去除中间层材料的高温合金材料沉积的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般设及材料技术领域，并且更具体地沉积高溫合金材料而不开裂的方 法。
【背景技术】
[0002] 取决于被焊接材料的类型，焊接工艺差别很大。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，W实现结构良好的接合，而不使周围基底材料劣化。
[0003] 人们认识到，由于其对焊接凝固裂纹和应变时效开裂的敏感性，高溫合金材料是 最难焊接的材料之一。术语"高溫合金"在本文中被使用，因为它是本领域通常使用的；即在 高溫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。高溫合金通常 包括高的儀或钻含量。高溫合金的例子包括在售商标和品牌下合金:化stelloy，Inconel合 金（例如^738、^792、1脚39)，1^116合金（例如1^116服、1^110 8〇、1^116 142)，化71163合金， Mar M，CM 247，CM 247LC，C263,718，X-750，ECY 768,282，X45，PWA 1483和CMSX(例如CMSX- 4)单晶合金。
[0004] -些高溫合金材料的焊接修复已成功完成，通过预热材料到非常高的溫度(例如 达高于1600°F或870°C)，W在修复过程中显著增加材料的延展性。运种技术被称为热箱焊 接或在升高溫度(SWET)焊接修复的高溫合金焊接，它通常使用手动GTAW工艺完成。然而，热 箱焊接受到保持均匀的部件处理表面溫度的困难和保持完整的惰性气体保护的困难W及 在运种极端的溫度下在部件附近工作给操作者施加的身体困难的限制。
[0005] -些高溫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来进行； 从而限制基底热效应的出现和引起开裂的应力问题。然而，运种技术对于许多零件的几何 形状不便于使用冷却板的修复应用是不实际的。
[0006] 图1是一个常规的图，其示出了作为其侣和铁含量的函数的各种合金的相对焊接 性。合金如inconef'iN7i8,其具有相对较低的运些元素的含量，并必然相对较低的丫基本 含量(prime content)，被认为是相对可焊接的，虽然运种焊接通常被限制到部件的低应力 区域。合金例如Ine〇ll^?IN939具有相对较高的运些元素的含量，通常不被认为是可焊接 的，或只能使用上面讨论的特殊步骤被焊接，运增加了材料的溫度/延展性并最小化工艺的 热输入。虚线10表示可焊性区域的可识别上边界。线10在纵轴上与3wt. %的侣相交，在横轴 上与6wt. %的铁相交。可焊性区域W外的合金被认为是使用已知工艺非常困难或不可能进 行焊接的，并且具有最高侣含量的合金一般被发现是最难W焊接的，如由箭头所表示的。
[0007] 还已知的是，利用选择性激光烙化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)烙融一薄层高溫 合金粉末颗粒到高溫合金基底上。在激光加热过程中，通过施加惰性气体，例如氣气，将烙 池从大气屏蔽。运些工艺往往捕获氧化物(例如侣和铭的氧化物），它们附着在沉积材料层 内的颗粒表面上，造成孔隙、夹杂物，和与被困氧化物相关的其他缺陷。后处理热等静压 化IP)经常被用来去除运些空隙、夹杂物和裂缝，W改善沉积涂层的性能。非常薄的层（即 1mm的几分之一）的高溫合金材料的激光微包覆(microcladding)已经取得了 一定的成功。 然而，运样的过程是缓慢的，并且因此成本高，并且在非可焊接性区域的高溫合金沉积仍然 是个问题。
【附图说明】
[0008] 本发明在下面的说明书中基于附图进行说明，所述附图示出：
[0009] 图1是示出了作为其侣和铁含量的函数的各种合金的相对可焊性的常规图表。
[0010] 图2是现有技术材料沉积的剖面图。
[0011] 图3A-3D示出了根据本发明的方法的步骤。
[0012] 图4示出了本发明的一个实施例的步骤。
[0013] 图5是本发明的部件修复方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明人已开发了一种技术，该技术能够W远远超过现有技术中所实现的层厚度 成功沉积非常难W焊接的高溫合金材料，所沉积的材料还具有有利的定向凝固 (directionally-solidified)晶体结构。本发明人已经认识包覆材料的某些特性，并且已 经开发出本发明来利用运些特性的有利方面，并克服运些特性的有害方面。
[0015] 图2是通过激光包覆工艺沉积在多晶等轴(equiaxed)基底14上的材料层12的横截 面图。在大致平坦表面上的大面积激光包覆倾向于在沉积材料中产生大致垂直于表面的溫 度梯度。对于适度的沉积行进速度，溫度梯度仅稍微从行进进展方向法线偏斜。在沉积材料 主要通过到下层基底的热损失冷却时，外延凝固（邱：Uaxial solidification)沿着运样的 溫度梯度发生。因此，微结构趋向于定向凝固，晶粒大约垂直于基底表面生长。运种效果类 似于定向凝固铸造工艺，其中铸模提供具有相对低的热传导的壁，并且热从模具的底部被 提取，W使原料晶粒垂直增长。运种效果在图2的区域16的大致垂直定向晶粒中被示出。
[0016] 沉积材料12的顶部区域18具有由表面张力作用引起的稍微圆形形状。而与到基底 的热损失相比，到周围大气的热损失相对较低，运将沿大致垂直于圆形轮廓的顶部区域18 存在溫度梯度。因此单向凝固在该区域丢失，并且晶粒结构一般是等轴的，如在图2中所示。 在该第一沉积12上方的材料的第二层沉积(未示出）将趋向于产生更多等轴材料，因为溫度 梯度随后将垂直于圆形表面。
[0017] 对于难焊高溫合金材料，等轴凝固的发生通常与微裂纹相关联。本发明人已经发 现，通过多个沉积材料层形成的包层可W靠近基底无裂纹，但在后续层中表现出多种有害 的裂纹。运种开裂原因可能包括等轴材料更可能弱化的晶界面积W及在凝固和沉积收缩过 程中应力可能不利的被定向的可能性的事实。
[0018] 本发明的发明人已经发现，通过在多层包覆过程中包括中间层材料去除步骤，可 W实现甚至更难W焊接的高溫合金材料的无裂纹沉积。特别地，沉积材料层到基底表面上 之后，材料层的等轴材料部分被去除W暴露定向凝固材料的表面。材料去除过程可W是通 过研磨、机加工或有效地去除沉积材料层的上部等轴区域的任何其他工艺，如沉积12的层 18。定向凝固材料的暴露表面然后优选平行于原始基底表面，并垂直于晶粒生长的方向，并 且它已准备好使用另一材料层来包覆。材料去除和沉积步骤然后被重复直到获得定向凝固 材料的所需厚度。
[0019] -种运样的方法参照图3A-3D进行了更详细的说明。图3A是沉积在基底22上的合 金材料20的第一层的横截面图，例如通过激光包覆工艺。合金材料20和基底22在一些实施 例中可W是高溫合金材料。合金材料20包括定向凝固区域24和等轴区域26。如本文中所使 用的运些区域的名称并不意图排除在区域中的其他晶型的一些附带量，而是表明在区域中 的主要晶体形态。由于正常的表面张力的影响，等轴区域26具有不平行于基底22的表面30 的上表面27。
[0020] 图3B示出了经历材料去除工艺之后图3A的结构，其中等轴区域24已被去除W暴露 定向凝固材料24的表面28。暴露表面28优选是平的，平行于基底22的初始表面30,并垂直于 定向凝固材料24的纵向生长轴线。一些定向凝固材料可W在材料去除步骤中被去除。
[0021] 图3C示出了合金材料32的第二层已经被沉积到定向凝固表面28之后图3B的结构。 第二层32还包括定向凝固区域34和上覆等轴区域36。相对平坦的定向凝固表面28提供散热 器，用于创建在材料沉积过程中生长定向凝固区域34必要的溫度梯度。没有等轴材料被保 持在定向凝固材料24、34的层间，并且定向凝固因此从层延伸到层。在具有四层一个巧聯样 品中，定向凝固微观结构延伸到第四层的近顶端，而利用轻磨削（小于约1mm的材料去除)在 层之间没有开裂。类似的研磨在多遍一个接一个(side by side)的高溫合金的激光烙覆中 可能是有价值的。
[0022] 图3D示出了等轴区域36已被去除之后的图3C的结构，W暴露另一个平面定向凝固 表面38,其可用于实现具有所需厚度的多层包层40所需材料的进一步沉积。不同于现有技 术的高溫合金材料多层包覆，按照本发明的包层40不包括通过其厚度的等轴材料。当基底 表面30是平坦的，或者至少在材料沉积区域合理地平坦时，有可能产生定向凝固材料在基 底22上的包层40,无论基底22是否被定向凝固或等轴化。
[0023] 可选地，层之间的包覆进展方向可W随着进一步有助于保持定向凝固而改变。采 用缓慢行进速度，溫度梯度仅从行进方向的法线稍微倾斜，从而导致晶粒生长纵向轴线与 基底表面平面之间的小程度的非垂直度。沉积在相同行进方向上的附加层可能会导致进展 性偏斜，运可能最终导致等轴凝固。通过颠倒进展的方向（即首先进入图3的平面，然后从图 3的平面离开），偏斜溫度梯度将在层之间切换并且从而在垂直方向上保持凝固。在各种实 施例中，沉积方向可W在每层之间颠倒，或一些多个层可W在颠倒之间进行沉积。
[0024] 图4示出了根据本发明的实施例可用于沉积高溫合金材料的材料沉积工艺（例如 图3A的层20或图3C的层34)。在图4中，基底50正经历焊剂辅助激光包覆工艺。基底