专利名称：叶片的冷金属过渡表面硬化的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及金属表面硬化，且更特定而言涉及叶片的冷金属过渡(CMT)表面硬化。
背景技术：
诸如燃气涡轮的旋转机器包括大量移动部件，其中的许多在操作期间经受各种应力。经受很大物理应カ的ー个区域是这种机器的叶片的Z缺ロ部。Z缺ロ部包括大致Z形面，其在操作期间典型地接触邻近叶片的互补Z形面。因此，叶片在它们会合的Z缺口中经历高机械应力。
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在加强包括Z缺ロ的叶片的部分，且防止微动磨损(fretting)、磨蚀和归因于由于这种接触引起的机械应カ的其它损坏的尝试中，将额外硬金属层焊接到叶片的表面上，该エ艺通常称作表面硬化(hardfacing)。典型地，这种表面硬化手动地执行。因此，结果随焊接エ不同而不同且多达20%的手动表面硬化应用不能满足产品规格，且高达25%的这种失败要求エ件(例如，叶片和/或罩)报废。这种失败的共同原因包括在エ件中沿エ件表面与硬面焊接之间的熔合线处的裂纹、在硬面焊接中的孔隙或缺少熔合及将填充金属喷溅到エ件的其它区域上。手动表面硬化也耗时且昂贵。有经验的焊接エ典型地将要求ー个小时到两个小时来手动地表面硬化单个涡轮叶片的Z缺ロ部。
发明内容
本发明的实施例大体涉及金属表面硬化，且更特定而言涉及叶片的冷金属过渡(CMT)表面硬化。在一个实施例中，本发明提供一种对经受机械应カ的叶片的部分进行表面硬化的方法，该方法包括使叶片的表面与连接到焊接喷嘴的表面硬化填充金属接触以在表面与填充金属之间建立电弧且形成包括填充金属和表面的材料的焊接熔池；使填充金属延伸到焊接熔池以使电弧短路；从焊接熔池抽出填充金属以再次建立电弧；沿表面移动焊接喷嘴；并且将填充金属再次延伸到焊接熔池内以使电弧短路，使额外填充金属沉积到焊接熔池内，且使额外的表面的材料液化到焊接熔池内。在另ー个实施例中，本发明提供ー种涡轮叶片，包括Z形表面；和在Z形表面的顶部上的至少ー个硬面层，该至少ー个硬面层通过冷金属过渡(CMT)气体金属电弧焊(GMAW)沉积。在又一个实施例中，本发明提供ー种燃气涡轮，包括第一涡轮叶片，其具有第一表面，该第一表面包括至少ー个硬面层，其通过冷金属过渡(CMT)气体金属电弧焊(GMAW)沉积；和第二涡轮叶片，其具有第二表面，该第二表面包括通过CMT GMAff沉积的至少ー个
硬面层。
本发明的这些和其它特征将从结合附图的本发明的各方面的以下详细描述更容易地理解，附图描述了本发明的各种实施例，其中
图I示出了经受机械应カ的邻近涡轮叶片。图2示出了图I的一部分的详细视图。图3至图6示出了在涡轮表面上的冷金属过渡(CMT)表面硬化的示意图。图7至图9示出了在涡轮表面上的多个CMT表面硬化层的顺序沉积的示意图。图10示出了在表面硬化之后的图2的详细视图。图11示出了图10的邻近叶片的金相截面。图12示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。·应当指出的是本发明的附图并未按比例绘制。附图预期仅仅描绘了本发明的典型方面，且因此不应被认为限制本发明的范围。在附图中，相同的附图标记在附图之间表示相同元件。部件列表
10， 110翼型
20，120, 220涡轮叶片
30，130前缘
40，140后缘
50，150受应カ区域
300焊接喷嘴
320填充金属
322电弧
330熔池
332熔滴
334第一硬面
344第二硬面
354第三硬面
364，464完成的硬面。
具体实施例方式现转至附图，图I示出了例如燃气涡轮的成对涡轮叶片20、120的顶视图。以在叶片的相应翼型10、110的远端处径向向内观看的方式示出了叶片20、120。各叶片20、120分别包括Z形前缘30、130和相对应的Z形后缘40、140。在涡轮的操作期间，第一叶片20的后缘40和第二叶片120的前缘130接触且经受较大的机械应カ和可能的微动磨损。图2示出了图I的一部分的详细视图。分别示出了后缘40和第二前缘130的受应カ区域50、150。这些为可典型地手动表面硬化的区域，如上文所述。图3至图6示出了根据本发明的实施例的冷金属过渡(CMT)气体金属弧焊(GMAW)方法，通过该方法，叶片的Z缺ロ部可自动地表面硬化。图3示出了在焊接喷嘴300邻近叶片220时CMT GMAff的起弧时期。是表面硬化合金的填充金属320充当电极，导致电弧322。填充金属320独立于焊接喷嘴300的其余部分沿路径A朝叶片220移动。
在图4中，填充金属320延伸或浸入熔池(weld pool) 330内，使电弧322短路并熄灭电弧322(图3)。焊接电流和电弧电压因此降低。在图5中，填充金属320沿路径B移动，从熔池330抽出它，允许电弧在相对较低电流水平上再次建立，从而防止焊接喷溅。在图6中，熔滴332 (图5)与填充金属320分离，短路结束，电弧322再次建立，且填充金属320再次沿路径A移动到熔池330内，在焊接喷嘴330沿路径C移动以使焊接沿叶片220延伸时重复该过程。图3至图6所示的步骤可迅速地发生。举例而言，在本发明的某些实施例中，它们可重复高达毎秒70次。随着焊接喷嘴300沿路径C移动，不再经受电弧322的熔池330的部分凝固以形成表面硬化表面。熔池330包括填充金属320和叶片220的(多种)金属的熔融混合物。填充金属320可包括例如钴、铬、钨、镍、铁和它们的组合、合金和混合物。用于表面硬化的其它适当金属对于本领域技术人员将是显而易见的且在本发明的范围内。因为熔池330为填充金属320和叶片220的(多种)金属的混合物，所以一旦凝固，所得到的硬面并不具有填充金属320的完全強度或硬度。举例而言，图7示出了在叶片·220的顶部的第一硬面334。第一硬面334可如上文所述包括填充金属320和叶片220的(多种)金属的混合物。典型地，第一硬面334将包括在大约60%与大约80%之间的填充金属320，余量为叶片220的(多种)金属。在图8中，第二硬面344可沉积于硬面334的顶部，类似于第一硬面334沉积于叶片220的顶部上。因为它沉积于第一硬面334的顶部，而不是叶片220上，所以第二硬面344按比例包括比第一硬面344可包括的更多的填充金属320。在一些实施例中，第二硬面344将包括在大约80%与大约98%之间的填充金属320，余量为叶片220的(多种)金属。在图9中，第三硬面354类似地沉积于第二硬面344的顶部上。同样，第三硬面354按比例包括比第二硬面344和第一硬面334更多的填充金属320。在一些实施例中，第三硬面354包括在大约90%与大约99%之间的填充金属320，余量为叶片220的(多种)金属。取决于所需的表面硬化的程度，任何数量的硬面层可以以此方式沉积。在图9中，硬面334、第二硬面344和第三硬面354构成完成的硬面364。图10示出了图2的细节部分，其中完成的硬面364、464分别在叶片20、120上。图11示出了图10所示的叶片20、120的实际金相截面。完成的硬面364、464分别明显地不同于叶片20、120的周围部分。图12示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。在SI，使待表面硬化的表面和与焊接喷嘴连通的填充金属接触。如上文所述，填充金属可用作焊接喷嘴电极。在S2，将填充金属延伸到表面上的熔池内以使电弧短路。如上文所述，在熄灭电弧吋，焊接电流和电弧电压降低。在S3，从熔池抽出填充金属且以相对较低的焊接电流再次建立电弧。以较低焊接电流再次建立电弧減少或防止了手动表面硬化方法常见的焊接喷溅。在S4，如果完成了表面的表面硬化(即，在S4为是)，则在S5可允许熔池凝固以形成硬面层。如果未完成表面硬化(即，在S4为否)，则在S6焊接喷嘴可沿表面移动且在S7填充金属再次延伸到熔池内。其后S3至S7可反复地循环直到表面硬化完成的时间。本文中所用的术语仅仅出于描述特定实施例的目的且不意图限制本公开。除非上下文清楚地指示为其它情况，否则如本文所用的単数形式“一”、“ー个”和“该”也意图包括复数形式。还应了解术语“包括”和/或“包含”，当在本发明中使用时，规定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并不排除ー个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其群组的存在或添加。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何相关的或合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者，如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则其它实例预期在权利要求的保护范围内。·
权利要求
1.一种对经受机械应力的叶片(220)的部分进行表面硬化的方法，所述方法包括 使叶片(220)的表面与连接到焊接喷嘴(300)的表面硬化填充金属(320)接触，以在所述表面与所述填充金属(320)之间建立电弧(322)且形成包括所述填充金属(320)和所述表面的材料的焊接熔池(330)； 使所述填充金属(320)延伸到所述焊接熔池(330)内以使所述电弧(322)短路； 从所述焊接熔池(330)抽出所述填充金属(320)以再次建立所述电弧(322)； 沿所述表面移动所述焊接喷嘴(300);并且 将所述填充金属(320)再次延伸到所述焊接熔池(330)内以使所述电弧(322)短路，使额外填充金属(320)沉积到所述焊接熔池(330)内，且使额外的所述表面的材料液化到所述焊接熔池(330)内。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述表面包括所述叶片(20)的Z形边缘(40)的部分，当所述涡轮操作时，所述叶片(20)的Z形边缘(40)接触邻近叶片(120)的Z形边缘(130)。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 重复所述移动和所述再次延伸以沿所述表面来延伸所述表面硬化。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 允许所述焊接熔池(330)凝固，从而在所述表面上形成第一硬面(334)，其包括在大约60%与大约80%之间的填充金属(320)，余量为所述表面的材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括 使所述第一硬面(334)与所述填充金属(320)接触，以在所述第一硬面(334)与所述填充金属(320)之间建立电弧(322)且形成包括所述填充金属(320)和所述第一硬面(334)的第二焊接熔池(330)； 使所述填充金属(320)延伸到所述第二焊接熔池(330)内以使所述电弧(322)短路； 从所述第二焊接熔池(330)抽出所述填充金属(320)以再次建立所述电弧(322)； 使所述焊接喷嘴(300)沿所述第一硬面(334)移动；并且 使所述填充金属(320)再次延伸到所述第二焊接熔池(330)内以使所述电弧(322)短路，使额外填充金属(320)沉积到所述第二焊接熔池(330)内且使额外硬面液化到所述第二焊接熔池(330)内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括 允许所述第二焊接熔池(330)凝固，从而在所述第一硬面(334)上形成第二硬面(344)，所述第二硬面(344)包括在大约80%与大约98%之间的填充金属(320)，余量为所述表面的材料。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括 使所述第二硬面(344)与所述填充金属(320)接触，以在所述第二硬面(344)与所述填充金属(320)之间建立电弧(322)且形成包括所述填充金属(320)和所述第二硬面(344)的第三焊接熔池(330)； 使所述填充金属(320)延伸到所述第三焊接熔池(330)内以使所述电弧(322)短路； 从所述第三焊接熔池(330)抽出所述填充金属(320)以再次建立所述电弧(322)； 使所述焊接喷嘴(300)沿所述第二硬面(344)移动；并且使所述填充金属(320)再次延伸到所述第三焊接熔池(330)内以使得所述电弧(322)短路，使额外填充金属(320)沉积到所述第三焊接熔池(330)内，且使额外第二硬面(344)液化到所述第三焊接熔池(330)内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括 允许所述第三焊接熔池(330)凝固，从而在所述第二硬面(344)上形成第三硬面(354)，所述第三硬面(354)包括在大约90%与大约99%之间的填充金属(320)，余量为所述表面的材料。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 在熄灭所述电弧(322)时降低焊接电流。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述再次延伸包括升高焊接电流。
全文摘要
本发明涉及叶片的冷金属过渡表面硬化。在一个实施例中，本发明提供一种对经受机械应力的叶片(20,120,220)的部分进行表面硬化的方法，该方法包括使叶片(20,120,220)的表面与连接到焊接喷嘴(300)的表面硬化填充金属(320)接触，以在表面与填充金属(320)之间建立电弧(322)且形成包括填充金属(320)和表面的材料的焊接熔池(330)；使填充金属(320)延伸到焊接熔池(330)内以使电弧(322)短路；从焊接熔池(330)抽出填充金属(320)以再次建立电弧(322)；沿表面移动焊接喷嘴(300)；并且，使填充金属(320)再次延伸到焊接熔池(330)内以使电弧(322)短路，使额外填充金属(320)沉积到焊接熔池(330)内，且使表面的额外材料液化到焊接熔池(330)内。
文档编号B23K9/04GK102785001SQ20121015092
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者A.绍博, J.D.万塞洛夫 申请人:通用电气公司