专利名称：根据基底的优先方向进行焊接的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于焊接基底的方法，该基底具有优先方向。
背景技术：
焊接是经常使用的修复方法，用于闭合裂纹或者施加材料。作为能量源，在此经常 使用激光器。也使用激光焊接方法，用于在定向凝固的部件使用之后并且可能通过非常强 的载荷而具有裂纹之后修复该定向凝固的部件，例如最大的燃气涡轮机的涡轮机叶片。这 可以是具有柱状凝固的晶粒(此)的部件，然而也可以是单晶体(SX)。因此，所述部件在晶体结构中具有确定的结晶学的优先方向。材料的凝固特性取 决于合金的成分、温度梯度以及凝固速度，所述材料在激光焊接时应该获得与基底相同的 定向。对于确定的合金存在关于结构如何根据温度梯度和凝固速度发展的图表。尽管如此，还是经常出现晶粒沿着不希望的方向生长。
发明内容
因此，本发明的任务是消除所述问题。该任务通过按权利要求1或2所述的方法得到解决。在从属权利要求中列出了其它有利的措施，所述措施能够任意地相互组合，从而 实现其它优点。
附图示出图1-6是用激光器再熔化时的基底，图7是燃气涡轮机，图8是涡轮机叶片的透视图，图9是燃烧室的透视图，以及图10是超合金的列表。附图以及描述仅仅表示本发明的实施例。
具体实施例方式图1示出了具有基底4的部件1、120、130 (图8、10)、155 (图9)的横截面，该基底 尤其在用于燃气涡轮机100(图7)或者蒸汽涡轮机的涡轮机叶片中具有按图10的超合金。所述基底4具有定向凝固的结构，也就是说该基底可以由杆状、柱状凝固的晶粒 (DS)或者由单晶体(SX)构成。箭头7、22说明了基底4的、也就是单晶体或者柱状晶粒的 结晶学的优先方向(例如
= 7、
= 22)。所述基底4具有裂纹(没有示出)。因此，在该裂纹的区域中熔化(再熔化)基底 4，其中应该将熔化的区域(熔液19，图3、4)再定向凝固成DS或者SX结构。
所述基底4同样可以具有应该通过堆焊(也就是需要补给材料)尤其通过激光堆 焊增强的位置(太薄的壁，没有示出)。图2示出了凝固前线的线10，该线示出了一个表面并且在图纸平面中描绘了熔液 19和已经由熔液凝固的区域M以及还有待再熔化的区域23之间的过渡区域。用附图中的线10总是只示出凝固前线的剖面。所述基底4沿着方向25在附图中从左向右运动，使得凝固前线10在附图中从右 向左反向于方向25伸展。同样可以代替基底4仅仅移动焊接仪器31。那么凝固前线10就是椭圆形线10的图2中右边的部分，该线10包围了熔液19。 该线10仅仅是示例性的。该线10也可以具有其它形状。根据线10的沿着方向28 (垂直于表面16向下)的深度t，根据与基底4表面16 接近情况有不同定向的温度梯度13、13’。该温度梯度13、13’在此近似垂直于凝固前线10。从图2出发，在图3中(以及在图4中)还示出了角度Ψ1、ΨΓ以及Ψ2、Ψ2’， 其中Ψ1、ΨΓ是优先方向7与温度梯度13、13’之间的角度，并且Ψ2、Ψ2’是温度梯度 13,13'和第二结晶学的方向22(垂直于优先方向7)之间的角度。在这里，基底4在附图中从左向右运动。在图3中，在由熔液19生长时会导致沿着枝状晶生长方向转变，因为在表面16上 适用Ψ2< Ψ1，从而在能量方面有利于结晶学的方向22，该方向从表面16指向下，并且枝 状晶从表面16沿着第二结晶学的方向22生长，从而在表面范围内形成次级晶粒。更深的地方可以适用Ψ2’ > ΨΓ并且方向7是优选的。只有在表面16上偏好从表面16指向熔液19的枝状晶生长方向时才出现问题。从 表面16不能按规定外延生长，因为那里没有能够作为枝状晶生长的晶核的基底。更确切地 说，表面16上的固体/液体相界的延续在这种条件下通过形成二级臂、三级臂以及其它臂 实现。这相对于凝固前线前面的晶核生长率来说太慢了。任何时候获得从所述晶核相对于 外延生长的枝状晶，并且形成了与基底4中的方向没有关系的枝状晶生长方向。总是当在表面16上偏好的晶体方向7、22不平行于表面16定向时，会出现外延损 失的问题。所述偏好于枝状晶生长的晶体方向7、22不依赖于移动方向25。但是枝状晶能 够为了其沿两个方向生长利用所述晶体方向。为了避免外延损失，必须如此选择所述移动方向25，从而由在凝固前线10上在表 面16上偏好的晶体方向7、22(这里是2 初始化枝状晶生长方向，该枝状晶生长方向具有 沿着朝表面法线f (图5)的方向的投影(矢量P22、P7 = 7、22在表面法线; ；上的投影)。通过选择图4中、也就是在附图中从右到左的移动方向25，结晶学的方向、这里是 22变成优选的，该方向没有从表面16指向下。这有利地适用于整个凝固前线10，也就是熔液池19和已经凝固的区域M之间的 线10。两种结晶学的方向7、22是允许的并且是希望的。这里本来涉及到外延生长的损 失，该外延生长会导致焊接物中的晶体定向完全丧失(图6 矢量P22反向于;i；=图3)。 这是可以防止的，方法是防止从表面16指向下的枝状晶生长方向变得有利。图7示例性地示出了燃气涡轮机100的部分纵剖图。
燃气涡轮机100在内部具有围绕旋转轴线102得到旋转支承的具有轴101的转子 103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103先后跟随着进气壳体104、压缩机105、例如环面状的燃烧室110尤 其环形燃烧室连同多个同轴布置的燃烧器107、涡轮机108以及排气壳体109。所述环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。在那里，例如四个前后连 接的涡轮机级112形成了涡轮机108。每个涡轮机级112例如由两个叶片环形成。沿着工作介质113的流动方向看，在 热气通道111中，由转子叶片120形成的组125跟随着导向叶片组115。在此，导向叶片130固定在定子143的内部壳体138上，相反，组125的转子叶片 120例如借助于涡轮叶轮盘133安置在转子103上。发电机或者工作机器(没有示出)联结在转子103上。在燃气涡轮机100运行期间，由压缩机105通过进气壳体104吸入并且压缩空气 135。在压缩机105的涡轮机侧的端部上提供的压缩的空气通向燃烧器107并且在那里与 燃烧剂混合。然后，该混合物在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。从那里 出发，工作介质113沿着热气通道111流过导向叶片130以及转子叶片120。工作介质113 在转子叶片120上传递脉冲地膨胀，使得转子叶片120驱动转子103并且该转子驱动联结 在其上的工作机器。暴露在热的工作介质113下的部件在燃气涡轮机100运行期间处于热载荷下。除 了给环形燃烧室110加衬的隔热元件之外，沿着工作介质113的流动方向看的第一涡轮机 级112的导向叶片130和转子叶片120经受最多的热载荷。为了经受住那里存在的温度，可以借助于冷却剂将其冷却。所述部件的基底同样可以具有定向结构，也就是说所述基底是单晶结构(SX结 构)，或者仅仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。作为用于所述部件的材料、尤其用于涡轮机叶片120、130和燃烧室110的部件的材料，例如使用铁基、镍基或者钴基的超合金。这种超合金例如由EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729AU WO 99/67435 或者 WO 00/44949 公开。所述叶片120、130同样可以具有抗腐蚀的涂层(MCrAlX ；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍 (Ni)组中的至少一种元素，X是活性元素并且表示钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一 种稀土元素或者说铪)。这种合金由EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EP 0 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公开。在MCrAlX上还可以存在隔热层，并且该隔热层例如由&02、Y2O3-ZrO2制成，也就 是说该隔热层不是部分或者完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁得到稳定。通过合适的涂层方法例如电子束气相沉积(EB-PVD)在隔热层中产生杆状晶粒。所述导向叶片130具有面对涡轮机108的内部壳体138的导向叶根(这里没有示 出)以及对置于导向叶根的导向叶片顶部。该导向叶片顶部面对转子103并且固定在定子 143的固定环140上。图8以透视图示出了流体机械的转子叶片120或导向叶片130，该转子叶片或导向 叶片沿着纵轴线121延伸。
该流体机械可以是飞机的或者用于发电的发电厂的燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或者 压缩机。所述叶片120、130沿着纵轴线121先后跟随地具有固定区域400、邻接的叶片平台 403以及叶身406和叶尖415。作为导向叶片130，该叶片130可以在其叶尖415上具有另一平台(没有示出)。在固定区域400中形成了叶根183，该叶根用于将转子叶片120、130固定在轴上或 者盘上(没有示出)。例如将叶根183设计成锤头。其它作为揪树叶根或者燕尾叶根的设计方案也是可 以的。所述叶片120、130对于流过叶身406的介质具有流入边缘409和流出边缘412。在常规的叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中例如使用实心的金属材料，尤其超合金。这种超合金例如由EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729AU WO 99/67435 或者 WO 00/44949 公开。在此，所述叶片120、130可以通过铸造方法、也借助于定向凝固、通过锻造方法、 通过铣削方法或者这些方法的组合制成。具有单晶结构的工件用作机器的部件，所述部件在运行中暴露在高的机械、热和/ 或化学载荷之下。例如通过由熔液的定向凝固来制造这种单晶的工件。在此涉及铸造方法，其中将 液态的金属合金定向凝固成单晶结构，也就是定向凝固成单晶的工件。在此，枝状的晶体沿着热流定向，并且要么形成杆状晶的晶粒结构(柱状晶，也就 是在工件的整个长度上延伸的并且在这里根据普遍的语言惯用语称为定向凝固的晶粒) 要么形成单晶的结构，也就是整个工件由一个唯一的晶体构成。在这种方法中必须避免过 渡到球状晶的(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长必然形成横向和纵向的晶界，这些晶 界使得定向凝固的或者单晶的部件的良好特性丧失殆尽。如果通常谈及定向凝固的组织，那么以此不仅是指没有晶界或者最多具有小角 度晶界的单晶体，而且是指可能具有沿纵向延伸的晶界、但是没有横向晶界的杆状晶结 构。这两种提到的晶体结构人们也称为定向凝固的组织(directionally solidified structures)。这种方法由US-PS 6，024，792 以及 EP 0 892 090 Al 公开。所述叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的涂层，例如(MCrAlX ;M是铁 0 )、钴(Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X是活性元素并且表示钇(Y)和/或硅和/或 至少一种稀土元素或者说铪(Hf))。这种合金由EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEPO 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公开。密度优选是理论密度的95%。在MCrAlX层(作为中间层或者最外面的层)上形成了保护性的氧化铝层(TGO = 热生长氧化层)。优选所述层成分具有Co-30Ni18Cr-8Al-0. 6Y-0. 7Si或者 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除了所述钴基的保护涂层之外，也优选使用镍基的6保护层，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或者 Ni-12Co-21Cr-llAl_0. 4Y_2Re 或者 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上还可以存在隔热层，该隔热层优选是最外面的层并且例如由&02、 Y2O3-ZrO2制成，也就是说该隔热层不是部分或者完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧 化镁得到稳定。所述隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过合适的涂层方法例如电子束气相沉积 (EB-PVD)在隔热层中产生杆状晶粒。可以考虑其它涂层方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或者宏观裂纹的晶粒用于更好地抵抗热冲击。因此，该 隔热层优选比MCrAlX层更多孔。再加工(翻新)是指，所述部件120、130在其使用之后必要时必须除去保护层(例 如通过喷砂)。随后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时也 还要修复所述部件120、130中的裂纹。随后重新对所述部件120、130进行涂层并且重新使 用所述部件120、130。所述叶片120、130可以构造成空心的或者实心的。如果要冷却所述叶片120、130， 那么该叶片是空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418 (虚线示出)。图9示出了燃气涡轮机100的燃烧室110。该燃烧室110例如构造成所谓的环形 燃烧室，在该燃烧室中大量沿圆周方向围绕旋转轴线102布置的燃烧器107通入共同的燃 烧室空间IM中，产生火焰156。为此，燃烧室110整体构造成环形的结构，该结构围绕旋转 轴线102进行定位。为了获得比较高的效率，所述燃烧室110设计用于工作介质M的较高的从大约 1000°C到1600°C的温度。为了在这种对于材料来说不利的工作参数下也能实现较长的使用 寿命，所述燃烧室壁153在其面对工作介质M的一侧设有由隔热元件155形成的内衬板。每个由合金制成的隔热元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层(MCrAlX层 和/或陶瓷涂层)或者由耐高温的材料(实心的陶瓷砖)制成。所述保护层可以类似于涡轮机叶片，也就是例如意味着MCrAlX =M是铁(Fe)、钴 (Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X是活性元素并且表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种 稀土元素或者说铪(Hf)。这种合金由 EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公开。在MCrAlX上还可以存在例如陶瓷的隔热层，并且该隔热层例如由&02、Y2O3-ZrO2 制成，也就是说该隔热层不是部分或者完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁得到稳定。通过合适的涂层方法例如电子束气相沉积(EB-PVD)在隔热层中产生杆状晶粒。可以考虑其它涂层方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或者宏观裂纹的晶粒用于更好地抵抗热冲击。再加工(翻新)是指，所述隔热元件155在其使用之后必要时必须除去保护层(例 如通过喷砂)。随后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时也 还要修复隔热元件巧5中的裂纹。随后重新对隔热元件155进行涂层并且重新使用隔热元 件 155。
此外，由于燃烧室110内部的高的温度，可以为隔热元件155或者说为其保持元件 设置冷却系统。然后，所述隔热元件155例如是空心的并且必要时还具有通入燃烧室空间 154的冷却孔(没有示出)。
权利要求
1.用于焊接定向凝固(DS、SX)的部件(120、130、155)的方法，其中，所述部件(1、120、 130,155)的基底(4)具有结晶学的优先方向(7、22)，并且其中，能量源Q8)和/或所述基 底⑷沿着移动方向05)移动，其中，凝固前线(10)表示熔液(19)以及由熔液凝固的区 域04)的界面，其中，所述熔液(19)在凝固前线(10)上具有温度梯度(13、13’)，其中，在 所述基底(4)的第一优先方向(7)和所述凝固前线(10)上的温度梯度(13、13’)之间定义 了角度(Ψ1、Ψ1’)，并且在所述温度梯度(13、13’)和所述凝固前线(10)上的第二优先方 向0 之间定义了角度(Ψ2、Ψ2’)，其特征在于，移动所述基底(4)和所述能量源(观)， 从而在所述表面(16)上，与所述温度梯度(13)具有较小的角度(Ψ1、Ψ2)的优先方向(7、 22)没有指向所述部件(120、130、155)的内部。
2.用于焊接定向凝固(DS、SX)的部件(120、130、155)的方法，其中，所述部件(1、120、 130,155)的基底(4)具有结晶学的方向(7、22)，并且其中，能量源Q8)和/或所述基底 (4)沿着移动方向05)移动，其中，凝固前线(10)表示熔液(19)以及由熔液凝固的区域 (24)的界面，其特征在于，选择所述移动方向(25)，从而由在所述凝固前线(10)上在所述 表面(16)上偏好的方向0 初始化枝状晶生长方向，该枝状晶生长方向具有沿着朝表面 法线(；i；)的方向的投影。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，仅仅移动所述能量源。
4.按权利要求1、2或3所述的方法，其中，仅仅移动所述基底0)。
5.按权利要求1、2、3或4所述的方法，其中，使用激光束用于再熔化。
6.按权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其中，所述部件0、120、130、155)由柱状凝固 的晶粒(DS)构成。
7.按权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其中，所述部件具有单晶体的结构(SX)。
8.按权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其中，在整个凝固前线(10)上，相同的结 晶学的方向(7、22)与所述温度梯度(13、13’ )形成了最小的角度(Ψ1、Ψ2、Ψ1’、Ψ2’)。
全文摘要
在定向凝固的部件上经常实施焊接修复，然而所述部件经常没有表面的希望的结晶学的定向，这降低了机械强度。按本发明的方法提出，根据基底(4)的结晶学的优先方向(7)选择移动方向(25)，从而不再出现错误定向。
文档编号B23K26/08GK102056701SQ200980113150
公开日2011年5月11日 申请日期2009年4月9日 优先权日2008年4月14日
发明者N·皮尔希, S·莫卡德姆 申请人:弗劳恩霍弗实用研究促进协会, 西门子公司