或热金属，并且焊剂可被配制以在一些实施例中产生保护气体，从而避免或最小化昂贵的惰性气体的使用。第二，熔渣18用作允许凝固材料缓慢而均匀地冷却的覆盖层(blanket)，从而减少可能有助于焊后再热或者应变时效裂纹的残余应力。第三，熔渣18有助于成形熔融金属池，以保持它接近所期望的1/3的高度/宽度比。第四，焊剂材料22提供清洁效果，用于除去有助于焊接凝固裂纹的痕量杂质，例如硫和磷。这种清洁包括金属粉末的脱氧。因为焊剂粉末与金属粉末的紧密接触，这对实现此功能特别有效。最后，该焊剂材料22可提供能量吸收和捕获功能，以更有效地将激光束16转换成热能，从而有利于在该过程期间热量输入的精确控制，例如在1-2%内，和所得到的材料温度的严格控制。另外，焊剂可以被配制成在处理过程中补偿挥发元素的损失或积极有助于否则由金属粉末本身提供的元素沉积。总之，这些工艺步骤对迄今仅被认为可使用热匣工艺或通过冷却板的使用接合的材料，在室温下产生在超合金基底上的超合金熔覆的无裂纹沉积。
[0024]图2示出本发明的另一个实施例，其中超合金材料的熔覆层30正被沉积到超合金基底材料32上，其在本实施例中被示为具有多个柱状晶粒34的定向结晶材料。在本实施例中，粉末层36被预置或供给到基底材料32的表面上，该粉末层36作为包括粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40两者的混合物的均匀层。粉末层36的厚度在一些实施例中可以是一至几个毫米，而不是典型地在已知的选择性激光熔化和烧结工艺的情况下几分之一毫米。典型的现有技术粉末状焊剂材料具有例如范围从0.5至2毫米的颗粒尺寸。然而，粉末状合金材料38可具有从0.02至0.04