通过粉末合金和焊剂材料添加的超合金部件修复的制作方法
【专利说明】
[00011 本申请是2013年11月05日提交的共同未决美国专利申请号14/071774(代理人案 卷2013P14584US)的部分继续申请。本申请也是2013年12月31日提交的共同未决的美国专 利申请号14/144680(代理人案卷2012P28296US01)的部分继续申请，其继而又要求提交日 为2013年1月31日的美国临时专利申请号61/758795(代理人案卷2012P28296US)的权益。本 申请也是20 13年8月1日提交的共同未决美国专利申请号13/956431 (代理人案卷 2013P03470US)的部分继续申请，该13/956431继而是2013年1月31日提交的美国专利申请 号13/755098(代理人案卷2012P28301US)的部分继续申请，该13/755098继而是2011年1月 13日提交的美国专利申请号13/005656(代理人案卷2010P13119US)的部分继续申请。
技术领域
[0002] 本发明一般涉及材料技术领域，更具体地涉及材料添加方法，并且在一个实施例 中涉及用于对超合金部件执行基于功能的修复的方法。
【背景技术】
[0003] 认识到，由于对焊接凝固凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，超合金材料被认为 是最难焊接的材料之一。术语"超合金"如其在本领域通常使用的那样在本文中被使用，；即 在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变性能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出售的合金:哈氏合金，铬镍铁合 金（例如預738，預792，預939)，雷内（1^116)合金（例如1^116阳，1^116 80，1^116 142)，海恩斯 合金，Mar M，CM247LC，C263,718，X-750，ECY 768,282，X45，PWA 1483和CMSX(例如CMSX-4) 单晶合金。
[0004]已知的是，利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)熔融一薄层超合金 粉末颗粒到超合金基底上。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。这些工艺往往捕获氧化物(例如铝和铬的氧化物），这些氧化物附着在沉积材料层 内的颗粒表面上，从而造成孔隙率、夹杂物，和与被捕获氧化物相关的其他缺陷。后处理热 等静压(HIP)经常被用来去除这些空隙、夹杂物和裂纹，以改善沉积涂层的特性。由于预先 放置粉末的要求，这些方法的应用还仅限于水平表面。
[0005] 激光微熔覆是3D工艺，其通过使用激光束来熔融被朝向表面引导的粉末流在表面 上沉积小的薄材料层。该粉末通过气体的喷射朝向表面被推进，并且当粉末是钢或合金材 料时，所述气体是氩气或其它惰性气体，其从大气的氧气中屏蔽熔融合金。激光微熔覆受到 其低沉积速率，例如1至6cm3/hr的量级的速率限制。此外，因为保护氩气屏蔽趋于在熔覆材 料被充分冷却之前消散，在沉积表面上可能会发生表面氧化和氮化，当需要多层熔覆材料 以实现期望的熔覆厚度时，这是有问题的。
[0006] 图1是一个常规的曲线图，其示出了作为其铝和钛含量的函数的各种超合金的相 对焊接性。合金如Ineonel_v_ (铬镍铁合金）IN718,其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，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。合金例如铬镍铁合金IN 939,其具有相对较高的这些元素的含量，焊接困难得 多。虚线10表示可焊性区域的可识别上边界。线10在竖轴上与3wt%的铝相交，在横轴上与 6wt%的钛相交。在可焊性区域以外的合金被认为是使用传统工艺非常难以焊接的，具有最 高铝含量的合金一般被发现是最难以焊接的，如箭头所示。
【附图说明】
[0007] 本发明在下面的描述中基于附图进行说明，所述附图示出：
[0008] 图1是常规的曲线图，其示出了各种超合金的相对焊接性。
[0009] 图2是经历材料添加工艺的超合金部件的剖面图。
[0010] 图3是燃气涡轮机叶片的透视图。
【具体实施方式】
[0011]服务运行的超合金燃气涡轮部件的修复传统上被高合金材料的焊接修复的困难 所限制。美国专利申请公开号US 2013/0136868 A1，其通过参考被引入本文，公开了用于沉 积否则难以焊接的超合金材料的改进方法。这些方法包括粉末状超合金材料连同粉末状焊 剂材料的激光熔融以形成在保护熔渣层下方的熔池。除了从大气保护熔融合金材料，该熔 渣执行清洁功能。在凝固凝固时，熔渣被从新沉积的超合金材料移除以露出无裂纹表面。这 样的方法已被证明即使对于超出图1所示的传统可焊接性区域以外的超合金材料也是有效 的。
[0012] 本发明人现在通过公开方法来延伸在美国专利申请公开号US2013/0136868A1中 所描述的能力，其中添加剂超合金材料被沉积到原始超合金材料上，使得该添加剂超合金 材料具有不同于原始超合金材料的对应特性的特性。在原始材料和添加剂材料之间改变的 性质作为非限制性示例，可以是材料组成、晶粒结构、主晶轴、晶界强化和/或孔隙率。此外， 添加剂材料本身可以具有贯穿其体积的变化特性，添加剂材料的全部或仅部分不同于原始 超合金材料。在下面更全面描述的一些实施例中，添加剂材料的性质可被选择为响应于所 得到的组件可被设计以工作的预期环境。
[0013] 图2是超合金部件20的局部剖面图，该超合金部件可以是燃气涡轮发动机的热气 体路径部件，例如诸如叶片，轮叶或燃烧器喷嘴或燃烧器。部件20被示为经历材料添加工 艺，其中多层添加剂超合金材料22，24，26，28已经被沉积在原始超合金材料30上。应该理 解，原始超合金材料30可以是制造部件20的原始铸造材料，或者它可以是在先前修复或制 造步骤期间被添加到部件20中的材料层。
[0014] 图2示出在例如通过类似于在美国专利申请公开号US 2013/0136868 A1中所描述 的工艺被沉积到先前沉积的层26上的过程中的添加剂超合金材料层28。在本实例中，混合 的粉末状超合金材料和粉末状焊剂材料的层32已被沉积在层26上并正被在箭头36的方向 上横穿过层32的能量束，例如激光束34熔融。激光束34熔化粉末以形成熔池38，其中熔渣材 料层40浮动以覆盖添加剂超合金材料层28。熔池38在使激光束34横穿之后冷却并凝固。熔 渣层40然后通过任何方便的方法，例如喷砂处理，被去除(未示出），以露出添加剂超合金材 料28的新表面42。
[0015]如上所述，由于这种材料开裂的倾向，用于超合金部件的现有技术的修复技术在 其材料的选择上被约束。本发明人已经认识到，现在能够修改添加剂超合金材料的性质，以 便改进或优化所得部件的性能特征。例如，在图3所示的燃气涡轮机叶片50中，局部热气体 路径环境和在叶片50的材料中的应力水平在燃气涡轮发动机(未示出）的叶片使用期间，将 跨叶片50的根部分52、平台54和尖端区域56而变化。通过控制诸如示于图2的材料沉积工 艺，本发明人现在能够提供一种例如诸如通过在尖端区域56内提供更多耐氧化性，和在平 台54处提供更多耐腐蚀和耐侵蚀性，响应于这种变化的工作条件的修复。在叶片50的原始 制造期间或在修复期间，其中在原始(通常是铸造)超合金材料中服务诱发的裂纹58被去 除，并且裂纹的材料被具有不同于原始超合金材料的对应性质的性质的添加剂超合金材料 所替代，这种改进可以被实现。叶片平台54的区域60被示为已被以这样的方式修复，与原始 制造叶片相比时，被修复叶片50现在能够在操作过程中提供改进的性能（例如裂纹发生前 的小时数，或耐侵蚀或耐腐蚀性等）。
[0016] 如果设想图3的区域60是使用如图2所示的工艺修复的，则添加剂材料的组成，诸 如图2中的层22,不同于原始超合金材料30的组成。另外，跨添加剂材料的体积也可能存在 组成变化，诸如当最上面的添加剂材料层26,28具有不同于最下面的添加剂材料层22,24的 组成时。跨添加剂材料体积的组成变化可以替代地或附加地在单层内，例如通过改变跨层 26的表面的沉积的粉末状材料层32的组成来实现。这种变化可以通过改变粉末状合金材 料、粉末状焊剂材料或两者的组成来实现。例如，添加的粉末状铝可以被包括在期望更高的 耐氧化性的区域内。并且随着铝含量增加以及所得的超合金变得更容易开裂，如图1所示， 粉末状焊剂材料的组成可以，例如通过包括更多的清除元素以降低在所得的添加剂合金中 的杂质而变化。
[0017] 在其他实施例中，添加剂超合金材料22，24，26，28的晶粒结构可能不同于原始超 合金材料30的晶粒结构。这可以通过控制熔池38的凝固过程实现。例如，原始超合金材料30 可以被传统地铸造成具有等轴晶粒结构。但是，为了提高其沿预定轴线的强度，可能期望控 制沉积的添加剂材料层22，24，26，28的熔化、冷却和凝固步骤，以在添加剂材料中形成定向 凝固的晶粒结构。在图2的图示中，激光束36的运动方向在方向36上，可以理解的是，熔池38 主要由下面的合金材料冷却，而且所产生的晶粒生长方向将是大致垂直的。然而，由于运动 方向，晶粒生长方向将不完全垂直于下面的表面，而是偏离垂直倾斜几度。由于倾斜趋于随 着多个层22,24,26,28被施加积累，该材料将