使用焊剂和金属粉末状芯供给材料的合金的包覆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常设及金属接合的领域，并且更具体地设及使用包含粉末状焊剂和粉末 状金属的空忍供给材料的材料的焊接包覆积聚和修复。
【背景技术】
[0002] 焊接过程取决于被焊接的材料的类型而显著地变化。一些材料在各种条件下更 容易被焊接，而其它材料需要特殊过程W便于实现结构良好的接合而不劣化周围的基底材 料。
[0003] 普通的电弧焊接通常利用自耗电极作为供给材料。为了从针对焊接烙池中的烙融 材料的大气（atmosphere)提供保护，惰性覆盖气体或者焊剂材料可W在焊接许多合金时 被使用，该许多合金例如包括钢、不诱钢W及儀基合金。惰性和组合的惰性和活性气体的过 程包括气体鹤电弧焊（GTAW)(也称为鹤惰性气体灯IG))和气体金属电弧焊（GMAW)(也称 为金属惰性气体（MIG)和金属活性气体（MG))。焊剂保护的过程包括通常馈送有焊剂的埋 弧焊（SAW),焊剂包括在电极的忍中的药忍焊丝电弧焊（FCAW)，W及焊剂被涂布在填料电 极外部上的屏蔽金属电弧焊（SMAW)。
[0004] 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将预放置 的不诱钢粉末烙化到碳钢基底上，其中粉末状焊剂材料提供烙池的屏蔽。焊剂粉末可W与 不诱钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。W本发明人的知识，当焊接超合金材料时并 未使用焊剂材料。 阳〇化]已认识到的是，由于超合金材料易受到焊接凝固开裂和应变时效开裂的影响， 超合金材料是最难焊接的材料之一。术语"超合金"在本文中使用，因为它在本领域中被 普遍使用；即，在高溫下表现出优异的机械强度和耐蠕变的高度抗腐蚀和抗氧化的合金。 超合金通常包括高儀或钻含量。超合金的示例包括W下列商标和品牌名称销售的合金： 化Stelloy,Inconel合金（例如，IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如，ReneN5、 尺6116 80、1?6116 142)、化71163合金、]\&^]\1、〔1 247、〔124化(：、〔263、718、乂-750、6〔￥ 768、 282、X45、PWA1483 和CMSX(例如，CMSX-4)单晶合金。
[0006] 通过将材料预加热到非常高的溫度（例如，到高于1600了或870°C)W便于在修 复期间显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复。该技术被称为在 升高的溫度下的热箱焊接或超合金焊接（SWET)焊接修复，并且其通常使用手动GTAW过程 被完成。然而，热箱焊接被维持均匀的组件过程表面溫度的困难和维持完全的惰性气体屏 蔽的困难所限制，并且也被施加在于运样高的溫度的组件附近工作的操作者的物理困难而 限制。
[0007] 一些超合金材料的焊接应用可W使用冷却板W限制基底材料的加热而被执行；从 而限制致使开裂问题的基底热影响和应力的发生。然而，该技术对于部件的几何形状不便 于使用冷却板的许多修复应用而言是不实际的。
[0008] 图6是传统的图示了作为其侣和铁含量的函数的各种合金的相对焊接性的图 表。诸如具有运些元素相对较低的浓度W及必然相对较低的丫'（gammaprime)含量的Inconel⑧718之类的合金被认为是相对可焊的，虽然运样的焊接通常被限制为组件的低 应力区域。诸如具有运些元素相对较高的浓度的Inccmel⑧939之类的合金通常不被认为 是可焊的，或者仅可W利用W上讨论的增大材料的溫度/延展性并且最小化过程的热量输 入的特殊过程被焊接。为了本文的讨论目的，虚线80指示了介于在线80W下的可焊区与 在线80W上的非可焊区之间的边界。线80在垂直轴线上相交于3wt% (重量百分比）侣 并且在水平轴线上相交于6wt%铁。在非可焊区W内，具有最高侣含量的合金通常被发现是 最难焊接的。
[0009] 还已知的是利用选择性激光烙化（SLM)或选择性激光烧结（化巧W将超合金粉末 颗粒的薄层烙化到超合金基底上。烙池在激光加热期间通过施加诸如氣之类的惰性气体从 大气中屏蔽。运些过程趋向于将附着在颗粒的表面上的氧化物（例如，侣和铭的氧化物） 困在被沉积的材料的层W内，导致孔隙、夹杂物和与被困的氧化物相关联的其它缺陷。过 程后热等静压化I巧通常被用来瓦解运些空隙、夹杂物和裂缝W便于改进沉积的涂层的性 质。
[0010] 对于一些在非可焊区中的超合金材料而言，没有已知的可接受的焊接或修复过 程。此外，由于新的和更高的合金含量超合金继续被发展，针对超合金材料开发商业上可行 的接合过程的挑战继续增长。
【附图说明】 W11] 本发明根据附图在W下描述中进行解释，该附图示出了：
[0012] 图1图示了使用多层粉末的包覆过程。
[0013] 图2图示了使用混合层粉末的包覆过程。
[0014] 图3图示了使用有忍填充焊丝和冷金属电弧焊炬的包覆过程。
[0015] 图4图示了使用有忍填充焊丝和能量束的包覆过程。
[0016] 图5图示了能量束重叠图案。
[0017] 图6是图示了各种超合金的相对焊接性的现有技术图表。
【具体实施方式】
[0018] 本发明人已开发了一种包覆过程，其可被成功地用于沉积最难W焊接的超合金材 料。虽然焊剂材料W前未被在焊接超合金材料时使用，本发明方法的实施例有利地在烙化 和再固化过程期间利用粉末状焊剂材料。一些实施例还利用诸如激光束加热之类的能量束 加热过程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陷获、杂质清洗、 大气屏蔽、珠整形和冷却溫度控制，W便于实现超合金材料的无裂缝接合，而不需要高溫热 箱焊接或使用冷却板或使用惰性屏蔽气体。虽然本发明的各种元素在焊接行业已经为人所 知几十年，本发明人已经创新性地开发了用于解决运些材料的开裂的长期问题的超合金包 覆过程的步骤的组合。
[0019] 图1图示了在环境室溫下正被沉积到超合金基底材料12上的超合金材料的包覆 10的层而没有基底材料12的任何预加热或使用冷却板的过程。基底材料12例如可W形成 燃气满轮发动机叶片的一部分，并且在一些实施例中包覆过程可W是修复过程的一部分。 颗粒状粉末14的层被预放置在基底12上，并且激光束16横穿过粉末14的层W烙化粉末 并形成由烙渣18的层覆盖的包覆10的层。包覆10和烙渣18从粉末14的层形成，粉末14 的层包括由粉末状焊剂材料22的层覆盖的粉末状超合金材料20的层。
[0020] 焊剂材料22和产生的炉渣18的层提供了若干功能，运些功能有利于防止包覆10 和下面的基底材料12的开裂。首先，它们工作W从激光束16的下游的区域中的大气中屏 蔽烙融材料的区域和固化的（但仍然是热的）包覆材料10两者。烙渣浮到表面W将烙融 或热金属从大气中分离，并且在一些实施例中焊剂可被配制W产生屏蔽气体，从而避免或 最小化昂贵的惰性气体的使用。第二，烙渣18用作允许固化的材料缓慢且均匀冷却的覆盖 物，从而减小可促使焊后再加热或应变时效开裂的残余应力。第=，烙渣18有助于成形烙 融金属池W将其保持为接近期望的1/3的高度/宽度比。第四，焊剂材料22提供用于移除 促使焊接凝固开裂的诸如硫和憐之类的痕量杂质。运种清洗包括金属粉末的脱氧。因为焊 剂粉末与金属粉末处于紧密接触，运对完成该功能特别有效。最后，焊剂材料22可提供能 量吸收和捕获功能W更有效地将激光束16转换成热能，因而有利于在过程期间热输入的 精确控制，诸如在1-2 %W内，W及所得到的材料溫度的严格控制。另外，焊剂可W被配制W 补偿在处理期间挥发的元素或者向沉积物主动地贡献本不会由金属粉末本身所提供的元 素。总之，运些过程步骤在室溫下针对迄今被认为仅可利用热箱过程或通过使用冷却板接 合的材料产生超合金基底上的超合金包覆的无开裂沉积。
[0021] 图2图示了另一实施例，其中超合金材料的包覆30的层正在被沉积到超合金基底 材料32上，该超合金基底材料32在该实施例中被图示作为具有多个柱状晶粒34的定向凝 固材料。在该实施例中，粉末36的层被预放置或馈送到基底材料32的表面上作为包括粉 末状合金材料38和粉末状焊剂材料40的混合物的均匀层。粉末36的层在一些实施例中 可W是一至几毫米的厚度，而不是已知的选择性激光烙化和烧结过程通常具有的一毫米的 分数。现有技术的典型粉末状焊剂材料例如具有范围从〇.5-2mm的颗粒尺寸。然而，粉末 状合金材料38可具有从0. 02-0. 04mm或0. 02-0. 08mm或其中的其它子范围的颗粒尺寸范 围（筛孔尺寸范围）。筛孔尺寸的该差异可W在材料构成分开的层的图1的实施例中工作 良好；然而，在图2的实施例中，可有利的是使粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40具 有重叠的筛孔尺寸范围或者具有相同的筛孔尺寸范围，W便有助于粉末的混合和馈送并且 在焊接过程期间提供改进的焊剂覆盖。
[0022] 能量束42在图2的实施例中是具有通常为矩形的横截面形状的二极管激光束，虽 然也可W使用其它已知类型的能量束，诸如电子束、等离子束、一