焊接由耐高温的超级合金构成的工件的方法和装置的制作方法

专利名称：焊接由耐高温的超级合金构成的工件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和一种装置，用于对工件、尤其是燃气轮机工件(例如燃气 轮机叶片)进行焊接。
背景技术：
燃气轮机的转子叶片在运转时会遭受高温和很强的机械负载。因此对于这种零 件，优选使用镍基超级合金，它可通过Y’相沉淀来制造。但是，随着时间的推移可能会上 转子叶片上出现裂纹，这些裂纹会随时间继续扩大。可能由于极端的机械负载，在燃气轮机 运转时也可能会出现这种裂纹，但它们也可能在制造过程中就已经出现了。因为由这种超 级合金制造燃气轮机叶片和其它工件很费力且成本很高，所以人们在制造时努力产生尽可 能少的废品，并确保生产出来的产品具有很长的使用寿命。如果由于运转引起的载荷，不能再绝对地保证无问题的正常工作，则需要定期地 保养处于运转中的燃气轮机叶片，必要时还要更换。为了使更换的涡轮机叶片能继续使用， 一般可对它们进行再加工。然后，它们可重新应用在燃气轮机中。在这种再次修复的框架 中，在损坏的地方进行堆焊是必要的，以便再次建立原有的壁厚。例如借助堆焊，可使在制造过程中就已经包括裂纹的涡轮机叶片变得耐用，因此 可减少的制造过程中的废品。但是借助常规的焊接方法，Y'增强的镍基超级合金与同种的焊料目前很难焊接 在一起。原因在于，必须避免熔融物的微偏析(即微分离)。此外在后继的热处理过程中， 焊接过程自身也可能在焊接部位产生裂纹。原因是焊接固有应力，此焊接固有应力是在焊 接时在引入热的过程中由于塑性变形而引起的。为了避开Y ‘硬化的镍基超级合金的困难的焊接性，通常用可延展的焊料(例如 无Y ‘硬化的镍基合金)来焊接。这种无Y ‘硬化的镍基合金的典型代表是例如IN625。 这种无Y'硬化的焊料的可延展性允许，在焊接之后在第一热处理过程中通过塑性变形来 消除焊接应力。与Y'硬化的镍基超级合金相比，这种未硬化的合金当然具有更小的耐高 温性(抗拉强度和蠕变强度也更小)。因此，优选使用不带可延展的焊料的焊接方法。这种 方法可划分为两个类型，其一是使基本材料过时效，以便借助Y ’相粗化来提高可延展性， 另一是在预热的基底上实施焊接工艺。在预热的基底上实施焊接工艺，这通过在焊接过程 中的回复减小焊接固定应力。例如在US 6，120,6 中描述了一种事先过时效的焊接工艺， 例如在US 5，319，179中描述了一种在预热工件上实施的焊接工艺。但是，上述两种不带可延展的焊料的焊接方法也同样具有缺点。例如，在焊接工艺 之前实施过时效时，在焊接之前需对Y ’硬化的镍基超级合金进行相应的热处理，以便使 Y’相实现过时效。在此，明显提高了基本材料的可延展性。可延展性的提高使材料可在室 温下焊接。此外，它还可冷矫直。此外，这种热处理还可把镍基超级合金(例如Rene41或 Haynes282)当作焊料来用。它们虽然在组织中形成Y ’相，但它的体积百分含量明显小于 典型的含Y'的镍基超级合金，后者如今用于燃气轮机-热气部件例如燃气轮机叶片(例如 IN738LC、IN939、Rene80、IN6203DS、PWA1483SX、合金 247 等)。因此，即便在焊接工艺之 前实施过时效，也不能进行全结构的焊接。如果涡轮机叶片进行预热，则可减少焊点和涡轮机叶片其余部位之间的温度差以 及由此出现的应力梯度，从而可在由镍基超级合金构成的零件中避免产生焊接裂纹。但是， 这样的方法必须在保护气体的作用下实施，这会使焊接工艺更加复杂和昂贵，在此方法中 借助感应线圈把涡轮机叶片的温度预热到900°C至1000°C之间。此外，由于位于保护气体 容器中的工件很难接触得到，所以这种方法无法在工件的所有部位上实施。

发明内容
因此需要一种备选的焊接方法，用于实施堆焊，此堆焊尤其适用于Y ’硬化的镍基 超级合金，并且没有上述的缺点或程度很小。本发明的另一目的是，提供一种焊接装置，适 合用于实施按本发明的方法。第一目的通过按权利要求1所述的、用于实施堆焊的方法得以实现，第二目的通 过按权利要求10所述的焊接装置得以实现。从属权利要求包括本发明的有利的构造方案。在按本发明的方法中，此方法用于焊接由耐高温的超级合金构成的工件，借助热 引入区和输入区将焊料安放在工件表面上，此输入区用于将焊料输入到热引入区中。此热 引入区和输入区在焊接过程中在工件表面上运动。此运动是沿着焊接方向进行的，例如在 直线的路径上，或在围绕着焊接方向进行振荡的路径上。在按本发明的方法中，焊接参数是 这样选择的，即冷却率在材料凝固时至少为8000K/S。在材料凝固时，为了设定到最低8000K/S的冷却率而提供的主要参数是有关焊接 功率、热引入区直径(形式例如是激光功率和激光射束的直径)、进给(工艺速度)以及输 入的焊料流这些方法参数。根据所用激光源的种类，通过适当地匹配这些参数，可设定到所 需的冷却率，用于待焊接的材料。此工艺速度在此可至少为250mm/分钟，尤其高于500mm/ 分钟。例如当工艺速度高于500mm/分钟时，有关焊接功率和热引入区直径的方法参数这样 进行设定，即冷却率在材料凝固时达到至少8000K/S。通过高的冷却率和高的凝固速度，可提高分布系数，从而尽可能避免熔融物的微 偏析，即微分离。焊接物中的熔融物凝固成枝状(即树形结构)，其中枝晶的生长方向沿着 焊迹变化，因为枝晶的可能的生长方向的取向相对于温度梯度在凝固前沿上变化。具有最 小温度梯度斜度或具有最小生长速度的生长方向得以表现。此外，在凝固前沿前形成晶核， 它在凝固过程中被凝固前沿获取。此晶核初始化随机分布的枝晶生长方向。按本发明的方法例如适合借助焊料对由含Y'的镍基超级合金构成的工件进行 焊接，此焊料是形成Y ‘的镍基超级合金。由于使用了同类的焊料，可在焊接物中达到很高 的强度，并可实现可接受的焊接质量，即裂纹数量非常少且平均的裂纹长度非常短。由于可在室温下借助局部位于熔池中的保护气体气氛实施焊接过程，所以按本发 明的焊接方法可实现很高的经济性。此方法尤其作为堆焊法，在此方法中逐层地安放焊料。在此，顺序叠置的层的焊接 方向相对旋转，尤其旋转90°。尤其在热引入区和输入区还沿着焊接方向在围绕着焊接方 向振荡的路径上在工件表面上运动时，通过转动不同层的焊接方向，可避免层与层之间的 连接错误。
不均勻分布的枝状取向主要出现在焊迹的上半部分。因此在按本发明的方法中， 有利的是，在前涂覆的层在小于其层厚度一半时再次熔化。在此，在凝固时呈现再熔部位的 晶体结构。因此，由于再熔深度较小，可以确保凝固前沿处在具有不均勻分布的枝晶取向的 区域上。在多层焊接时，这一点的效果是，生成具有晶粒的多晶体，它的直径平均非常小。晶 界通常是在出现短暂应力时在焊接工艺或后继热处理过程中裂纹形成的薄弱部位。由于在 借助本发明的方法焊接的焊接物中晶界在平面中较小延展及其不均勻的取向，所以焊接物 对于裂纹形成是不敏感的，因此焊接过程可在室温下进行。按本发明的方法既可在多晶体中应用，也可在定向凝固或单晶基底中应用。在所 有所述的情况下，含Y ‘的镍基超级合金可当作焊料来用。在按本发明的焊接方法的框架中，在安放焊料之后可进行热处理。借助与焊接物 相匹配的热处理，可设定到期望的Y'形态。这可进一步改善焊接物的强度。按本发明的、用于焊接耐高温的超级合金的焊接装置(它适合用于实施按本发明 的方法)包括热源，用于在工件表面上产生热引入区；输入装置，用于将焊料输入到热引 入区；输送装置，用于在热引入区和输入装置(一方面)与工件表面(另一方面)之间产生 相对运动。有利的是，此输送装置与热源及用于焊料的输入装置相连，以便移动热源和输入 装置，从而引起相对运动。这通常比移动工件更省事。在按本发明的焊接装置中，尤其使用 激光作为热源。按本发明的焊接装置还包括具有控制程序的控制单元，此控制程序这样来 设定焊接参数，即冷却率在材料凝固时达至少每秒8000开氏温度。控制单元尤其这样设定 有关焊接功率和热引入区直径的焊接参数，即冷却率在材料凝固时达至少每秒8000开氏 温度。在此，以每分种最小150mm的工艺速度进行焊接，尤其以每分钟超过500mm的工艺速 度进行焊接。此相对运动可尤其这样控制，即热引入区和输入区沿着焊接方向在围绕着焊接方 向振荡的路径上在工件表面上运动。此外，控制单元可有振荡或无振荡地执行相对运动，使 得焊接方向在顺序叠置的层中相对旋转，例如以90°。按本发明的焊接装置可通过使用控制程序来实施按本发明的焊接方法，此控制程 序包括在本发明的框架中描述的用于焊接工艺的焊接参数，例如热源和输入装置(一方 面)与工件(另一方面)之间的相对运动的路径、工艺速度、激光功率、射束直径等。在本 方法的框架中描述的方法参数和机构可帮助抑制在基本材料和熔融物中形成裂纹(例如 凝固裂纹和再熔裂纹)。当基本材料和焊料都是形成Y ‘的镍基超级合金时，则尤其是这 样。由此实现了借助按本发明的方法和按本发明的装置可达到的焊接质量，此焊接质量对 于结构性焊接是可接受的，例如用于修复或连接涡轮机叶片或其它工件的高负载区域。


参照附图，从实施例的以下描述中得出了本发明的其它优点、特征和优点。图1在纵向局部剖面图中示例性地示出了燃气轮机；图2在透视图中示出了涡轮机叶片；图3在局部剖开的透视图中示出了燃气轮机的燃烧腔；图4在示意图中示出了按本发明的焊接装置；图5在焊料上用于第一层的焊接路径；
图6在焊料上用于第一层的焊接路径。
具体实施例方式图1在纵向局部剖面图中示例性地示出了燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有围绕着旋转轴线102旋转支承的转子103，此转子103具 有轴101，此转子103也被称为涡轮机动子。沿着转子103，依次设有进气壳体104、压缩机105、例如花托状的燃烧室110 (尤其 是环形燃烧室，具有多个同轴设置的燃烧器107)、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。例如四个串联的涡轮级112在 该处形成涡轮机108。每个涡轮级112例如都由两个叶片环构成。在工作介质113的流动方向上看，在 热气通道111中，由转子叶片120构成列125跟随着导向叶片列115。导向叶片130在此固定在定子143的内壳体138上，相反，列125的转子叶片120 则例如借助涡轮机盘133安装在转子103上。在所述转子103上连接着发电机或工作机器(未示出)。在燃气轮机100的运转过程中，空气135由压缩机105通过进气壳体104吸入，并 对其进行压缩。在压缩机105的涡轮机侧的端部上提供的压缩空气被输送给燃烧器107，并 在该处与燃烧剂混合。然后这种混合物在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。 工作介质113从那里沿着热气通道111从导向叶片130及转子叶片120的旁边流过。在转 子叶片120上，工作介质113在传递动力的情况下膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并 且该转子103驱动连接到它上面的工作机器。在燃气轮机100的运转过程中，暴露在热的工作介质113下的零件遭受热负荷。在 工作介质113的流动方向上看的第一个涡轮级112的导向叶片130和转子叶片120，除了给 环形燃烧室110加衬的挡热元件之外，遭受最大的热负荷。为了经受住那里的温度，它们可借助冷却剂进行冷却。同样，所述零件的基底可以具有定向的结构，即它们是单晶的结构(SX结构)，或 只具有纵向定向的晶粒(DS结构)。作为用于零件的材料，尤其用于涡轮机叶片120、130和燃烧室110的零件，例如使
用铁基的、镍基的或钴基的超级合金。这样的超级合金例如从EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949中已知；这些公开文献在合金的化学成份方面是本公开文件的一 部分。同样，叶片120、130具有防止腐蚀的涂层(MCrAIX ；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni) 族中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀 土元素或者铪(Hf)。这样的合金从EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 Bl 或EP 1 306 454 Al已知，它们在化学成份方面应该是本公开文件的一部分。在所述MCrAIX上还可以具有隔热层，并例如由&02，Y2O3-ZrO2构成，也就是说它 不是部分或全部地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。通过合适的涂装方法，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)，在隔热层中产生柱状
6的晶粒。导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根(这里未示出)，还 具有与所述导向叶片根相对而置的导向叶片头。此导向叶片头面向转子103，并固定在定子 143的固定环140上。图2在透视图中示出了沿纵轴线121延伸的流体机械的转子叶片120或导向叶片 130。所述流体机械可以是飞机或用于发电的发电站的燃气轮机、蒸气轮机或压缩机。叶片120、130沿着纵轴线121顺序具有的固定区域400、与该固定区域400邻接的 叶片平台403以及叶身406和叶片尖415。作为导向叶片130，叶片130在其叶片尖415上可具有另外的平台(未示出)。叶根183在固定区域140中构成，此叶根183的作用是，把转子叶片120、130固定 在轴或盘上(未示出)。此叶根183例如构成为锤头状。另外也可以将其构造成揪树形叶根或燕尾形叶 根。叶片120、130具有迎流棱边409和排流棱边412，用于从叶身406旁边流过的介质。在传统的叶片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(尤其是超级合金)。这样的超级合金例如从EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949已知；这些文献在合金的化学成份方面是本公开文件的一部分。所述叶片120、130在此可以通过也借助于定向凝固的铸造方法、通过锻造方法、 通过铣削方法或者这些方法的组合来制造。具有单晶结构的工件当作零件用在机器中，这些零件在运转时经受高的机械负 荷、热负荷和/或化学负荷。这种单晶工件的制造例如由熔液通过定向凝固来进行。在此涉及铸造方法，在此 方法中液态的金属合金定向地凝固成单晶结构，即凝固成单晶工件。在此，枝状的晶体沿着热流定向，并且要么形成柱状的晶粒结构(柱晶，即在工件 的整个长度上延伸的晶粒，并在这里按一般的语言习惯被称为定向凝固)，要么形成单晶结 构，即整个工件由唯一一个晶体构成。在这些方法中，必须避免转换成球状的(多晶的)凝 固，因为通过非定向的生长必形会形成横向的和纵向的晶界，这样的晶界使定向凝固的或 单晶的零件的良好性能丧失殆尽。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，而且也指柱状晶体结构，它们可能具有在纵向方向上延伸的晶界、但没有横 向的晶界。对于两种提到的晶体结构，也称为定向凝固的组织(directional Iy so 1 idif ied structures)。这样的方法从US-PS 6,0 , 792和EP 0 892 090 Al已知；这些文献在凝固方法 方面是本公开文件的一部分。同样，叶片120、130具有防止腐蚀或氧化的涂层，例如(MCrAIX ;M是铁0 )、钴 (Co)、镍(Ni)族中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者铪(Hf)。这样的合金从 EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 Bl或EP 1 306 454 Al已知，它们在合金的化学成份方面应该是本公开文件的一部分。密度优选为理论密度的大约95%。在此MCrAIX层(作为中间层或最外面的层)上，形成保护性的氧化铝层(TG0-热 生长氧化层)。此涂层成份优选具有Co-30Ni18Cr-8Al_0，6Y-0，7Si或者 Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y。除了这种钴基保护层之外，还可优选应用镍基保 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。在所述MCrAIX上还可以具有隔热层，它优选是最外层，并例如由&02，&03-&02构 成，也就是说它不是部分或全部地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。隔热层 覆盖整个MCrAIX层。通过合适的涂装方法，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)，在隔热层中产生柱状 的晶粒。可以设想其它的涂装方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD。隔热层 可以具有多孔的、带有微观或宏观裂纹的晶粒，用于实现更好的耐温度突变性。此隔热层因 此优选比MCrAIX层更加多孔。再加工(重整)意味着，零件120、130在使用后必要时必须去除保护层(例如通 过喷砂处理)。然后，去除腐蚀和/或氧化层或产物。必要时还可修复零件120、130中的裂 纹，然后再次给零件120、130加上涂层，并重新使用零件120、130。叶片120、130可构成为中空或实心的。如果叶片120、130应该要冷却，则它是中 空的，必要时还具有薄膜冷却孔418 (用虚线表示)。图3示出了燃气轮机的燃烧室110。此燃烧室110例如设计成所谓的环形燃烧室， 其中多个在圆周方向上围绕着旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔巧4 中，并产生火焰156。为此，燃烧室110在其整体上设计成环形结构，它定位在旋转轴引102 的周围。为了实现相对较高的效率，燃烧室110构造成用于工件介质M的大约1000°C至 1600°C的相对较高温度。为了在存在对材料不利的工作参数时也能实现较长的使用寿命， 燃烧室壁153在其面向工作介质M的一侧设置有由挡热元件155构成的内衬。每个由合金制成的挡热元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层(MCrAIX层 和/或陶瓷层)或者由耐高温的材料(实心的陶瓷石)制成。这些保护层可以类似于涡轮叶片，即例如意味着MCrAIX =M是铁(Fe)、钴(Co)、镍 (Ni)族中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元 素或者铪(Hf)。这样的合金从 EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EP 0 412 397 Bl 或 EP 1 306 454 Al已知，它们在合金的化学成份方面应该是本公开文件的一部分。在所述MCrAIX上还可以具有例如陶瓷隔热层，并例如由&02，Y2O3-ZrO2构成，也 就是说它不是部分或全部地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。通过合适的涂装方法，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)，在隔热层中产生柱状 的晶粒。
可以设想其它的涂装方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD。隔热层 可以具有多孔的、带有微观或宏观裂纹的晶粒，用于实现更好的耐温度突变性。再加工(重整)意味着，挡热元件155在使用后必要时必须去除保护层(例如通 过喷砂处理)。然后，去除腐蚀和/或氧化层或产物。必要时还可修复挡热元件155中的裂 纹，然后再次给挡热元件巧5加上涂层，并重新使用挡热元件155。此外，由于燃烧室110内部的高温，可为挡热元件155或者为其保持元件设置冷却 系统。然后，所述挡热元件155例如是空心的，必要时还具有通到燃烧室腔154中的冷却孔 (未示出)。图4在示意视图中示出了按本发明的焊接装置1。它包括激光器3和粉末输入装 置5，粉末状的焊料借助它可涂覆在工件9的待焊接的部位上。借助激光射束，在工件表面 上构成热引入区11，粉末13也被粉末输入装置5涂覆在此处。激光器3和粉末输入装置5设置在扫描装置15上，此扫描装置15使激光器3和 粉末输入装置5在两维空间内沿着零件表面(图4中的方向X和方向Y)与待焊接的部位 7 一起移动。此外，本实施例的扫描装置15可使激光器3和粉末输入装置5垂直于零件表 面(图4中的方向Z)进行移动。因此借助扫描装置15，热引入区和粉末抵达区可沿着预定 的路径进行移动。例如可把机械手来当作扫描装置来用。由扫描装置15实现的运动通过控制单元17来控制，此控制单元17也控制焊接工 艺的其它参数。与本实施例不同的是，也可通过其它的控制装置来控制焊接工艺的其它参 数，即与运动进程的控制分开来。此外，与所示实施例不同的是，为移动激光器3和粉末输 入装置5也可使用可运动的零件支架，来代替扫描装置15。在本发明的框架中，只有激光器 3和粉末输入装置5 ( 一方面)与工件9之间的相对运动是重要的。按本发明的、用于对工件表面进行堆焊的方法可在零件9的待焊接部位7上使用， 用于涂覆材料，尤其是用于涂覆多层材料。零件9在此既不需要预热，也不需要借助热处理 来过时效。下面对涡轮机叶片9(作为零件)的表面10进行堆焊，由此来描述本发明。本 实施例的涡轮机叶片由Y ‘增强的镍基超级合金构成，例如由IN738LC, IN939, Rene δ 0, IN6203DS，PWA1483SX，合金247等构成。涡轮机叶片9的表面10上的待焊接区域7被逐层 地堆焊，其中热引入区与粉末13的抵达区一起沿着焊接方向在涡轮机叶片9的待焊接部位 7上运动。此粉末13在这种情况下是由含γ ‘的镍基超级合金构成，例如由IN 738LC、IN 939、Rene 80、IN 6203DS、PWA 1483、合金 247 等构成。图5示意性地示出了路径P1，热引入区11以及粉末13的抵达区在待焊接部位7 上堆焊第一层时经过此路径Pl。此图示出了涡轮机叶片9，它具有待焊接部位7以及在堆 焊第一层19时的焊接方向。但热引入区11 (它同时也是粉末13的抵达区)不是直线地沿 着焊接方向Sl进行移动，而是在沿着焊接方向的移动过程中同时在垂直于焊接方向的方 向上进行振荡。因此，热引入区11和粉末13的抵达区跟随一条在待焊接部位7上的曲折 路径P1。为了对第二层21 (图4)进行堆焊，激光器3和粉末输入装置5稍微沿着扫描装置 15的方向Z进行移动。此外，在本实施例中焊接方向S2相对于第一层的焊接方向Sl扭转 90°。在图6中示出了在堆焊第二层21时热引入区11和粉末13的抵达区的路径P2。在对第二层21进行堆焊时，热引入区11和粉末13的抵达区一起在垂直于焊接方向S2的方 向上振荡。因此，热引入区11和粉末13的抵达区总体上在待焊接部位7上产生曲折路径 P2。在本实施例的框架中描述的路径只是可行变化方案中的一个。原则上，具有多个 焊接可行方案1.单向的或2.双向(例如曲折的)堆焊。在各个方案中，第二层的径迹 (路径)与第一层的径迹(路径)平行偏置地焊接或垂直地焊接。在按本发明的方法的框 架中，可应用所有的这些方案。在移动激光器和粉末输入装置时，此震荡可这样进行选择，即借助唯一的沿着焊 接方向的路径经过整个待焊接部位7 (如同在图5中所示的一样)，或这样进行选择，即只经 过待焊接部位7的一部分，并为了对整个部位进行堆焊，多个并排延伸的路径P2在焊接方 向S2上出发，如图6所示的一样。在本实施例中，热引入区11和粉末13的抵达区以至少500mm/分钟的工艺速度沿 着路径Pl或P2进行移动。激光功率、射束直径和粉末流在此这样进行选择，即已经过部位 的冷却率在凝固时大于8000K/S。此外在涂装第二层21时，有关激光功率和射束直径的工 艺参数在此这样选择，即再熔深度(第一层19再次熔化到此深度中)少于第一层19的径迹 高度的50%。此再熔深度在图4中用虚线表示。原则上，其它与在本实施例中说明的工艺 参数不同的参数也是可能的，那么其余的参数必须与激光功率、射束直径和粉末流相匹配。通过高的冷却率和高的凝固速度，可提高分布系数，从而尽可能避免微偏析。通过 热引入区11造成的熔融物凝固成枝状，其中此晶体结构呈现在再熔部位中存在的晶体结 构。枝晶的生长方向沿着路径P1、P2变化。原因在于，枝晶的可能的生长方向的取向相对 温度梯度变化，具有最小温度梯度斜度或具有最小生长速度的生长方向得以表现。此外，在 凝固前沿前形成晶核，它在凝固过程中被凝固前沿获取，此晶核初始化随机分布的枝晶生 长方向。不均勻分布的枝晶取向主要在层19的上半部分中出现。因此，借助较小的再熔深 度可确保，凝固前沿处在具有不均勻分布的枝晶取向的区域上，这在多层堆焊时会生成具 有晶粒的多晶体，它的直径平均非常小。因此，涡轮机叶片9的已焊接部位相对于裂纹形成 是不敏感的。在涂抹了所需数量的层19、21之后，涡轮机叶片9可经受热处理，从而产生所需的 Y ‘形态。这进一步改善了涡轮机叶片9的焊接部位的强度。借助按本发明的方法，可在室温下实施堆焊，并且无需之前过时效待焊接零件，其 中可抑制凝固裂纹和再熔裂纹的产生。这在效果方面达到了焊接的质量，此焊接质量对于 燃气轮机叶片(亦或其它零件)的高负载部位的结构性焊接是可接受的。同时，可对基本 材料的影响非常小，因为热引入区很小(不会进行预热)，并由于在热引入区抑制了再熔裂 纹，所以只在基底上引入非少的热量。
10
权利要求
1.一种焊接由耐高温的超级合金构成的工件(9)的方法，在此方法中，借助热引入区 (11)和用于将焊料输入到热引入区(11)中的输入区将焊料(13)安放在工件表面(10)上， 其中一方面热引入区(11)和输入区与另一方面工件表面(10)相对运动，其特征在于，焊接 参数这样进行选择，即冷却率在材料凝固时达至少每秒8000开氏温度。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，有关焊接功率和热引入区直径的焊接参数 这样进行设定，使得冷却率在材料凝固时达到至少每秒8000开氏温度。
3.按权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，工艺速度至少为每分种 250mmo
4.按权利要求1至3之任一项所述的方法，其特征在于，逐层地安放焊料(13)。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，在前涂覆的层(19)在小于其层厚度一半时 再次熔化。
6.按权利要求2或权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每个层(19、21)，热引入 区(11)和输入区沿着焊接方向(Si、S2)相对于工件表面(10)运动，并且顺序叠置的层 (19,21)的焊接方向(Si，S2)相对旋转。
7.按权利要求1至5之任一项所述的方法，其特征在于，热引入区(11)和输入区沿着 焊接方向(S1、S2)在围绕着焊接方向振荡的路径(P1、P2)上相对于工件表面(10)运动。
8.按权利要求1至7之任一项所述的方法，其特征在于，工件(9)由含γ'的镍基超 级合金构成，此焊料(1 是形成Y ‘的镍基超级合金。
9.按权利要求1至8之任一项所述的方法，其特征在于，在安放焊料(1 之后进行热 处理。
10.一种焊接由耐高温的超级合金构成的工件(9)的焊接装置，其包括-热源(3)，用于在工件表面(10)上产生热引入区(11)；-输入装置(5)，用于将焊料(13)输入到热引入区(11)；-输送装置(15)，用于在一方面热源C3)和输入装置( 与另一方面工件表面(10)之 间产生相对运动，其特征在于，设有控制单元(17)，它这样这样来设定焊接参数，使得冷却率在材料凝固 时达至少每秒8000开氏温度。
11.按权利要求10所述的焊接装置，其特征在于，控制单元(17)可这样来设定有关焊 接功率和热引入区(11)的直径的焊接参数，即冷却率在材料凝固时达到至少每秒8000开 氏温度。
12.按权利要求10或权利要求11所述的焊接装置，其特征在于，控制装置(17)以至少 每分种250mm的工艺速度来实施相对运动。
13.按权利要求10至12之任一项所述的焊接装置，其特征在于，控制程序使热引入区 (11)和输入区沿着焊接方向(S1、S2)在围绕着焊接方向(S1、S2)振荡的路径(P1、P2)上 在工件表面(10)上运动。
14.按权利要求10至13之任一项所述的焊接装置，其特征在于，热源C3)是激光器。
15.按权利要求10至14之任一项所述的焊接装置，其特征在于，控制程序在逐层焊接 将顺序叠置的层(19、21)的焊接方向(S1、S2)相对旋转。
全文摘要
提供了一种焊接由耐高温的超级合金构成的工件(9)的焊接装置。此焊接装置包括-热源(3)，用于在工件表面(10)上产生热引入区(11)；-输入装置(5)，用于将焊料(13)输入到热引入区(11)；-输送装置(15)，用于在一方面热源(3)和输入装置(5)与另一方面工件表面(10)之间产生相对运动。此焊接装置还包括控制单元(17)，此控制单元(17)具有控制程序，它这样来实施相对运动，即这样来设定焊接功率和热引入区(11)的直径，即冷却率在材料凝固时达到至少每秒8000开氏温度。
文档编号C23C26/02GK102112266SQ200880130591
公开日2011年6月29日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年5月29日
发明者A·加泽, B·布尔鲍姆, G·博斯坦约格洛, M·奥特, N·皮尔希, N·阿尔贾金, R·威尔肯赫纳, S·林嫩布林克, T·梅策-约基施, T·贾姆博尔 申请人:弗劳恩霍弗实用研究促进协会, 西门子公司