涡轮发动机部件的制造方法与流程
本发明涉及一种修复涡轮发动机部件的方法，不排除制造它的方法。
一些涡轮发动机部件，例如，特别是涡轮叶片，受到侵蚀或磨损，导致在一定数量的循环之后必须修复的主要损坏。
损害特别是材料缺失的形式。修复是恢复磨损部件的原始(或非常接近)形状和尺寸。
为了实现此目的，现有技术中使用了几种技术，包括通过烧结超合金粉末和钎焊粉末(其熔点低于超合金粉末的熔点)来制备预制件，然后通过扩散钎焊将预制件粘合到要修复的部件上(在下文中，术语“金属”应包括合金)。
应该记得，钎焊是一种方法，其包括通过填充金属组装例如相同或不同材料的两个金属部件，所述填充金属的熔点远低于部件材料的熔点。包含在填充金属中的焊料以液态供给，并且部件被填充金属加热，但保持固态。
扩散钎焊(或瞬态液相结合)是两个金属部件的组装操作，与钎焊类似，但是通过扩散热处理逐渐吸收填充金属和待组装部件之间的组成差异。这种处理导致形成准化学均匀的结合，并且其特性接近于要组装的部件的特性。因此扩散钎焊可以被认为是已经添加了扩散处理的常规钎焊。
当组装两个部件时，所使用的填充金属具有接近待组装部件的化学组成，但由于焊料，其熔融温度较低。在扩散钎焊期间，焊料熔化并润湿待组装的表面，然后通过将填充金属中的合金元素扩散到部件的材料中而等温固化，其组成与由此形成的钎焊接缝的组成发送变化并均化。在扩散钎焊工艺的最后阶段，填充金属形成部件材料的一部分，与之不能区分。
如上所述，这种方法允许组装几个部件，同时为组装部件和它们的结合提供与原始部件相当的机械和冶金特性。此外，在这种方法中使用的温度与通常用于生产这些部件的超级合金相容，特别是在航空领域。
然而，使用基本扁平的预制件修复部件限制了该方法的应用。因此，在涡轮机叶片的情况下，待修复的区域可能具有三维轮廓，在整个区域(例如可变厚度)上待添加材料的量可能不恒定，例如，fr2978070建议如下：
-通过选择性地熔化包含与部件相同或相似的基材的粉末，逐层制备预制件(也称为dmls-直接金属激光烧结)，所述预制件具有(至少)一个组装表面，所述组装表面钎焊到待修复涡轮发动机部件上，并为此目的而包含与基材混合的钎焊材料，在加热熔融时产生热通量，所述粉末含有的混合物具有钎焊材料的主转变峰以及钎焊材料的次级转变峰，在主转变峰时热通量的幅度最大，在次级转变峰时热通量的幅度较小；以及
-通过扩散钎焊将预制件组装到涡轮发动机部件上。
然而，待修复区域因此具有三维轮廓，并在整个区域上待添加材料的量可能不恒定的部件不能获得预期的质量。在直接制造(通过选择性熔融逐层制造预制件)时，已经发现熔融材料在冷却时容易严重破裂，从而改变了生产。
本发明的目的是避免这些情况。为此，已经想到控制材料的收缩。更具体地，已经想到焊料在加热(和/或冷却)期间只应该具有一个主转变峰。更具体地，提出用于制造预制件的钎焊材料的主转变峰的热通量的幅度至少是该钎焊材料的次级转变峰的热通量的相应幅度(20％以内)的两倍，如附图所示。
因此，在混合钎焊粉末和超合金粉末(包括在预制合金粉末的情况下，即预先混合)之后，该化合物不仅包括两个主转变峰(一个用于熔化焊料，另一个用于熔化超合金)，而且用于熔化焊料的次级转变峰的幅度将远小于主峰的幅度。
因此，根据本发明的方法可以应用于各种涡轮发动机部件的生产，特别是涡轮叶片的修复。
可以按可控的粗糙度制造预制件：当具有一定的粗糙度时，预制件更容易钎焊，因为焊料可以更有效地润湿待组装的表面。
基材与要修复部件的基材相同或相似，以便于通过扩散钎焊来组装预制件。两种“相似的”材料具有至少相同的基材(例如镍，钴，钛等)。
本发明的应用涉及成形部件的粉末的冶金生产，所述成形部件通过自钎焊组装到能够接收它们并被称为受体的金属部件上。自钎焊是成形部件自发钎焊到接收金属部件上，钎焊元素被包含在成形部件中(因此将有利地是三维的)。
该成形部件在金属部件上的自钎焊可以包括，或者之后进行固态扩散热处理，从而构成通常所称的钎焊/扩散操作，该处理旨在使成形部件和自钎焊接合(接合区域)的组成和结构均化。
特别是在本文中，推荐(用于通过选择性熔融制造预制件的)上述基材的化学组成对应于ni，co，ti或fe基超合金，并且钎焊材料的化学组成对应于ni和/或co，和/或fe基合金，其中熔融元素是si和/或b(如本身已知，熔融元素(例如，硅或硼)是一种大幅降低引入它的合金的(固体)的熔融温度的元素)。
至于供应给钎焊材料，以使钎焊材料的主转变峰的热通量的幅度因此等于该钎焊材料的次级转变峰的热通量的各自的幅度的至少两倍的化合物，建议其选自cr，co，mo和fe。该化合物的推荐重量百分比范围为7至23％。
这些选择特别适用于生产涡轮机部件，特别是涡轮机叶片。
在这方面，就标称组成和重量百分比而言，钎焊材料是包括9和19％之间的co，si，b而且还有cr的ni基合金也是可取的(规定本说明书中的所有百分比以重量百分比表示)。
通过使用基于ni和co20，si4.5，b3的所谓的nicosib1060钎焊粉末，可以在以下方面获得均衡结果：低裂纹，耐热腐蚀性和基材/钎焊材料对的最终质量之间，特别是在耐高温蠕变方面。
有利地，钎焊材料中铬的量为14％。这特定的量在裂纹限制和部件强度之间提供了很好的折中。
事实上，加入少量的铬(即少于9％)不会允许充分限制该部件上出现的裂纹，而过多的量(即超过19％)会增加钎焊材料的熔融温度，使其接近基材的熔融温度，这会使部件脆化。
根据本发明的另一个特征，通过选择性地熔化基材粉末和钎焊粉末来制备预制件，所述钎焊粉末的熔融温度低于基材粉末的熔融温度。因此，预制件的尺寸公差将大大降低并且最终组件被优化。
取决于钎焊材料的量，已经含有钎焊材料的预制件可以直接焊接到待修复部件上。
优选地，预制件将含有至少60％的基材，以便为预制件赋予足够的机械特性。
在本发明的变型中，通过选择性地熔化仅含有基材的粉末来制备预制件。
然后钎焊材料可以沉积在预制件的组装表面上。
例如，该沉积通过激光喷涂或等离子体喷涂钎焊粉末，或通过共沉积(电沉积)在水性介质中进行。
例如，沉积物的厚度在20至200μm的范围内。
本发明还涉及通过执行上述方法制造的涡轮发动机部件。
通过阅读以非限制性示例给出并参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，并了解本发明的其它细节，特征和优点，其中：
图1，2和3是用于修复涡轮发动机叶片的预制件的透视图；
图4是粉末选择性熔融装置的示意图；
图5至图7是示出根据本发明的修复方法的不同阶段的示意图；
图8是激光喷涂系统的示意图；
图9是等离子喷涂系统的示意图；
图10在图中示出了根据现有技术解决方案，在使用已知组合物的情况下存在熔融材料出现裂纹的重大风险的情况；
图11在类似的图上显示了根据本发明提出的旨在减轻这种风险的解决方案；
图12在类似上述图形，但是处于冷却过程的图形上比较了与当前情况下未添加cr的焊料相关的转变峰(底部曲线，第1至3条)，以及与添加了cr的焊料相关的转变峰(顶部曲线)；
图13显示了与图10所示图形类似的图形，其中叠加在图10所示曲线上的三根平滑的曲线示意性地表示包含9％，14％或19％的铬含量的钎焊材料的不同构型；
图14示出了当钎焊材料不包括铬时的裂纹的示例；
图15是示出当钎焊材料具有小于19％的铬含量时基材性能的示意图；以及
图16是示出当钎料具有大于19％的铬含量时的基材的性能的示意图。
图1和图2示出了在用于修复涡轮发动机(例如，飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机)中涡轮叶片的前缘或后缘的方法中使用的预制件1。图3示出了在用于修复该类型叶片的平台的方法中使用的预制件1。在这两种情况下，预制件1具有复杂的三维形状。
在第一实施方式中，根据本发明的修复方法首先在于通过选择性地熔化包括基材粉末和钎焊材料粉末的粉末混合物(不管这些材料是否已经预混)来逐层制造烧结预制件1。
钎焊材料的熔融温度低于基材的熔融温度。作为示例，钎焊材料的熔融温度范围为1000至1300℃，基材的熔融温度为1200至1600℃。
基材优选为超级合金，例如镍基超级合金。在这种情况下，钎焊材料也是镍基的，并且还包括熔融元素，例如硅和/或硼。
选择性熔化使用如图4所示的装置进行。该装置包括罐2，该罐2包含金属粉末3的混合物和底部4，底部4可通过致动器杆5和相邻容器6平移运动以及位移，相邻容器6的底部由活动板7组成，活动板7也可以通过致动器杆8平移。
该装置还包括通过沿着水平面a移动而从罐2向容器6供应粉末的刮刀9，以及用于产生激光束或电子束的装置10，该装置10耦合到计算机控制装置11以引导和移动束12。邻近容器6还可以设置桶13以收集多余的粉末14。
该装置的操作如下：首先，将罐3的底部4向上移动，使得一定量的粉末3位于水平面a的上方。刮刀9从左向右移动以将所述粉末层3刮到容器6中，并将薄金属粉末层沉积在板7的水平平面上。确定粉末的数量和板7的位置，以形成具有选定恒定厚度的粉末层。然后垂直于平面a的激光束12或电子束扫描容器中形成的层的特定区域，以局部熔化钎焊粉末(而不是基材粉末)。接下来，通过使基材粉末的颗粒凝聚并且通过形成烧结预制件1的第一层15而固化熔化的区域，例如，所述层15具有大约10至150μm的厚度。
更具体地，当粉末通过激光束或通过电子束熔化时，层15的厚度分别为10至45μm，或45至150μm。
然后将板7降低，并且以与之前相同的方式将第二层粉末供应到第一层粉末上。通过束的受控位移，通过烧结在第一层15上形成第二层16。
重复这些步骤，直到预制件1完全形成。层15，16具有基本上相同的厚度。
在通过使用激光束选择性地熔化粉末而逐层形成预制件1的情况下，粉末的平均粒度为10至45μm。两种粉末的粒度分布不一定相同。优选接近平均值，即两种粉末各自具有10至45μm的平均粒度的情况，以便于粉末的混合。
在通过使用电子束选择性地熔化粉末而逐层形成预制件1的情况下，粉末的平均粒度为50至100μm。
含有足量钎焊材料的预制件1可以直接钎焊到要修复的部件17上(图5)。
为了实现这一点，待钎焊预制件1的表面和待修复部件17的表面脱脂和/或酸洗，然后将预制件1放置在待修复部件的表面上(图6)。
然后将预制件1定位焊接(激光定位焊，电容器放电焊接等)到待修复部件上，以便将其保持在待修复部件17上。
然后将预制件1和待修复部件17放置在烘箱中，在那里它们将经历扩散钎焊循环。
对于类型为nk17cdat(也称为阿斯特罗洛伊镍基超耐热合金(astroloy))的基材，并且对于nicrb钎焊材料，扩散钎焊可能包括持续约2小时30分钟的温度升至1205℃，在1205℃持续15分钟的第一阶段，然后在1160℃持续2小时的第二阶段，随后是持续约1小时的温度从1160℃降至20℃。
在钎焊扩散期间，钎焊材料首先熔化。其产生的液相通过毛细管作用保持，并润湿待修复部件17和预制件1的表面。
冷却后，在预制件1和修复部件17之间形成固体中间层，并且固体中间层具有扩散粘合到这些部件的表面上的均匀的金相组织。
因此，修复的部件具有与新部件相同或相似的机械特性。
最后对修复后的部件执行精加工步骤，其中修复的表面被调整或加工成使部件恢复新部件的尺寸(图7)。
为了进一步提高预制件1以及修复部件的机械特性，所述预制件1可以在其芯部包括比例减少或零比例的钎焊材料，由此可以将富含钎焊材料的粉末沉积在待钎焊的表面上。
因此，可以通过选择性地熔化基材粉末和钎焊粉末的混合物来制备预制件1，所述混合物中基材粉末的重量比大于90％。预制件1也可以仅通过选择性地熔化基材粉末来制造。
在这种情况下，必须在预制件的表面上形成富含钎焊材料的粉末层。该层可以通过激光喷涂或等离子体喷涂，电沉积来制造。
用于形成该层的粉末可以包含60至90重量％的基材粉末和10至40重量％的钎焊粉末。
激光喷涂沉积的原理如图8所示。该沉积方法包括将粉末19喷涂到表面18上，并通过指向表面18的激光束20加热喷射的粉末，使得所述粉末19熔融然后在所述表面18上固化。
为了实现这一点，例如将预制件1放置在包含氩的外壳21中。用于产生yag激光束的装置22通过垂直于表面18的喷嘴23产生朝向预制件1的表面18的激光束20。借助于控制系统和适当的装置24，喷嘴23和激光束20可相对于表面移动(反之亦然)。
因此，可以在预制件1的相应表面18上形成富含钎焊材料的一个或多个连续的层31。
等离子喷涂沉积的原理如图9所示。该沉积方法包括将粉末19注入到等离子体射流32中，粉末19在等离子体射流32中熔融并高速投向待涂覆表面18。等离子体射流32通过在两个电极33，34之间产生的电弧在火炬内产生，所述电极通过冷却回路35冷却。两个电极33，34之间的电位差由发电机36确定。
粉末颗粒19的熔化归因于于等离子体内的非常高的温度，从而能够沉积具有高熔点的材料。
当固化时，粉末材料在预制件1的表面18上形成沉积物。
气体和颗粒的高速度能够获得沉积物的强烈粘附，低孔隙率和降低的化学转化水平。
以下提供基材的化学组成的典型示例。为每种材料提供参考和相应的化学组成(重量百分比)：
阿斯特罗洛伊镍基超耐热合金(astroloy(nk17cdat))：镍基，钴：16.9％，铬：14.8％，铝：3.87％，钛：3.45％，钼：5.1％，碳：0.015％。
syp3：镍基，钴：17％，铬：15％，钼：5％，钛：3.5％，铝：4％。
请注意，astroloy是测试过程中获得最佳效果的材料。
以同样的方式，钎焊材料的化学组成如下：
nicosib1060＝ty134b；
ty134b：镍基，钴：18-22％，硅：4-5％，硼：2.7-3.15％，碳：0-0.06％。
作为示例，粉末(基材/钎焊材料)的混合物可以包含75重量％的syp3或astroloy粉末(基材)和25重量％的ty134b粉末(钎焊材料)。或者，该混合物可以包含70重量％的基材粉末和30重量％的钎焊材料。
图10至16对应于如上所述的基材为astroloy和钎焊材料为ty134b的情况。
图10显示，即使使用混合了astroloy和ty134b的组合物，仍然存在相当大的熔融材料出现裂缝的风险。
实际上，在上述粉末混合物的示差热分析图中，其显示了部件热通量的发展，即电压u为时间的函数，其中混合物在加热超过1小时后达到1300℃以上，可以区分如下：
钎焊材料的转变中的主峰37，其具有较大的热幅度，
而且，在两侧可以看到相同钎焊材料的转变中的两个次级峰39，41，其具有比主峰小的热幅度。
之后，在相当的温度范围(900℃至1140℃)之间，出现基材(在这种情况下为超合金)的转变的峰值(以下称为整体42)。
它们发生的精确温度和时间值可以在图10中读出，其中以℃表示的温度直接在图表上注明。峰值的幅度(图11中的a1/a2/a3)与热流有关。在这种情况下，横坐标显示的时间并不重要。对于图11和12，将热通量绘制在纵坐标上，温度绘制在横坐标上。
使用“rdfmicro-foil”
在这种性质的图形中，图11所示具有曲线43a和43b的两个示例因此分别示出了根据本发明的解决方案，其目的是根据上述技术之一，通过直接制造实现部件的实际生产，但是在称为“rbd61”的基材(即，astroloy+ty134b混合物)上有焊料，并且添加了cr(在这种情况下为9至19％，例如为14％)，例如对于曲线43b具有以下条件：
-不仅加热期间，在用于生产预制件的钎焊材料的转变中出现单一主峰44(在冷却期间相同)
-而且，该主峰44的热(即热通量)幅度a1是在相同钎焊材料的转变中的次级峰45，47的热幅度(分别为a2和a3)的至少两倍。
再次，在较高温度(高于1200℃的温度)下，可以找到基础超级合金的转变峰(称为整体49)。
图12进一步表明，在冷却过程中，与“掺杂的”钎焊(以及因此在所选择的优选实例中加入的铬)有关的转变峰51相对于不向合金中添加铬时将会衰减(例如，参见曲线3的附图标记53)。
图13显示了在钎焊材料中具有不同铬含量的图10所示材料的行为。实线曲线显示了没有铬的钎焊材料的行为。在图14中示出了加热这种钎焊材料后的结果，其显示了在获得的部件冷却后出现的裂纹56。
当钎焊材料分别含有9％，14％和19％的铬时，三条虚线曲线(参见图例以识别每条曲线)显示了基材和钎焊材料的混合物的行为。
观察到，对于低于1185℃的温度，铬的浓度越高，转变峰的热幅度越小。因此，部件破裂的风险确实会受到限制。
标号55表示显示基材(即所选择的超合金)的变化的曲线。
为了清楚起见，我们将定义如下：
钎焊材料的“转变峰”(实际上也适用于基材，在这种情况下基材为超合金)，例如钎焊材料(和基材)的熔化开始温度(或温度范围)；以及
“热通量幅度”(或热幅度)(ai)作为相同样品在彼此非常接近的两个温度值时两个热通量值之间的差值，小于50℃。
因此，在混合焊料和超合金粉末之后，该化合物包含两个转变峰(一个用于熔化焊料，另一个用于熔融超合金)。在加热期间以及在冷却期间转变峰数量的减少使得有可能限制冷却期间部件暴露的应力并避免任何开裂。
然而，在图13中也注意到，铬的比例的增加具有增加钎焊材料的熔化温度的作用。因此，就对应于使用含有浓度为19％的铬的钎焊材料的曲线而言，相对于没有铬的钎焊材料的熔融温度，熔融温度的差异为约25℃(1210℃至1185℃)，从1200℃开始显著增加。还应注意，对应于使用含有浓度为9％或14％的铬的钎料的曲线的熔融温度接近于不含铬的钎焊材料的熔融温度，所述熔融温度分别为1185℃至1195℃和1195℃至1205℃。
向钎焊材料中添加铬增加了钎焊材料的熔融温度，其接近待修复部件的材料的熔融温度。
优选地，钎焊材料被确定为其熔融温度为至多1210℃，优选小于1210℃。
虽然它可以限制冷却过程中出现的裂纹，但任何高于19％的铬会导致部件的材料的行为产生问题。事实上，钎焊材料的熔融温度将接近部件材料的熔融温度，因此，当加热该部件时，制造部件的材料将与熔化钎焊材料所需的热量发生反应。
图15示意性地示出当钎焊材料包含9％至19％的铬时，待修复部件的材料的行为。可以观察到，制造待修复部件1的材料的颗粒57以准均匀的方式分布，这允许赋予部件良好的机械强度。
当钎焊材料所含的铬的量大于19％时，制造待修复部件的材料的行为将如图16所示。可以观察到，制造待修复部件1的材料的颗粒57的尺寸增大。这种尺寸增加接下来产生部件1的脆性和对机械应力的抵抗力，其明显低于图15所示部件1的抵抗力。
作为基于有利实施方式的示例，给定的部件可以特别地使用粉末冶金方法由镍基超合金制造，因此使用基材粉末a和钎焊粉末b。基材粉末a可以是已知的商品astroloy(根据afnor指定为nk17cdat)。这种材料与用于制造叶片的称为rené77的超合金完全兼容，特别是在固相线温度和机械特性方面。
基材粉末a的固相线温度为1240℃。其液相线温度为1280℃。用于进行astroloy粉末烧结和与叶片进行自钎焊的钎焊粉末b是含有17重量％的co，4重量％的si和2.7重量％的1060ni-co-si-b合金粉末。钎焊粉末b的固相线温度为965℃。其液相线温度为1065℃，低于基材粉末a和叶片的固相线温度。这些数据可用于定义1200℃的自钎焊温度，其高于钎焊粉末的液相线温度，但低于由rené77制造的叶片的固相线温度和astroloy粉末a的固相线温度。
因此，自钎焊温度将高于钎焊粉末的液相线温度并低于基材粉末和接收部件(例如，上述部件17)的固相线温度，而坯料(例如，上述预制件1)的烧结将在高于钎焊粉末的液相线温度，但是低于随后的自钎焊处理的温度的温度下发生。因此，可以获得适于自钎焊的部件的形状，其相对密度至少等于95％。
如fr2785559中所教导的，实际上，在实际应用中，在用于航空涡轮发动机，特别是用于涡轮机元件，更具体地说，用于低压涡轮机的叶片和/或分配器的应用中，为了优化生产质量，根据已知的现有技术，提出以下特征，无论它们组合与否：
钎焊材料必须是含有4至5重量％的si的合金；
钎焊材料必须是含有2.7至3.15重量％的b的合金；
含有与基材混合的钎焊材料的粉末中的钎焊材料的重量百分比必须在5至40％之间；
预制件(1)含有至少60％的基材。
根据本发明的方法可以修复各种涡轮发动机部件。事实上，由于通过选择性地熔融粉末而逐层构成预制件，所以预制件可以具有三维形状，如果需要，可以具有可变的厚度。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！