专利名称：利用冷喷雾修复叶片平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于修复诸如燃气轮机的发动机中使用的诸如涡轮叶片的部件的平台部分的工艺方法。
背景技术：
在运转期间，燃气涡轮发动机中使用的叶片上的翼面平台边缘可能由于腐蚀或其它机制而磨损。这可能由于气路泄漏而导致降低发动机效率。因此常常需要将这些部件修复到其初始尺寸。由于叶片圆角靠近平台边缘，对边缘修复不能使用传统的熔融焊接，因为热量影响区会伸入高应力的圆角区域。
最近已引入冷气体动力喷射或“冷喷射”作为新的金属化喷射技术而将夹带或不夹带杂物的金属粉末沉积到衬底上。通过一个收敛/扩散喷嘴形成氦和/或氮的超声射流，并将其用于向该衬底加速粉粒而产生冷喷射的沉积物或涂层。沉积物通过塑性变形和粘结而附着到衬底或先前沉积的层上。美国专利No.5,302,414和No.6,502,767例示冷气体动力喷射技术。
发明概要因此，本发明的一个目的是提供一种用于修复发动机中使用的部件上的翼面平台边缘的工艺。
本发明的另一目的是提供一种不会损伤该部件上圆角的完整性的上述修复工艺。
上述目的可以利用本发明的工艺来达到。
按照本发明，提供一种用于修复发动机中使用的部件的工艺。该工艺包括提供一个具有待修复的磨损的边缘的部件，并利用一种非氧化的载气将至少一层金属粉末材料沉积在该磨损的边缘上，使得该金属粉末材料不会熔融地发生塑性变形，并在撞击该受磨损的边缘时粘合在该磨损的边缘上。
利用本发明的冷喷射工艺修复叶片平台的其它细节以及其伴随的其它目的和机制都在下列详述和附图中提出，图中相同的标号表示相同的部件。
附图简述
图1是表示涡轮发动机中使用的叶片的平台边缘上的通常磨损的照片；图2是一种用于将冷喷射的金属粉末材料沉积到涡轮发动机中使用的叶片的平台边缘上的设备的示意图；以及图3是表示一种利用本发明的冷喷射工艺进行的在试验样品的边缘上产生冷喷射积累的照片。
优选实施例详述现在参照图1，一个部件100，如用于发动机(如燃气涡轮发动机)中的涡轮叶片，有一翼面部分102和一平台104。如上所述，在操作中，平台的边缘106通常磨损而需要修复。本发明涉及一种利用冷喷射技术修复叶片平台的工艺。
将金属粉末材料沉积在需修复的部件部分的冷喷射工艺的优点在于，该工艺提供足够的能量来将粉粒加速到足够高的速度，使得这些粉粒在撞击时塑性地变形而粘合在待修复的部件表面上或先前沉积的层上。该冷喷射工艺允许一个相当稠密的涂层或构造沉积物的积累。冷喷射不会在冶金学上改变被喷射粉粒的初始状态。
当修理或修复一个用于发动机中的部件时，希望能从待修复的部件部分上首先除去任何腐蚀坑和/或受损区。除去腐蚀坑和/或受损区可以通过研磨、机加工或其它适用技术而用机械方法完成。如果需要，待修复表面可以被喷砂，然后利用冷喷射法进行沉积。
现在参照图2，图中示出一个用于将一种金属粉末材料沉积到待修复部件100的平台边缘106上的系统8。该系统8包括一根有一会聚/发散喷嘴20的喷射枪22，该喷嘴将金属粉末材料喷射到边缘106上。部件100可以用该技术中已知的任何合适的金属材料制成。在冷喷射沉积过程中，部件100和/或喷射系统8的部件可以保持静止或可以通过该技术中已知的任何适当的机械(未示出)而活动连接、转动或平移。
在本发明的工艺中，待沉积的材料是金属粉末材料。该金属粉末材料可以是与部件100相同的成分，也可以是与形成部件100的材料兼容而能改进磨损和/或可塑性能的成分。例如，该金属粉末材料可以是一种镍基合金，如IN 718、IN 625、IN 100、WASPALOY(高温镍基合金)、IN 939或GATORIZED WASPALOY(“给他力”沃斯帕洛依镍基高温耐蚀合金)。
用于形成边缘106上沉积物的金属粉末材料最好具有约5.0微米～50微米(0.2密耳～2.0密耳)的粒径。较小的粉粒粒径能获得较高的粉粒速度。粒径小于5微米，由于表面24上方的弓形冲击层而粉粒有从边缘106被扫出的危险，也即质量不足以使粉径通过弓形冲击。粉粒粒径的分布愈窄，粉粒速度就愈均匀。这是由于喷射/羽烟中的较小粉粒将击中较慢较大的粉粒并有效地减小两者的速度。
利用压缩气体如选自氦、氮、另一惰气及其混合物的气体可以将待沉积的粉粒加速到超声速度。氦为优选气体，因为它由于分子量小而产生最高的速度。
本发明的工艺所利用的将金属粉末材料转化为沉积物的粘合机制为严格的固态，这意味着粉粒塑性地变形而不会熔融。在粉粒上形成的或在边缘106上存在的或在先前的沉积层中存在的任何氧化物层被破碎而以极高压力形成新鲜的金属对金属的接触。
用于形成沉积物的金属粉末材料可以利用该技术中已知的任何合适方法如改造的热喷射进料器送入喷射轮22。可以利用的一种惯常设计的进料器由美国俄亥俄州克利夫兰市的粉末馈送动力学公司制造。也可以利用流化床进料器和带角状细缝的桶摇动进料器。
在本发明的工艺中，该进料器可用选自氦、氮、另一惰气及其混合物的气体来加压。进料器压力通常比主气体或头部压力高15psi，后一压力通常为200psi～500psi，取决于金属粉末材料的成分。
该气体可以被加热，使得其一旦经过喷嘴20的喉部时不会迅速冷却和冷冻。其净效果是，在沉积期间，部件100上的表面温度为约华氏115度。可以利用该技术中已知的任何合适机构来加热该气体。
为了沉积金属粉末材料，喷嘴20可以多次经过待修复的部件100的边缘106。经过的次数是待涂敷的粉末材料厚度的函数。本发明的工艺能形成具有任何所要厚度的沉积物。一次经过的冷喷射能产生厚0.002英寸～0.020英寸的薄层。
用于将金属粉末材料沉积在边缘106上的主要气体可以经入口30以0.001SCFM～50SCFM(最好为15SCFM～35SCFM)的流动速率通过喷嘴20。如果用氦作为主要气体，则上述流动速率是优选的。如果用氮本身或用氮与氦组合作为主要气体，则氮可以0.001SCFM～30SCFM(最好为4.0SCFM～30FCFM)的流动速率通过喷嘴20。
主要气体温度可以为600度华氏～1200度华氏，优选地为700度华氏～1000度华氏，最优选地为725度华氏～900度华氏。如果需要，主要气体可以加热到高达约1250度华氏，取决于被沉积的材料。
喷射枪22的压力可以为200psi～500psi，优选地为200psi～400psi，最优选地为275psi～375psi。金属粉末材料最好从料斗进给，它在比特定的主要气体压力高10～50psi(最好高15psi)的压力下经管线34以10克/1分钟～100克/分钟(最好为15克/分钟～50克/分钟)的速率送到喷射枪22。
该金属粉末材料用非氧化的载气送到喷射枪22。该载气可以经入口30以0.001SCFM～50SCFM(最好为8.0SCFM～15SCFM)的流动速率引入。上述流动速率用于以氦为载气。如果用氮本身或用氮气与氦混合作载气，可以使用0.001SCFM～30SCFM(最好为4.0～10SCFM)的流动速率。
雾化喷嘴20保持在离边缘106一定距离处。该距离称为喷射距离，可以为10mm～50mm的范围。
金属粉末微粒离开雾化喷嘴20的速度可以为825m/s～1400m/s的范围，最好为850m/s～1200m/s。
利用冷喷射来修复燃气涡轮发动机中用的部件的平台边缘106的尺寸的一个优点是，可以完成修复而不会损伤可能存在的任何圆角的完整性。这是由于冷喷射工艺不会产生热影响区。
图3是试验样品上一个边缘的冷喷射积累的照片。该试验样品是厚度约0.125英寸的INCO 718材料的片200。该样品的边缘200用本发明的冷喷射工艺来喷射而沉积INCO 718材料，以积累边缘厚度约0.012英寸。喷射在试验样品上的粉末为具有15.67微米平均粒径的INCO 718粉末，其标准偏差为约5.6微米。粉粒利用氦作主要气体来喷射。主要气体压力为300psi，主要气体温度为878度华氏。粉末利用氦载气在315psi的压力和20克/分钟的速率下供给到喷嘴。该雾化喷嘴有一个1英寸的投射距离。每经过一次的沉积厚度为约0.002英寸。该沉积物由总共经过六次来形成。该沉积物密实度为97％。
在某些情况下，可能需要使一个已修复的部件经受热处理，以提高沉积材料的可塑性和/或耐磨性能。在这种情况下，可以利用该技术中已知的任何适当的热处理，包括(但不限于)球形和局部热处理。
虽然本发明是联系燃气涡轮发动机中使用的叶片上的平台边缘的积累而讨论的，但应当认识到，本发明的工艺也可用于修复或修理其它类型的部件上的边缘表面。
相对于其它金属化工艺，冷喷射工艺提供许多优点。因为这些粉末并不加热到高温，所以不会发生原材料的氧化、分解或其它品质退化。沉积期间的粉末氧化也受到控制，因为粉粒被包含在无氧的加速气流中。其它潜在的优点包括形成压缩的残余表面应力和保持原料的微结构。同时，因为使用相当低的温度，所以将尽可能减小衬底的热变形。因为原料不会熔融，所以冷喷射能够沉积不能用传统技术喷射的材料，传统技术由于生成脆性的金属间化合物或在冷却时或其后的热处理期间存在破裂的倾向而不能采用。
权利要求
1.一种用于修复部件边缘部分的工艺方法，包括以下步骤提供一个有一被磨损边缘的部件；以及利用一种非氧化运载气体将至少一层金属粉末材料沉积在所述被磨损边缘上，使得所述金属粉末材料在不熔融的状态下产生塑性变形，并在冲击所述被磨损边缘时粘结到所述被磨损边缘上。
2.按照权利要求1的工艺方法，其特征在于，所述提供部件的步骤包括提供一个用于发动机中的有一翼面部分和一带所述被磨损边缘的的平台的部件。
3.按照权利要求2的工艺方法，其特征在于，所述沉积步骤包括沉积至少一层其成分与制成所述平台的材料的成分相同的金属粉末材料。
4.按照权利要求2的工艺方法，其特征在于，所述沉积步骤包括沉积至少一层其成分达到改差耐磨性和/或可塑性而与制成所述平台的材料兼容的金属粉末材料。
5.按照权利要求2的工艺方法，其特征在于，所述部件有一圆角，而所述沉积步骤是在不影响所述圆角完整性的情况下完成的。
6.按照权利要求1的工艺方法，其特征在于，所述沉积步骤包括将多层所述金属粉末材料沉积到所述被磨损边缘上。
7.按照权利要求1的工艺方法，其特征在于，还包括在所述沉积步骤之前消除所述被磨损边缘中的缺陷。
8.按照权利要求1的工艺方法，其特征在于，还包括使被沉积到所述边缘的所述材料受到热处理，以改善可塑性。
9.按照权利要求1的工艺方法，其特征在于，所述沉积步骤包括使所述金属粉末材料形成具有颗粒尺寸为5微米～50微米的颗粒形式并将所述粉粒加速到825m/s～1400m/s的速度，其中，所述沉积步骤还包括利用选自氦、氮、另一惰气及其混合物的运载气体以10克/分钟～100克/分钟的馈送速率将所述金属粉末馈送到一雾化喷嘴。
10.按照权利要求9的工艺方法，其特征在于，所述加速步骤包括将所述粉粒加速到850m/s～1200m/s的速度。
11.按照权利要求9的工艺方法，其特征在于，所述馈送步骤包括以15克/分钟～50克/分钟的馈送速率将所述金属粉末馈送到所述雾化喷嘴。
12.按照权利要求9的工艺方法，其特征在于，所述载气为氮，而所述馈送步骤包括以0.001SCFM～50SCFM的流动速率将氦馈送到所述喷嘴。
13.按照权利要求12的工艺方法，其特征在于，所述馈送步骤包括8.0SCFM～15SCFM的流动速率将所述氦馈送到所述喷嘴。
14.按照权利要求9的工艺方法，其特征在于，所述载气包括氮，而所述馈送步骤包括以0.001SCFM～30SCFM的流动速率将所述氮馈送到所述喷嘴。
15.按照权利要求14的工艺方法，其特征在于，所述馈送步骤包括以4.0SCFM～10SCFM的流动速率将所述氮馈送到所述喷嘴。
16.按照权利要求9的工艺方法，其特征在于，所述沉积步骤包括利用一种选自氦、氮、另一惰气及其混合物的主要气体以600度华氏～1200度华氏的主要气体温度和200psi～500psi的喷射压力使所述金属粉粒通过所述喷嘴。
17.按照权利要求16的工艺方法，其特征在于，所述通过步骤包括以700度华氏～1000度华氏的主要气体温度和200psi～400psi的喷射压力使所述金属粉粒通过所述喷嘴。
18.按照权利要求16的工艺方法，其特征在于，所述主要气体在257psi～375psi的喷射压力下其温度为725度华氏～900度华氏。
19.按照权利要求16的工艺方法，其特征在于，所述主要气体包括氦而所述通过步骤包括在0.001SCFM～50SCFM的流动速率下将所述氦馈送到所述喷嘴。
20.按照权利要求19的工艺方法，其特征在于，所述氦馈送步骤包括以15SCFM～35SCFM的流动速率将所述氦馈送到所述喷嘴。
21.按照权利要求16的工艺方法，其特征在于，所述主要气体包括氮而所述通过步骤包括在0.001SCFM～30SCFM的流动速率下将所述馈送到所述喷嘴。
22.按照权利要求21的工艺方法，其特征在于，所述氮馈送步骤包括以4.0SCFM～8.0SCFM的流动速率将所述氮馈送到所述喷嘴。
全文摘要
提供一种修复用于发动机的部件的受磨损边缘的工艺。该工艺包括提供一个有受磨损边缘的部件和利用一种非氧化载气将至少一层金属粉末材料沉积在该受磨损的边缘上，使得该金属粉末材料不会熔融地发生塑性变形而在撞击该受磨损的边缘时粘合在该受磨损的边缘上。
文档编号B05D1/06GK1793422SQ20051013382
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月22日
发明者A·德比卡里, J·D·海恩斯 申请人:联合工艺公司