包括涡轮机叶片的超级合金部件的等温结构修复的制作方法
【专利摘要】超级合金部件中的裂纹和其它缺陷的结构修复，例如固定式或航空燃气涡轮机中的蒸汽或燃气涡轮机叶片，通过将叶片基体加热到低于基体的初始熔点的等温保持温度，并且用熔化的超级合金填充材料填充裂纹来实施。熔化的填充物在等温保持温度下固化成铸件并且与部件基体相结合。完成热处理过程，使得前裂纹被与相邻的基体超级合金材料相同或相似的结构特性的铸造超级合金材料填充。浇铸修复方法可以广泛使用于超级合金部件所有类型的缺陷，包括先前通过装饰性的，较低强度的焊接或铜焊方法修复的缺陷。
【专利说明】包括涡轮机叶片的超级合金部件的等温结构修复
[0001]要求优先权
本申请要求于2011年11月3日提交的，被分配的序列号为61/555，109的，题为“Isothermal Structural Repair of Gas Turbine Components (燃气润轮机部件的等温结构修复)”的共同待决的美国临时专利申请的权益，其通用引用并入本文。
[0002]本公开背景 1.发明领域
本发明涉及在先进的超级合金部件中的缺陷的结构修复。在某些实施例中，本发明涉及用于蒸汽或燃气涡轮机(工业的或航空的)的超级合金涡轮机叶片中的裂纹或其它缺陷的修复，以不明显减弱超级合金叶片基体的机械结构或材料特性的方式，通过使用熔化的超级合金填料填充裂纹。熔化的超级合金填料固化成超级合金填料的现场浇铸补片。
[0003]2.【背景技术】
燃气涡轮机或其它超级合金部件的“结构”修复普遍被认为是将损坏材料替换为匹配的合金材料，并且获得机械性能，例如强度，其接近初始的制造部件规格(例如，最终的抗张强度为原始规格的70%)。例如，优选地在已经经历开裂的涡轮机叶片上执行结构修复，以便减少裂纹进一步增长的风险，并且叶片被还原成初始的材料结构和尺寸规格。
[0004]被用来生产涡轮机部件的基于镍和钴的超级合金材料的结构修复，例如浇铸的涡轮机叶片，由于叶片成品材料的冶金特性而存在挑战性。例如，带有按总重量百分比计超过6%的铝或钛含量的超级合金，例如CM247或DS247合金，当遇到高温焊接时，比低铝-钛含量的X-750超级合金，更容易受到应变时效裂纹的影响。成型的涡轮机叶片合金通常在浇铸后热处理中被强化，使其实施随后的结构修复焊接非常困难。目前针对超级合金结构生产或修复采用的焊接工艺通常包含邻接焊接准备体的基体的熔化，以及完成焊条或其它添加的填充材料的熔化。当由此种材料构成的叶片与同种或相似的合金的焊条一起熔化，该叶片易受焊接点及其附近的结晶裂纹(也称作偏析)，和/或在随后的热处理，以及旨在修复超级合金初始的强度以及可比拟新部件的其它材料特性的处理中的应变时效(也称作再加热)裂纹的影响。
[0005]与结构修复相比，超级合金的“装饰性”修复被认为是将受损材料替换为不匹配的较低的结构特性规格的合金材料，其局部的初始的结构性能不被需要。例如，装饰性修复可能被用来修复修过的部件的初始的几何轮廓。如上所述，为了减少当部件被重新使用时出现裂纹随后的传播，需要在裂纹表面实施结构修复。相反地，列举一个装饰性修复的例子，为了修复其初始的气动轮廓，填充涡轮机叶片翼型上的填充表面凹点(与结构裂纹相对)，其叶片外部局部外表面的材料特性对整个叶片的结构完整性并非关键的。装饰性修复通常通过使用抗氧化焊缝或比叶片本体超级合金基体强度低的铜合金来实现，但是具有较高延展性和较低应用温度，其并未给超级合金基体的材料特性带来负面影响。
[0006]由于超级合金结构修复焊接的缺点，通常仅商业可接受的解决方案为废弃需要结构修复的受损涡轮机叶片，因为过去的经验表明此类结构修复成功次数有限。因此修复被限于在过去证明能通过装饰性焊接成功实施的修复，使用结构强度降低的延性焊条填充材料。在结构焊接修复成功实施的状况下，装饰性焊接修复通常被实施在不需要结构修复的叶片部分上。这在相同叶片上需要两种不同的修复模式。
[0007]因此，现有技术需要一种在例如涡轮机叶片的超级合金部件表面上实施结构修复的方法，如此结构破坏裂纹和其它的表面缺陷能够被修复。
[0008]另外现有技术还需要提高在例如涡轮机叶片的超级合金部件表面上的结构修复的成功率，使得能够减少受损叶片的废弃率。
[0009]现有技术还需要实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的结构修复的方法，通过被证明的可重复的修复技术和修复后不需要复杂焊接的热处理过程。
[0010]现有技术另外还需要实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的修复的通用方法，使其能够用来修复所有叶片的缺陷。
【发明内容】
[0011]相应地，本发明的目的在于实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的结构修复，因此结构裂纹和其它表面缺陷能够被修复。
[0012]本发明的另一目的在于提高实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的结构修复的成功可能性，使得减少受损部件的废弃率。
[0013]本发明还有另外的目的在于实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的结构修复，其采用被证实的，可重复的修复技术，并且修复后不需要复杂焊接的热处理过程。
[0014]本发明额外的目的在于创造实施例如涡轮机叶片的超级合金部件的修复的通用方法，如果有需要，该方法能够被用于所有叶片缺陷的修复。
[0015]这些和其它的目的依照本发明得到实现，通过使用单一的、可能通用的修复方法，可结构上修复超级合金材料部件中的可能所有的缺陷，例如在固定式或者航空燃气涡轮机中的蒸汽或燃气涡轮机叶片。当实施修复时，表面缺陷裂纹周围的区域被清洁。叶片部件(或整个部件)的被清洁的区域被加热到所需温度。现在加热的叶片裂纹被与叶片基体合金相同的熔化的超级合金填充材料或其它的带有可比的结构特性的超级合金材料填充。熔化的填充合金随后固化并且至少填充裂纹或其它缺陷的一部分，由此创造了现场浇铸补片，或者在等温地加热温度下填充。一个或多个铸造填充孔道被完成以便于使用熔化的填充合金将裂纹或其它缺陷填充到所需程度或者完全填充。现在的裂纹被填冲的超级合金部件的等温建立过程被完成。一旦建立过程完成，多余的填充合金可被移除来使裂纹表面轮廓与相邻的叶片或者其它部件基体保持一致。
[0016]本发明的实施例也表现了修复的超级合金部件，例如其中带有裂纹的超级合金基体的涡轮机叶片。裂纹被填充以填充超级合金的现场浇铸补片，其材料选自包含与超级合金部件基体相同的超级合金或者其它的带有可比的结构特性的超级合金的构成的组。补片可包含多层填充超级合金。基体和填充合金可以是CM247或DS247超级合金。
[0017]本发明的实施例额外地显示了修复的超级合金部件，例如其中带有裂纹的超级合金基体的涡轮机叶片。裂纹被填充以填充超级合金的现场浇铸补片，其材料选自包含与超级合金部件基体相同的超级合金或者其它的带有可比的结构特性的超级合金的构成的组。现场浇铸补片通过将超级合金部件基体加热到所需等温保持温度的过程形成。然后裂纹由熔化的超级合金填充物至少部分填充。随后超级合金填充物固化来形成铸件补片。补片可包含多层填充超级合金。基体和填充合金可以是CM247或DS247超级合金。该过程可在处于保护气氛下和/或小于环境空气压力的真空压力下的炉中实施。
[0018]本发明另外的实施例表现了修复基体区域中带有裂纹的超级合金部件的修复方法。在实施该方法时，基体区域被加热到所需的等温温度。然后裂纹至少部分地被熔化的超级合金填充物填充。熔化的填充物固化形成现场浇铸补片。补片可包含多层超级合金填充物，其通过沉积熔化的超级合金填充物的多个连续层形成。由此连续层沉积填充在先前沉积的超级合金填充物中出现的任意填充裂纹。基体和填充合金可以是CM247或DS247超级合金。该过程可在处于惰性气体的控制的熔化的气氛下和/或小于环境空气压力的真空压力下的炉中实施。
[0019]本发明的目的和特征可被各自地或共同地运用于本领域技术人员对其任何的组合或子组合中。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]本发明的教导通过结合附图考虑下列的详细描述能够很容易地理解，其中:
图1显示基体内带有裂纹缺陷的超级合金涡轮机叶片部件的透视图；
图2显示图1的涡轮机叶片部件的横截面示意图，沿其2-2截取；
图3为结构修复超级合金部件中裂纹缺陷的修复设备的示意性透视图；
图4为与图2类似的横截面示意图，显示了部分的结构裂纹修复；
图5为与图4类似的横截面示意图，显示了完整的结构裂纹修复；以及图6是图5的结构修复的横截面示意图，其中多余的填料铸件已经被移除来使得修复区域的部件表面轮廓与附近的叶片部件基体相符合。
[0021]为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来指代对所有图通用的相同的元件。
【具体实施方式】
[0022]在考虑下列描述后，本领域技术人员将清楚地认识到本发明的教导能够很容易地用于结构修复超级合金材料部件中的缺陷，例如固定式或航空燃气涡轮机中的蒸汽或燃气涡轮机叶片。本发明可选地促进对所有超级合金部件缺陷的单一通用的修复方法的使用，包括先前通过“装饰性的”非结构修复方法修复的缺陷，使得只需要装备修复设备执行一种通用的修复工艺。
[0023]图1和图2显示了示例性的固定式燃气涡轮机叶片，其带有基体10和裂纹缺陷
12。当实施修复时，表面缺陷裂纹12附近的区域被清洁。参考图3，叶片部件基体10 (或整个部件)的清洁的区域优选地在真空的或惰性气体的保护气氛下的炉20中加热至所需温度，低于叶片初始的熔化温度，并高于800°C (1472 °F)0已知的电感加热器30在炉20里，或者与其连通。加热器30包括由石英、红宝石或者其它已知的适于将粉状的超级合金材料熔成熔化状态的材料构成的坩埚管32。加热器30也带有感应加热线圈元件34，该感应加热线圈元件34在坩埚32中以高于其熔点的温度熔化超级合金填充材料40。
[0024]参照图4和图5，现在加热的叶片裂纹12被填充以熔化的填充超级合金材料40，其与叶片基体合金或者其它的具有可比的结构特性的超级合金材料相同。例如，由CM247或DS247超级合金构成的超级合金部件合适地由熔化的CM247填充合金来修复。熔化的填充合金材料40沿着裂纹12的长度，通过裂纹与坩埚32之间相对的运动而沉积。倒入的填充合金材料40与基体材料10在等温保持的温度下熔合，没有出现基体材料任何显著的局部的熔化。填充合金材料40随后在炉20里在相对较低的等温保持温度下硬化，形成裂纹12或其它缺陷的至少一部分的填充补片。随着填充合金材料40固化并且硬化成填充补片，一个或多个填充裂纹41可在其中形成。沉积一个或多个填充孔道(passes) 140，240，340等，以便于用无裂纹的填充合金将裂纹12或其它缺陷完全填充。位于各自的填充材料补片40，140，240中的裂纹41，141，241等被连续沉积层填充直至在裂纹12中位于基体10表面下方的所有填充材料不含有裂纹。
[0025]如图5所示，叶片基体10表面轮廓下方的裂纹41，141和241被连续的沉积层填充直至最后的裂纹341层位于基体表面上方。完成任何需要的对现在填充裂纹的超级合金部件基体10的等温加热。一旦任何的等温加热或其它冷却过程完成，多余的填充合金340可被移除来使得裂纹表面轮廓与邻接的叶片或其它部件基体保持一致，如图6所示。
[0026]在已知的修复或生产方法中，裂纹凹部12将通过较软的填充材料(装饰性修复)的热应用或通过相似的硬度的填充材料来填充。如前所述，应用超级合金填充物的焊接技术通常引起在焊接过程中或者焊接后的随后的热处理过程中在超级合金部件中产生非期望的裂纹。
[0027]在常规的结构超级合金焊接中，在固化过程中遭受过多的收缩应力的焊接区域中通常会形成熔核。即，在由此收集的焊接熔核的固化过程中，未熔化的基体10的周围材料并没有产生适应收缩应力。相反地，本发明的等温填充合金补片铸件修复过程采用连续沉积的熔化填充层将任何填充补片固化裂纹装满，使其位于修复的基体表面之下。
[0028]现在修复的超级合金部件基体10不再有表面损伤，其由新鲜的超级合金修复填料材料40，410，240，340替代，带有与初始的基体材料大体相似的材料特性。特别地，在硬化的填充合金补片中的表面硬度和强度特性与其初始的周围的材料大体相似。前裂纹12现在由超级合金填充材料40，140，240，340填充，在部件基体10中的机械或热导应力能够跨前裂纹12传递，由于它们的现在结合关系。修复的超级合金部件基体10和新的沿着前裂纹表面12的填充补片超级合金40，140，240，340之间相对的相对固定对于维持结构完整性是足够的。
[0029]新的固化的填充补片40，140，240，340与沿着前裂纹12表面的超级合金基体的局部结合并不明显地给现在修复的部件基体10的结构材料特性带来负面影响。修复后热处理(如果需要)最小化(如果未完全消除)修复的部件随后的应变时效裂纹的风险。因此，超级合金部件基体10修复的时间和花费可以由本发明的修复方法承担，没有修复失败的过度风险。在发电领域，即使由难以修复的CM247或DS247超级合金构成的带有裂纹的第一行(Row I)涡轮机叶片可以被修复，而无需废弃和更换新叶片。将本发明缺陷修复过程运用在所有缺陷上是可能的，包括先前通过非结构的“装饰性”修复方法修复的缺陷。
[0030]当实施本发明的等温浇铸修复方法时，总体目的在于实现超级合金子部件基体10沿着裂纹12表面和现场浇铸填充合金固化的补片40之间的局部结合，并不明显影响其中任意材料的超级合金材料特性。与已知的趋向于溶解超级合金基体10(因此负面地改变了材料特性使其易受随后的裂纹影响)焊接技术不同，本发明的等温浇铸过程避免了超级合金基体10明显的改变。
[0031]尽管结合本发明的教导的各种实施例在此处被详细显示和描述，本领域技术人员能够很容易地发明很多其它的变化实施例，其仍结合这些教导。
【权利要求】
1.一种修复的超级合金部件，其包括超级合金基体，所述超级合金基体在其中具有裂纹，其中所述裂纹由填料超级合金的现场浇铸补片填充，所述填料超级合金选自与所述超级合金部件基体相同的超级合金和具有类似结构特性的其他超级合金构成的组。
2.根据权利要求1所述的部件，其中基体和填料超级合金是相同的。
3.根据权利要求2所述的部件，其中基体和填料超级合金选自CM247或DS247超级合金构成的组。
4.根据权利要求1所述的部件，其中部件是涡轮机叶片。
5.根据权利要求4所述的部件，其中基体和填料超级合金选自CM247或DS247超级合金构成的组。
6.根据权利要求1所述的部件，其中补片包括填料超级合金的多个层。
7.根据权利要求1所述的部件，其中补片限定了外表面，所述外表面与邻接补片的基体的外表面相符合。
8.一种修复的超级合金部件，其包括超级合金部件基体，所述超级合金部件基体在其中具有裂纹，其中所述裂纹由填料超级合金的现场浇铸补片填充，所述填料超级合金选自与所述超级合金部件基体相同的超级合金和具有类似结构特性的其他超级合金构成的组，现场浇铸补片由下列过程形成: 将超级合金部件基体加热至所需等温保持温度，其在高于80(TC (1472 °F)与低于所述基体的初始熔点之间的范围； 在等温保持温度下至少部分地用熔化的超级合金填料填充裂纹；并且` 将铸造超级合金填料固化以形成结合到超级合金部件基体的补片。
9.根据权利要求8所述的部件，其中基体和填料超级合金是相同的。
10.根据权利要求9所述的部件，其中基体和填料超级合金选自CM247或DS247超级合金构成的组。
11.根据权利要求8所述的部件，其中部件为涡轮机叶片。
12.根据权利要求11所述的部件，其中基体和填料超级合金为CM247超级合金。
13.根据权利要求8所述的部件，其中加热、填充和固化步骤在受保护的气氛环境中执行，受保护的气氛环境选自真空和惰性气体气氛构成的组。
14.根据权利要求8所述的部件，其中填充步骤通过沉积熔化的超级合金填料的多个连续层来执行。
15.根据权利要求8所述的部件，其进一步包括热处理部件基体和补片。
16.一种修复带裂纹的超级合金部件的方法，其包括: 为超级合金部件提供其中具有裂纹的基体区域； 将基体区域加热到800°C以上的所需的等温保持温度； 至少部分地用熔化的超级合金填料等温地填充裂纹；并且 将铸造超级合金填料固化以形成补片。
17.根据权利要求16所述的部件，其中加热步骤在保护惰性气体气氛下在炉中执行。
18.根据权利要求16所述的部件，其中填充步骤通过沉积熔化的超级合金填料的多个连续层来执行，包括填充先前沉积的超级合金填料中由此出现的任何填料裂纹。
19.根据权利要求16所述的部件，其中加热、填充和固化步骤在真空中执行。
20.根据权利要求16所述的部件，其进一步包括在固化步骤之后热处理部件基体和补片。
【文档编号】B22D19/10GK103889649SQ201280053808
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2011年11月3日
【发明者】K.奥茨贝萨尔 申请人:西门子能源公司