除去重铸材料的方法与流程

本发明总体上涉及材料技术领域，并且更具体地涉及高温材料移除工艺，例如激光加工。

背景技术：

在本领域中，许多类型的材料移除工艺是已知的，例如，机械工艺如钻、锯、磨等和热工艺如氧气-燃料切割、放电加工(EDM)、激光切割等。热工艺的一个缺点是在紧邻材料移除区域处气化和/或熔融的材料的再凝固和沉积。所沉积的材料通常被称为重铸材料。重铸材料可导致切割边缘几何学上地不一致并且具有不期望的粗糙表面光洁度。已知重铸材料部分地阻塞了燃气轮机部件中由激光钻形成的冷却孔。此外，重铸材料可以包含由于材料的构造和/或快速凝固形成的裂缝，并且在部件的随后操作期间这样的裂缝可能生长进入下面的基底材料，从而限制了部件寿命。因此，通常通过进一步的机械工艺、热工艺或化学工艺移除重铸材料，但是这样的工艺增加了制造操作的时间和费用，并且其可能不完全或者其可能引起不期望地移除重铸材料以外的材料。

附图说明

在以下描述中参照附图对本发明进行说明，附图示出了：

图1示意性地示出了待经历激光钻削操作的覆盖有熔剂材料的基底。

图2示出了激光钻削完成后的图1的基底并且示出了沉积在钻孔周围的重铸熔渣材料。

图3示出了通过机械方法已从基底移除图2的重铸熔渣材料。

具体实施方式

本发明人已开发了用于处理在热材料移除工艺期间形成的重铸材料的技术。该技术通常利用熔剂材料与经热移除的材料反应以使经热置换的材料分解为易碎的且可容易地移除的重铸熔渣。

当涉及重铸熔渣材料时，本文中使用的术语“易碎的”意指材料可通过机械冲击(例如用锤子、锉刀或其他工具)或通过喷砂(例如用玻璃珠)从其所粘附的表面上分裂并容易地分离。产生可分离的熔渣的熔剂是常规焊接工艺中已知的；然而，据本发明人所知，熔剂尚未被考虑用于为了除去重铸材料目的的材料移除方法。本申请教导了这样的概念。

产生重铸材料的热材料移除方法可利用各种热源。在本文中术语“能量束”和“束能量”广义地用于统一描述这样的热源，并且其意指包括激光束、离子束、电子束、等离子体束和过热气流(例如由氧气-燃料切割炬产生的)。

图1至图3示意地示出了根据本发明的一个实施方案的方法的步骤。在图1中，在紧邻计划的材料移除位置(例如燃气涡轮发动机部件的冷却孔的位置)处，固体基底材料10被熔剂材料层12覆盖。已将能量束(例如激光束14)指向被熔剂覆盖的基底，但是图中未示出材料的熔化(ablation)。虽然图1示出了预置的熔剂材料层12，所述熔剂材料层可覆盖其中计划进行多于一个材料移除操作的区域(例如一系列并排的冷却孔)，但是应理解，可替选地可将熔剂材料与能量束同步递送至材料移除位置。当材料移除旨在产生深的和/或窄的切口或孔时，同步的热/熔剂施加可特别有用。

图2示出了经完成热材料移除步骤的基底10，其中由于激光引发的固体材料从基底10的熔化和气化，已形成了孔16。重铸熔渣材料层18已沉积在紧邻材料移除位置处(包括孔16的内部、上部和周围)。重铸熔渣材料层18通过熔融和/或气化的基底材料与熔剂材料12和周围气氛以及工艺气体(如果有的话)反应而形成，并且其至少部分地由脆的且易碎的材料构成。

图3示出了在已移除过量的未熔化的熔剂并且已通过机械移除重铸熔渣材料18清理孔16(例如通过将清理工具敲入孔16中和/或通过刮削沿着基底10的表面20的凿)之后的基底10。应注意，如在焊接工艺之后移除易碎的熔渣时通常发生的，重铸熔渣材料18示出为被移除工艺破碎成数个较小的碎片。

考虑到基底10的材料，选择熔剂材料12使得两种材料的高温反应产生表现出使其易于从基底10移除的特性的重铸组合物。例如，重铸熔渣材料18可为脆的并且可具有与基底10不同的热膨胀系数，导致在组合件经凝固和冷却时在其间产生应力。在一些实施方案中，重铸熔渣材料18和基底10可具有相差很大的热膨胀系数。例如，已知从1000℃至室温，典型的基底和所沉积的铁镍合金具有大约0.014mm/mm的线性热收缩值。在这样的合金上的相应焊接熔渣可具有大约0.004mm/mm的值。这样大的差异在从基底分离该熔渣方面可为有用的，并且由于随重铸熔渣18冷却和凝固产生的发展的热应力，该熔渣甚至可能自移除。本发明的实施方案选择熔剂材料使得从1000℃至室温基底的热收缩值相对重铸熔渣的热收缩值的比为至少2或至少3。重铸熔渣材料18还将具有与基底10不同的晶体结构和化学组成，从而使其间的化学结合最小化。

许多不锈钢和镍基超级合金包含显著量的铬。这样的材料在氧气存在下的热移除将产生包含铬氧化物的重铸材料。已知这样的重铸材料是粘的并且难以从下面的不锈钢或超级合金基底移除，原因是形成了嵌入金属沉积物中并且将重铸材料固定和锁定于此的尖晶石(例如MgAICrO₄)。相似的问题出现在从含钛的基底热移除材料时，原因是形成钙钛矿。本发明的实施方案可在熔剂材料12中提供减少形成这样的问题化合物的材料。这可通过选择熔剂材料12以包含这样的材料来实现：所述材料将形成吉布斯自由能变化低于已知的问题化合物(例如尖晶石或钙钛矿)的氧化物。如果存在两种金属，则必须考虑两种平衡。将形成具有更负的吉布斯自由能变化(AG)的氧化物，并且另一氧化物将被还原。例如，当与不使用熔剂的现有技术工艺相比时，通过在熔剂材料12中包含铝(或氧化铝)可使铬的氧化物被还原。移除或还原重铸熔渣材料18中的问题化合物将促进其从下面的基底10的移除。

用于从铝基底10进行热材料移除的示例性实施方案可在熔剂材料12中包含锆。在现有技术的材料移除工艺中，当铝熔化和气化时形成作为氧化铝(Al₂O₃)的重铸材料，其将紧密结合至铝基底10。通过在包含锆的覆盖熔剂下进行铝的热材料移除工艺，熔融锆将从材料移除区域清除氧，并且将形成包含相对更大量的氧化锆和相对更少量的氧化铝的重铸熔渣材料18。由于该重铸熔渣材料18的组成的热膨胀系数不同(氧化锆为10.3/℃而铝为24/℃)且晶体结构不同(氧化锆为单斜晶体结构而铝为面心立方晶体结构)，其将无法很好地粘附至铝基底10。

对于一些应用，碳可用于熔剂材料12。焦炭在炼钢中广泛用于氧化物还原。2C(s)+O₂(g)＞2CO(g)反应的Ellingham曲线向下倾斜，并且下降至所有金属的曲线下方。因此，在非常高的温度下，碳通常可充当所有金属氧化物的还原剂。应注意，不期望碳使铬的氧化物还原，因为这将形成不期望的碳化铬。

表1确定了通常热移除的材料和所得的重铸材料的形式，以及可用于使那些重铸材料分解成易除去的熔渣化合物的熔剂化合物。

表1

可用于本发明的实施方案中的熔剂将可能包含很少的氟化钙或不包含氟化钙，原因是由于枪晶石形成并且与二氧化硅相互作用，其对可分离性产生不利的影响。可使用替代的氟化物进行熔渣流动性控制。

与本发明结合的工艺参数控制包括功率、行程速度、脉冲控制和熔剂厚度，如此可导致很大差异的热收缩和相对慢的冷却速率以优化熔渣的可分离性。

尽管在本文中已经示出和描述了本发明的多个实施方案，但是显而易见的是，这样的实施方案仅以实施例的方式提供。在不背离本发明的情况下可进行许多变化、改变和替代。因此，本发明旨在仅受所附权利要求的精神和范围的限制。