涡轮零件的修复的制作方法

专利名称：涡轮零件的修复的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮零件的修复。尤其涉及磨损或损坏的燃气涡轮发动机风扇叶片和压缩机叶片和轮叶的修复。
背景技术：
燃气涡轮机的构件容易被磨损和损伤。某些构件的即使是中等程度的磨损和损伤也会影响发动机的正常运转。特别要关注的区域包括各个叶片和轮叶的翼面。磨损和损伤会影响其空气动力学效率，产生动力不平衡，在较极端的情况下甚至要牺牲该磨损/损伤零件的结构。修整通常只限于在少量磨损或损伤的翼面上进行，其时还要更多地去除到该磨损/损伤部之下的额外材料，以便提供一个较有效率而清洁的截面轮廓、但比原来或现有轮廓小的翼面。这种修整只有在一定限制之下才能进行，建立这种限制的示范检查判据在美国Connacticut州East Harttord的联合工艺技术公司的Pratt & Witney JT8D发动机手册(P/N 773128)，ATA 72-33-21，检查篇-01中有示出。这种限制在各叶型中可以不同，因为它取决于翼面的位置和具体用途。该限制通常出自对结构和功效的考虑，这两点限制了所可去除材料的数量。
为了更广泛地修复燃气涡轮发动机的磨损或损坏的零件，提出了各种方法。美国专利4822248号提出使用等离子炬来淀积镍或钴基的超级合金材料。美国专利5732467号提出使用高速氧化燃料(HVOF)和低压等离子体喷雾(LPPS)方法来修理这种涡轮零件的裂纹。美国专利5783318号还提出了LPPS加上激光焊接和等离子体转移弧焊接的方法。美国专利6049978号提出了进一步使用HNOF的方法。这些方法提供了有限的堆积更换材料以修复原来或接近原来的横截面的能力。然而，更换材料的结构性质相对于基本材料的结构性质可能基本上是有限制的。
特别是对于较大的损坏，可以使用预先制成的嵌衬，将它焊接就位以修理损坏的地方。利用这种嵌衬时，要将损坏的区域切成该嵌衬的预先确定的形状，再将该嵌衬焊接就位。焊接的结构限制，如同利用其他方法一样，将这种修理方法的能力限制在翼面应力较低的区域。一般，发动机修理手册都指明允许进行焊接修理的低应力区域。因此，磨损/损坏的程度与磨损/损坏区域所受应力的综合，可能限制这些方法的使用。高应力区域通常包括接近风扇叶片的中间跨距覆环(特别是其内侧)的区域。
发明概述本发明的一个方面包括修复Ti合金零件的方法，该零件的损坏地方已经丧失了第一种材料。为了形成基础表面，可以至少是部分地从损坏的地方去除附加的材料。用物理方法至少部分地将Ti基材料淀积在该基础表面的顶部，以代替第一种材料和该额外材料。
在各实施过程中，该Ti基材料可以为Ti-6Al-4V，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MO或Ti-8Al-1V-1MO，并基本上可以与该零件的Ti基合金相同。可以从该零件没有损坏的部分去除大部分额外材料。该淀积材料的大部分可以基本上或全部代替该第一种和额外材料。该零件可以为具有根部和翼面的叶片，而该损坏地方可以沿着该翼面中间叶展覆环内侧的该翼面的前缘。该损坏地方可以在该中间叶展覆环内侧不大于该翼面叶展15％的地方。该损坏地方可以位于该中间叶展覆环内侧的这种叶展的30％和该中间叶展覆环外侧的这种叶展的20％之间。范围更缩小一点的话，这种内侧和外侧的限制可以为20％和10％。该第一种材料可以丧失至至少是2.0mm的深度。该方法还可包括在所述除去步骤后，将一衬底件加上邻近该损坏地点突出来的该零件上，以使得该淀积金属堆积在该基础表面和衬底件上。该方法还可包括至少部分地除去该衬底件和加工该零件的相邻的淀积材料与先前存在的材料，以形成第二个基础表面。然后，将更多的金属用物理方法淀积在该第二个基础表面的顶部。上述淀积方法可以包括蒸发淀积，电子束物理蒸发淀积和电子束闪蒸蒸发淀积。
本发明的一个或多个实施例的详细结构在附图和下面的说明中给出。本发明的其他特点、目的和优点从说明、附图和权利要求书中将可了解。
附图简述

图1为燃气涡轮发动机的风扇翼面的图；图2为图1所示翼面的从顶部向内看的图；
图3为损坏时图1所示翼面的部分截面图；图4为磨损时图1所示翼面的部分截面图；图5为加工除去损坏/磨损表面后，图1所示翼面的部分截面图；图6为在加上衬底件后图5所示的翼面的部分截面图；图7为在淀积初始材料，重建翼面后的图6所示的翼面的部分截面图；图8为在进一步加工和淀积额外材料，以重建该翼面后，图7所示的翼面的部分截面图；图9为在进一步加工后图8所示翼面的图。
在各个附图中，相同的标号表示相同的零件。
发明详述图1表示燃气涡轮发动机的一个风扇叶片20。该叶片具有一个内侧的叶片根部22，用于将该叶片与一个圆盘(没有示出)连接。平台24将该叶片根部与从该平台延伸至顶部28的翼面26隔开。该翼面具有前缘30和后缘32，而负压侧34和压力侧36在它们之间延伸。在该示例性叶片中，在沿着该平台和顶部之间的叶展的中间位置上，一个中间叶展阻尼器覆环突出部分40从压力侧和负压侧表面中的每一个表面伸出。
该压力和负压侧的突出部分40可以相应地与相邻叶片的负压和压力侧突出部分相互作用，以衰减叶片振动。该中间叶展覆环突出部分的回转质量，与和相邻的突出部分的相互作用产生的力一起，使该叶片在接近这些突出部分和其内侧的区域中受到高应力作用。这些应力可以限制这些区域相对于其他应力输出的区域的修理能力。已经发现，可以使用电子束物理蒸发淀积(EBPVD)来淀积修理材料，这时其残余应力较低，其性质基本上与其下面的基础材料的性质相同。相对于焊接修理方法，该淀积材料的强度高、并且对该基础材料的粘接力较大。该淀积可在没有过渡的液体相情况下进行，直接仅蒸发可凝固。
图3表示由外来物体损伤(FOD)造成的局部损坏，该FOD在接近前缘的翼面上造成刻痕或碎裂，形成一个损坏的进气部分30’。图4表示更一般的损坏，例如前缘在位置30”处的腐蚀。该损坏地方应清洁，没有污染。进一步去除基础找到可以形成用于接受淀积的一个更好的基础表面。在示例性的修复工艺过程中，在损坏/磨损后，磨削该叶片的剩余的基础材料，至预先设定的形状，例如可以形成一个有角度的引导小平面或基础表面50(图5)。该小平面与凹入的压力侧表面36形成角度θ1。θ0大于120°，更窄一些为120°～130°。该小平面50的位置/取向决定于许多因素，并可根据该损坏的位置决定，使得，利用一个给定的修理设施，可对在该翼面上的一个给定点处的损坏进行同样的加工。
在一个优先的图示变型中，一个衬底的架子/掩膜件52固定在该翼面上，该零件52在靠近丧失/去除材料的位置，突出在该小平面50之外。在该示例性实施例中，该衬底件52可以为具有第一和第二个表面53和54的一个金属(例如铝)带。该第一个表面53的尾端部分固定在该负压侧表面34的剩余的无损伤的引导部分上。表面53的前端部分突出在丧失的前缘30之外，而中间部分与该负压侧表面34的丧失部分对准，沿着该翼面的原来轮廓延伸。另一个变型中，该表面53可以与该丧失的原来表面轮廓对准，全部或部分地延伸至任何一侧。
然后，将该叶片相对于沿着观测通道线502发射蒸发的蒸发源58放置。最好，该蒸发源/观测通道的排列方向能使该通道在观测角θ2和θ3内，不与表面50和36垂直。θ2和θ3小于30°。由蒸发源58进行的淀积形成第一种修理材料60。该材料最好是在该翼面的丧失的原来轮廓的压力侧部分外面的表面轮廓62上形成。表面36的曲率使沿着靠近该基础表面50的这种表面的淀积接收部分的θ3相应地改变。
在这个淀积阶段后，可以进一步加工该叶片，以除去该衬底件52和形成第二个小平面或沿着淀积材料60和原来的基础材料延伸的基础表面64。在该示例性实施例中，这个加工过程进一步除去该负压侧表面34的先前没受损伤的引导部分。该叶片可以相对于蒸发源58重新取向，使得表面64和34只是稍微不与观测通道502和淀积在顶部的第二种额外材料66垂直，以便在丧失的原来轮廓的负压侧部分外，形成成轮廓68。然后，将该淀积材料60和66加工至与该丧失的原来轮廓相同(图9)的最后轮廓。以后，可以进行附加的表面处理和/或保护涂层。
该示例性修复材料为利用EBPVD或离子增强的EBPVD过程淀积的Ti-6Al-4V。该EBPVD过程在没有过渡的液体相情况下，通过淀积可得到优越的物理性质。EBPVD比其他方法(例如等离子体喷雾淀积)的残余应力更低，粘接性更好。该示例性淀积是在真空腔中，在10-3～10-6乇(torr)，范围更窄的话，在大约10-4乇的压力下进行的。淀积的速率为10～50微米/分，更狭窄的话，大约为20微米/分。局部淀积可在一个或多个阶段中基本上达到任何深度。单独阶段的特征为该零件的加工或相对于离子源的重新定位穿插综合进行的。单个阶段可以很好地将材料淀积至超过2mm，超过5mm或更多的深度。对于特别昂贵的零件，可以利用该方法完全代替丧失的特点。例如，如果叶片折断，脱离单一的圆盘和叶片环，则可用该圆盘制造更换叶片。
甚至在丧失的材料超过传统的修理范围，也可以使用同样的工艺过程，去修复该翼面的后缘或该中间叶展覆环或顶部区域的前缘或后缘的材料。同样的淀积还可以修理远离该前缘和后缘的该吸入或压力侧表面。对于这种修理，一般，单一的淀积阶段已足够。在凸形表面(例如，负压侧的表面)上，加工较平的小平面特别方便。在凹下的表面(例如，压力侧的表面)上，进行凹面加工(例如，利用双凹面的磨削套管)是合适的。采用这种凹面加工，加工的表面保持在与沿着其全部区域的，与上述蒸发通道的法线形成所希望的角度范围内。
可以加工，而不是磨削平的小平面。有效加工的最重要一点是为接着进行的淀积提供一个清洁的基础表面。虽然最好是光滑的，然而也可以有一定的粗糙度。在每一个淀积阶段过程中，该叶片都是静止的，以便限制在淀积材料中出现柱状的不连续性。
已经说明了本发明的一个或多个实施例。然而，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以作各种改进。例如，虽然对于具有中间叶展覆环的叶片特别有用，但该方法可以用于其他叶片和其他涡轮零件与非涡轮零件。具体的涡轮发动机零件或其他零件的详细结构和所受的磨损或损坏可以影响给定修复的详细情况。因此，其他的实施例也在下面的权利要求书范围内。
权利要求
1.一种从损坏地方已丧失第一种材料的Ti合金涡轮零件的修复方法，它包括用物理方法淀积一种Ti基材料以至少部分地代替该第一种材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，该方法还包括从该损坏的地方至少部分地除去额外材料，以形成一个基础表面；和用物理淀积方法将所述Ti基材料至少部分地淀积在该基础表面顶部上，以代替该第一材料和额外材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述淀积的Ti基材料大部分代替所述第一种材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述Ti基材料从由Ti-6Al-4V，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MO和Ti-8Al-1V-1MO组成的组中选取。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，将额外材料的大部分从该零件的未损坏的部分去除。
6.如权利要求1所述的方法，其特征为，该零件为具有根部和翼面的叶片，并且该损坏地点是沿着该翼面的前缘在该翼面的中间叶展覆环的内侧。
7.如权利要求6所述的方法，其特征为，该损坏的地点是在该中间叶展覆环内侧不大于该翼面的叶展的15％。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，该零件为具有根部和翼面的叶片，而该损坏地点沿着该翼面的前缘是在所述中间叶展覆环内侧的翼面叶展的20％和所述中间叶展覆环外侧的所述叶展的10％之间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征为，该零件为具有根部和翼面的叶片，并且该损坏的地点沿着该翼面的前缘是在所述中间叶展覆环内侧的所述叶展的30％和所述中间叶展覆环外侧的所述叶展的20％之间。
10.如权利要求6所述的方法，其特征为，该第一种材料丧失至至少2.0mm的深度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述用物理方法淀积的步骤包括用电子束物理蒸发淀积。
12.如权利要求1所述的方法，其特征为，在所述除去步骤以后，将衬底件加在该损坏地点附近突出来的该零件上，使该淀积的Ti基材料在该基础表面和衬底件上的形成。
13.如权利要求12所述的方法，其特征为，它还包括至少部分地除去该衬底件，并加工该零件的邻近淀积的材料和早先存在的材料，以形成第二个基础表面；和在该第二个基础表面的顶部用物理方法淀积更多的Ti基材料。
14.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述用物理方法淀积所述Ti基材料的步骤包括以从由蒸发淀积，电子束物理蒸发淀积和电子束闪蒸蒸发淀积组成的组中选取的方式进行物理淀积。
15.如权利要求14所述的方法，其特征为，所述用物理方法淀积的步骤是在10-3～10-6乇的压力下进行的。
16.如权利要求14所述的方法，其特征为，所述进行物理淀积的步骤是在大约10-4乇压力下进行的。
17.如权利要求14所述的方法，其特征为，所述用物理方法淀积所述金属的步骤是在10～50微米/分的速率下进行的。
18.如权利要求14所述的方法，其特征为，所述用物理淀积所述Ti基材料的步骤是在大约20微米/分的速率下进行的。
全文摘要
利用物理蒸发淀积，将修理材料淀积在Ti合金涡轮零件上。
文档编号F04D29/34GK1584103SQ20041005602
公开日2005年2月23日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年8月5日
发明者R·L·曼曼, J·W·尼尔 申请人:联合工艺公司