金属或合金部件的修复或联结方法和经修复或联结的部件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是对 Joseph Liburdi, Paul Lowden 和 Keith Ellison 在标题为"粉末冶金 修复技术"的专利US 5, 156, 321中首先描述的金属制品的修复或联结方法的进一步开发， 本发明可以用于修复或联结金属材料尤其是涡轮发动机部件。
【背景技术】
[0002] 由镍、铁和钴基超合金制成的涡轮发动机部件通常含有因生产或使用造成的缺 陷。因为这些部件很昂贵，所以非常鼓励修复它们。对于修复受损的发动机部件，Liburdi 工程有限公司开发出粉末冶金修复技术并申请专利，该技术首先在1992年的美国专利 5, 156, 321中描述，该技术包括：施用填料粉末（该填料粉末由具有与涡轮发动机部件的待 修复区域或连结部相同或相似化学组分的超合金制成），在真空或保护性环境中加热所述 部件以便固态烧结该填料粉末，导致在修复或连结区域形成多孔结构，然后将涡轮发动机 部件冷却至室温。冷却后，一层由包括硼或硅或两者兼有的镍基或钴基超合金制成的钎焊 材料或粉末随后被添加到烧结的多孔结构或连结部的表面，然后将所述制品加热至钎焊温 度而导致钎焊材料熔化，钎焊材料渗入整个多孔结构一一此时多孔结构和基体金属保持固 态，烧结填料粉末和液态钎焊材料，然后冷却并固化所有填料粉末、钎焊材料和基体材料， 产生与涡轮发动机部件的基体材料出色结合的高强度复合状材料。
[0003] 这种方法已经成功地用于修复由析出硬化超合金制成的在焊接过程中和焊接之 后的热处理过程中容易裂的涡轮发动机部件。然而，这种工艺由于多次热处理周期和低生 产率而非常昂贵。因此，要求进一步改进对涡轮发动机部件的修复以使粉末冶金修复的生 产率更高。
【发明内容】
[0004] 根据本发明，提出一种修复或联结金属或合金部件，特别是涡轮发动机部件的方 法，该方法包括以下步骤：
[0005] a)向所述金属或合金部件的待修复或联结区域施加包括填料粉末的填料粉末腻 子或条带，所述填料粉末包括含有铝、尤其是2 % -8 %重量的铝的超合金，并混有含氧有机 粘结剂；
[0006] b)直接在所述填料粉末腻子或条带上方施加膏状、腻子状或浆液状的钎焊材料， 所述针焊材料混有有机粘结剂、优选为含氧有机粘结剂；
[0007] c)在真空中加热以烧去有机粘结剂；
[0008] d)在真空或保护性气氛中进一步加热以便在使所述金属或合金部件的基体材料、 所述钎焊材料和所述填料粉末保持固态的温度下使填料粉末在基体材料上发生预烧；
[0009] e)在真空或保护性气氛中进一步加热至熔渗温度，允许所述钎焊材料熔渗到整个 预烧的填料粉末中而所述填料粉末和所述基体材料为固体，
[0010] f)在填料粉末和基体材料保持为固态的情况下在所述熔渗透温度下保温来进行 液态烧结；
[0011] g)冷却以进行固化。
[0012] 根据另一优选实施例，所述金属或合金部件由选自等轴、定向凝固的单晶铁、镍或 钴基超合金的材料制成。
[0013] 优选地，所述方法包括，在步骤a)之前，通过选自机加工、研磨、抛光、喷砂处理、 化学清洗、脱脂的方法在所述金属或合金部件的待修复或待联结的区域中露出无缺陷无污 染的基体材料的步骤。
[0014] 在修复涡轮发动机部件的情况下，通常在步骤g)之后，进行从所修复的或联结的 区域去除多余材料以恢复涡轮发动机部件的初始几何形状。
[0015] 在一优选的实施例中，所述步骤c)包括在真空中以1-10°C /min的速率加热至高 达450 °C的温度，以烧掉所述有机粘合剂。
[0016] 为了防止由于气体的快速膨胀而形成多余的空隙和空穴，所述方法包括，在步骤 b)之后以及在步骤c)之前，通过在大气压或高压下加热至位于25°C和220°C之间的一温度 来从所述有机粘结剂去除挥发性物质的步骤。
[0017] 为了进行根据优选实施例的方法，所述钎焊材料选自与所述金属或合金部件具有 基本相同化学成分的合金，并且还包括熔点降低剂，所述熔点降低剂为0. 1-3. 5%重量的 硼、0. 1-12 %重量的硅或两者兼有。
[0018] 根据另一优选实施例，用于所述填料粉末的含铝超合金选自含铝的镍基超合金、 钴基超合金和铁基超合金。其中所含的铝能够使得在填料粉末颗粒上形成氧化铝膜，防止 填料粉末被钎焊材料过早熔渗，以形成具有高机械性能的材料，在竖直位置或倒立位置在 修复表面上保持填料粉末并减少所需的钎焊材料的量。此外，需要铝来形成γ'相以用于 镍基超合金的沉积增强。
[0019] 为了使单位体积硼含量最低、生产具有高机械性能的无缺陷材料，所述钎焊材料 的重量与所述填料粉末的重量之比为〇. 2-0. 37。
[0020] 为了在修复区域和连结部实现高水平的机械和氧化性能，根据其他优选实施例， 填料粉末选自下列合金中的一种：包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的W、0-15%重量的 Mo、0-10 %重量的Ta、0-6 %重量的Nb、2-8 %重量的Al、0-6 %重量的Ti、0-5 %重量的Hf、 0-1%重量的Y，其余为Ni以及杂质的合金；包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的W、0-15% 重量的Mo、0-10%重量的Ta、0-6%重量的Nb、2-8%重量的Al、0-6%重量的Ti、0-5%重 量的Hf、0-1%重量的Y，其余为Co以及杂质的合金；包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的 W、0-15%重量的Mo、0-10%重量的Ta、0-6%重量的Nb、2-8%重量的Al、0-6%重量的Ti、 0-5 %重量的Hf、0-1 %重量的Y，其余为Fe以及杂质的合金。
[0021] 根据另一优选实施例，所述填料粉末在固态状态下的预烧在800°C -1500°C，优选 1050°C -1175°C的温度范围内进行。所述液态烧结在1050°C -1600°C，优选1190°C -1290°C 的温度范围内但是低于基体材料和填料粉末的液相线温度进行。
[0022] 根据另一优选实施例，为了提高耐磨性，所述填料粉末包含选自金属氮化物、氧化 物、碳化物、硼化物或它们的混合物的硬质颗粒。
[0023] 根据另一优选实施例，为了提高填料粉末腻子或条带的密度并且减小修复或联结 所需的钎焊材料的量，所述填料粉末是具有不同尺寸的金属粉末颗粒的混合物。
[0024] 为了进一步提高所修复的部件的密度以及质量，本发明的方法还包括，在冷却所 修复的或联结的金属或合金部件例如至环境温度的步骤g)之后，进行热等静压处理的附 加步骤。
[0025] 根据优选的实施例，所述金属或合金部件为涡轮发动机部件，选自航空及工业涡 轮发动机的喷嘴导向叶片、压气机静叶片、压气机叶片、涡轮叶片、高压涡轮叶片、低压涡轮 叶片、罩环、密封段、壳体、导流盘、燃烧室、火焰筒、燃料喷嘴、歧管。优选地，所述待修复或 待联结的区域包括护罩、叶尖、叶面、尾缘、前缘、外平台、内平台、翼板、内轨、外轨、内凸缘、 外凸缘、耳、唇部、冲击板、翅片或密封槽。
[0026] 为了在修复或联结之后恢复金属或合金部件的初始几何形状，根据本发明的方法 包括，在冷却步骤之后并且可选地在热等静压处理的步骤之后，使用用于基体材料的参数 进行时效热处理的步骤。
[0027] 为了执行修复涡轮发动机部件的方法，在优选实施例中，所述有机粘结剂为树脂 和溶剂的混合物，其中所述树脂选自由丙烯酸树脂、聚乙烯树脂和聚酯树脂构成的组，所述 溶剂选自由含氧乙二醇醚、丙酮、乙醇和水构成的组。
[0028] 在一优选的实施例中，所述方法包括，在步骤g)之后，去除所修复的或联结的区 域中的缺陷，露出通过液态烧结制得的无缺陷材料。
[0029] 为了修复所修复或联结的区域中的缺陷而不导致先前使用的钎焊材料的完全再 熔化，根据本发明的优选实施例，所述方法包括，在去除所修复的或联结的区域中的缺陷、 露出通过液态烧结制得的无缺陷材料之后，向所述的无缺陷材料施加填料粉末腻子或条带 并且在所述填料粉末腻子或条带上方施加钎焊合金的步骤，其中所述钎焊合金的固相线温 度低于钎焊材料的固相线温度但高于所述金属或合金部件例如涡轮发动机部件的工作温 度。优选地，所述钎焊合金选自镍钎焊合金和钴钎焊合金。
[0030] 为了制造用于在竖直头顶上的位置修复发动机部件的粘土状填料粉末腻子，所述 填料粉末腻子或条带包括占填料粉末重量的5-15%重量、优选6-8%重量的有机粘结剂。 为了确保利用重力和表面张力更好地施加钎焊材料，所述钎焊材料混有5-15%重量、优选 8-15 %重量的有机粘结剂。
[0031] 用于填料粉末腻子的有机粘结剂和用于钎焊材料的有机粘结剂具有相同或不同 的化学组分。
[0032] 为了防止在低温储存、运输和装卸期间填料粉末腻子的污染，根据另一优选实施 例，用于填料粉末腻子的有机粘结剂为疏水性的。
[0033] 为了制造具有高氧含量的钎焊材料，根据另一优选实施例，用于钎焊材料的有机 粘结剂为水基粘结剂。
[0034] 为了增强液态烧结，优选地，在步骤f)中，保温时间为0. 5-24小时。
[0035] 优选地，所述待修复或待联结的区域由两个单独金属或合金部件的彼此对置的接 合面之间的间隙来限定。
[0036] 根据本发明的另一方面，提供一种金属或合金部件，尤其是涡轮发动机部件，其具 有利用上述方法修复或联结的区域。
【附图说明】
[0037] 现在将参考附图描述本发明，附图并不是对本发明的限制。
[0038] 图1(a)、（b)、（c)和（d)示出了本发明的修复方法，其中：100-基体材料，101-深 裂纹，102-浅的表面缺陷，103-为了修复而对基体材料进行的典型准备，4-填料粉末腻子， 105-钎焊膏，和106-复合状沉积物，该复合状沉积物包括固化后的烧结的填料粉末和钎焊 材料。
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