利用部件支撑的填料对基底的修复的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及金属接合的领域，并且更具体地涉及用于使用激光热源沉积金属 的过程。
【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以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。为了从针对焊接熔池中的熔融 材料的大气（atmosphere)提供保护，惰性覆盖气体或者焊剂材料可以在焊接许多合金时 被使用，该许多合金例如包括钢、不锈钢以及镍基合金。惰性和组合的惰性和活性气体的过 程包括气体钨电弧焊（GTAW)(也称为钨惰性气体（TIG))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（MAG))。焊剂保护的过程包括通常馈送有焊剂的埋 弧焊（SAW)，焊剂包括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊（FCAW)，以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 的不锈钢粉末熔化到碳钢基底上，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并 未使用焊剂材料。
[0005] 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，在高温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。 超合金通常包含高镍或钴含量。超合金的示例包括以下列商标和品牌名称销售的合金： Hastelloy,Inconel合金（例如，IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如，ReneN5、 1^1^80、1^116 142)、他71168合金、]\&^]\1、〇1 247、〇1 2471^：、〇263、718、父-750^〇￥ 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温度（例如，到高于1600 °F或870°C)以便于在修 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 升高的温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部件过程表面温度的困难和维持完全的惰性气体屏 蔽的困难而限制，并且也被施加在于这样高的温度的部件附近工作的操作者的物理困难而 限制。
[0007] -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11是图示了作为其铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性的常规 图。诸如具有这些元素相对较低的浓度以及必然相对较低的γ'（gammaprime)含量的inconel? 718之类的合金被认为是相对可焊的，虽然这样的焊接通常被限制为部件的低 应力区域。诸如具有这些元素相对较高的浓度的丨nconel? 939之类的合金通常不被认为 是可焊的，或者仅可以利用以上讨论的增大材料的温度/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80以下的可焊区与 在线80以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）铝 并且在水平轴线上相交于6wt%钛。在非可焊区以内，具有最高铝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熔化（SLM)或选择性激光烧结（SLS)以将合金粉末颗 粒的薄层熔化到合金基底上。熔池在激光加热期间通过施加诸如氩气之类的惰性气体从大 气中屏蔽。这些过程通常在"全浸浴"室中被执行，在其中待被修复的部件浸没在填充该室 的粉墨金属中。相应地，需要大量的未消耗的粉末金属合金，其可以极为昂贵。这样的过程 尚未被成功应用到超合金。
[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】
[0011] 本发明根据附图在以下描述中进行解释，该附图示出了：
[0012] 图1是涡轮机的涡轮或叶片的机翼的顶剖面图。
[0013]图2是被配置用于使用可熔填充材料修复基底的受损区域的基底的示意性剖面 图。
[0014]图3是图2的基底的示意性剖面图，包括被引导在修复开口以熔融粉末填充材料 的激光能量束。
[0015]图4是被配置用于修复的基底的示意性剖面图，包括在修复开口处的粉末填充材 料上的一层焊剂材料并且示出了在修复沉积层上形成的熔渣层。
[0016]图5是被配置用于修复的基底的示意性图示，包括粉末填充材料，其具有粉末金 属合金与粉末焊剂材料的混合。
[0017]图6A是机翼的示意性剖面图，其中插入件支撑修复开口中的粉末填充材料。
[0018]图6B是沿着图6A的线6B-6B所取的具有插入件和填充材料的机翼的剖面图。
[0019] 图7A至7C是被配置用于修复的基底受损区域的示意性顶视图以及激光能量束根 据修复开口的几何形状而改变的示意性表示。
[0020] 图8A至8C是被配置用于修复的基底受损区域的示意性顶视图，包括在基底上并 且环绕修复开口的掩膜。
[0021 ] 图9图不了能量束重置图案。
[0022] 图10是包括修复金属基底的方法中的步骤的流程图。
[0023] 图11是图示了各种超合金的相对焊接性的现有技术示图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明人已经开发出使用可以被加热、熔融及固化的粉末填充材料修复部件的基 底的过程或方法。该方法利用包括内部腔的部件的特征。更具体地，基底上的受损区域被识 别及移除以形成与部件的内部腔相邻的修复开口。填充材料随后在修复开口中被支撑。在 实施例中，内部腔被填充有可熔融填充材料，其优选包含大致匹配基底的金属合金组分的 粉末金属合金，其中腔以内的填充材料的底在修复开口处或在修复开口中支撑填充材料。 可替代地，插入件可以被放置在腔以内以在修复开口处或在修复开口中支撑填充材料。在 实施例中，能量束横越包括粉末填充材料的修复开口，熔融填充材料至对应于基底的厚度 的深度。因为填充材料移位腔中的任何空气并且因为填充材料可以包含粉末屏蔽焊剂以及 粉末金属，本发明的实施例消除背面屏蔽，并且仅有填充材料的外部屏蔽是需要的。通过示 例的方式，粉末焊剂的层可以在修复开口处被设置在填充材料上或与粉末金属合金混合以 在加热期间产生熔渣层以在修复期间保护金属修复沉积层不受大气影响。可替代地，修复 可以在室中进行并且惰性气体可以被引入到部件的外部或者真空被生成。
[0025] 相对于图1