专利名称：自清洗的钎焊材料的制作方法
发明的
背景技术：
本发明涉及一种软膏、涂料或胶带形式的钎焊材料，该材料用于修复燃气轮机部件，还涉及一种采用所述钎焊材料来修复钎焊接缝的方法。
燃气轮机的日常维护包括拆卸发动机；检查部件以确定它们是否可再使用或者是否需要修复或更换；最后用可再使用的、修好的或更换的部件将发动机重新装配好。各种各样的方法被用来修理燃气轮机部件，包括钎焊。例如高压压气机定子组件，该组件包括支撑着大量压气机叶片中的钎焊的内外覆环，它们通常是通过使叶片脱焊、清洗和修复这些覆环和可再使用的叶片，并且将可再使用的叶片和替换叶片钎焊到覆环上以重新装配好该定子组件来进行维修的。
清洗覆环以除去在发动机工作期间形成的氧化物的步骤对于在重新安装定子组件时获得干净可靠的钎焊来说是重要的。目前的清洗方法包括喷砂处理和水性脱脂。虽然这些方法能够令人满意地清洗多数覆环，但是它们通常需要看到氧化物(对于喷砂处理来说)或者需要强的化学成分(对于水性脱脂来说)。由于覆环的几何形状复杂，所以通常难以或不可能获得进行有效的喷砂处理所需要的视线。由于修理车间试图减轻他们的工作对环境的影响，所以采用强化学成分的选择变得更不符合要求了。即使当选择喷砂处理或水性脱脂时，进行令人满意的清洗所需要的时间和努力对用户来说可能是不可接受的。而且，喷砂处理和/或水性脱脂操作侵害性太大，以致于会损坏覆环，从而整个定子组件可能必须被废弃。废弃定子组件对于用户来说代价太高，而且在得到替换组件期间会耽误发动机的再装配。
美国专利No.5,735,448涉及一种修复超耐热合金例如燃气轮机部件中的表面和近表面缺陷的方法。在该方法中，在清洗完工件的基体金属表面之后，将修复涂料涂覆到工件的基体金属表面。该修复涂料包括一种从由大约20重量％到60重量％的挥发性有机载体和大约20重量％到大约60重量％的水基载体构成的组中选出的组合物。该修复涂料还包括约8重量％的包含卤化物的焊剂以及约5重量％的增稠剂。该涂料的余量为金属填料混合物，它包括成分基本上与工件的成分一致的第一种细碎同质颗粒组分以及其基底金属具有和工件相同的第二种细碎同质颗粒组分，还含有数量远超过工件中含量的熔点抑制剂。挥发性有机载体可以是甲醇、乙醇或乙醚。水基载体可以是一种凝胶粘合剂，例如镍铬钎料粘合剂(Nicrobraz Cement-S)。增稠剂可以是任意的能够使修复涂料凝结的物质，例如淀粉、树胶、酪朊、明胶以及藻胶、半合成纤维素衍生物，以及聚乙烯醇和羧基乙烯基化物。焊剂包括卤化物例如氟化物、溴化物、氯化物或它们的混合物。
发动机维修业需要一种更快速、更可靠的清洗要支承钎焊件的燃气轮机部件的方法。
本发明还有一个目的在于提供一种更快速更可靠的清洗要支承钎焊件的燃气轮机部件的方法。
本发明还有另一个目的在于提供一种更可靠的用于修复燃气轮机部件的方法。
上述目的是通过本发明所述钎焊材料和方法来实现的。
本发明提供一种用来清洗和修复发动机部件钎焊接缝中的裂纹和孔隙的钎焊材料。该钎焊材料主要包括氟化锂，作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进被修复部件的裂纹或孔隙中到在裂纹或孔隙中没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内，优选体积含量为大约20％；凝胶粘合剂，其体积百分比含量大约为15％；以及余量包括至少镍钎料和钴钎料中的一种。在优选实施例中，氟化锂的体积百分比含量大约为10％到15％。
本发明的钎焊材料可以以软膏的形式涂覆，或者以涂料或胶带形式涂覆。当该钎焊材料以涂料形式涂覆时，其体积的50％可能为一种合适的溶剂。当该钎焊材料以胶带的形式涂布时，采用通常被用来制造胶带产品的那种类型的柔性粘合剂来代替凝胶粘合剂。
本发明还披露了一种用于清洗和修复钎焊接缝的方法。该方法概括地包括以下步骤制备出一种钎焊材料，该材料包含氟化锂，作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进要被修复的钎焊接缝处到在裂缝或孔隙中没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内，并且优选其体积百分比含量为大约20％，和体积百分比约为15％的凝胶粘合剂，以及余量包含至少镍钎料和钴钎料中的一种；将所述钎焊材料涂覆到钎焊接缝上；并且将该钎焊材料加热到在足以使氟化锂挥发到约为2300°F的温度范围内，优选到约2200°F，最优选到约1950°F，并持续约1分钟到30分钟。如前所述，该钎焊材料可以以软膏、涂料或胶带形式进行涂覆。
在下面的详细说明中将对本发明的钎焊材料以及清洗和修复方法的其它细节以及其附属的其它目的和优点进行阐述。
本发明提供一种自清洗钎焊材料。该材料包含氟化锂、镍钎料以及凝胶粘合剂。氟化锂作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进要被修复的钎焊接缝处到在裂缝或孔隙中没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内，并且优选其体积百分比含量为大约20％。在优选的钎焊材料中，氟化锂的体积百分比含量约为10％到15％。已经发现氟化锂是一种特别理想的材料，因为它在钎焊操作过程所采用的热循环期间挥发。另外，不论是锂或是氟化物都不会扩散进母材中，相反，该锂和氟化物被释放到大气中。
还有，已经发现氟化锂中的氟化物与表面氧化物结合并且从被污染的表面中将它们去除。这使得该钎焊材料能够适当地润湿和填充钎焊异常处。
本发明的钎焊材料还包含凝胶粘合剂以利于钎焊材料形成为软膏。该凝胶粘合剂的体积百分比约为15％，优选地约为5％到15％。该凝胶粘合剂可以包含任意本领域公知的合适的凝胶粘合剂。例如可以采用由Wall Colmonoy公司制造的Nicrobraz S-Binder。该凝胶粘合剂的特征在于，其比重在20℃下为0.998，且其蒸汽压力在20℃下为17.52mmHg，并且是一种能够与钎焊金属填料粉末混合以形成一种触变物质的非易燃的、无毒、无味的悬浮制剂。
当以软膏形式使用该钎焊材料时，该材料的余量至少包括镍钎料和钴钎料中的一种。在该钎焊材料中所采用的镍钎料或钴钎料可以是任意本领域公知的合适的镍钎料和/或钴钎料。例如，本发明所述钎焊材料可以采用基本上由17.5重量％到18.5重量％的镍以及余量基本上为金的平衡材料所构成的镍钎料。或者本发明所述钎焊材料可以采用被称为AMS4777的镍钎料，该镍钎料由4.5重量％硅、7.0重量％铬、3.1重量％硼、3.0重量％铁以及余量基本上为镍构成。
在本发明优选实施例中，氟化锂和钎料最初都是粉末的形式，其中每种粉末的粒径在大约-60目到-325目的范围内。为了形成软膏形式的钎焊材料，要将氟化锂粉末和钎料粉末混合在一起。之后，将凝胶粘合剂加进该混合物中。然后轻轻地搅拌该含有凝胶粘合剂的混合物以形成软膏。可以采用注射器来涂覆该软膏形式的钎焊材料以填充裂纹、孔隙或其它要被修复的钎焊异常处。
对于某些应用来说，要求本发明所述钎焊材料采用涂料形式。为了形成涂料形式，则要在该混合物中加入溶剂。该溶剂可以包括任何本领域公知的合适溶剂，包括但不局限于水基溶剂、醇基溶剂以及它们的混合物。根据所要求的稠度，该溶剂的量可以为50体积％。当本发明所述钎焊材料采用涂料形式时，可以采用刷子或喷枪将它涂覆到要被修复的部件或钎焊接缝处。
对于某些应用来说，可能要求本发明所述钎焊材料采用胶带形式。为了形成胶带形式，可以用柔性粘合剂来代替凝胶粘合剂。该柔性粘合剂可以是任意本领域公知的用来制造转印胶带的普通粘合剂。一般来说，柔性粘合剂的体积百分比约为5％到8％。
本发明的钎焊材料可以用来修复燃气轮机中的裂纹和孔隙，尤其是那些由镍基和钴基超耐热合金形成的部件。例如，本发明的钎焊材料可以用来清洗和修复由因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金(Inconel)718和标号为因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750的材料形成的部件中的钎焊接缝。因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718是一种由19重量％铬、3.0重量％钼、5.1重量％铌、0.90重量％钛、0.50重量％铝、18重量％铁以及余量基本上为镍构成的合金。因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-715是一种由15.5重量％铬、0.95重量％铌、2.5重量％钛、0.70重量％铝、7.0重量％铁以及余量为镍构成的合金。
为了清洗和修复发动机部件中的裂纹、孔隙或其它钎焊异常处，需要将本发明所述钎焊材料以软膏、涂料或胶带的形式涂覆到裂纹或孔隙处。之后，钎焊材料和被清洗和修复的部件经过热处理步骤，其中钎焊材料和已经被涂覆的部件被加热到在可使氟化锂挥发到2300°F的温度范围内，持续大约1分钟到30分钟的时间，优选地加热到大约2200°F，最优选到大约1950°F。
在燃气轮机部件例如高压压气机定子的钎焊修复期间，可以采用真空以防止在热处理过程中出现氧化并能够有足够的钎焊流。如果接缝已经被从发动机运行所产生出的氧化物污染的话，则真空将有助于防止额外的氧化物的形成。然而真空并不能充分地减少那些已有的氧化物以让足够的钎焊流进接缝中。本发明的钎焊材料的自清洗机理能够在热处理过程中清洗被氧化的表面和/或被污染的接缝，从而让钎焊材料能够流进接缝区域。
为了阐明由本发明所述钎焊材料所带来的改进，以下提出一些实例。实例1氟化物在高温下易于与金属氧化物发生反应，并且已经在熔融化合物中被用作清洗剂。含有化合物的氟化物通常被用在更高温度的情况中。因此，选择几种氟化物加进钎焊材料中。为了进行比较，制备聚四氟乙烯(TEFLON)粉末并以各种比例将它加入AMS4777钎料中。还选出两种其它的化合物加入到钎料中，分别是二氟化铵(NH4F2)以及氟化锂(LiF)。将体积含量为5％、10％和15％的氟化物分别加入到AMS4777钎料中。Nicobraz′S′粘合剂被用来将粉末混合物转化成软膏。
已经发现LiF具有锂特性之外的其它优点，它能促进润湿并提高填料金属的流动。还发现很难适当地将二氟化铵加入到钎焊粉末中并把它转化成软膏。这是因为二氟化铵是大晶体盐，不容易分裂成容易与钎焊粉末混合的小颗粒。
最初，发动机运行所产生的氧化裂纹是不存在的，这样，′T′接缝由因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718和因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750基体金属片料构成。该′T′接缝在1500°F的空气炉中被氧化15分钟到2小时。采用上述的混合物以及基料AMS4777在被氧化的′T′接缝上进行试验。在热处理之后，具有TEFLON和二氟化铵钎焊软膏的′T′接缝没有显示出任何优于基料AMS4777的润湿/流动改进。另外，TEFLON和二氟化铵钎焊软膏焊脚给钎焊接缝留下乌黑的煤烟状粘性物。具有体积含量10-15％氟化锂的接缝其流动性等于或好于基料AMS4777。这些接缝依然具有最亮的表面光洁度并且没有任何黑色残渣。实例2由于LiF不会留下残渣并且表现与标准的AMS4777软膏相同或更好，所以还发现到它作为自清洗剂的潜能。装配出更多的′T′接缝并使它们氧化。另外，采用和最初的′T′接缝试验相同的程序使由因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750形成的且在母材中具有几个裂纹的定子氧化。软膏和涂料形式的钎焊材料由具有体积百分比含量为15％的LiF、Nicrobraz-S凝胶粘合剂以及AMS4777制备。在这些试验过程中，将自清洗钎焊软膏以及自清洗软膏和涂料(通过加入Nicrobraz′S′粘合剂稀释的软膏)的组合物涂覆到′T′接缝和裂纹上。较低粘度的涂料使得自清洗钎料的预放置能够进入到裂纹深处中，这使得氟化锂在大块的钎焊软膏熔融并流进接缝之前就开始清洗被氧化的表面。看上去，′T′接缝和裂纹显得更干净，并且随后的冶金测定显示出用自清洗钎焊软膏修复的裂纹和′T′接缝比那些用基料AMS4777所修复的更有效地被填充。
用自清洗钎焊软膏和涂料修复的接缝(因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750母材)的电子微探针分析进一步证实在钎料或附近的母材中看不到任何残余的锂或氟化物。在其裂纹尖端处具有小孔隙的接缝上进行另外的分析，电子微探针在母材中也没有发现任何扩散的锂或氟化物。
采用电感耦合等离子体(ICP)质谱测定法对钎料进行的化学分析确定，在热处理之后有极少的(ppm)锂残余。将五个自清洗钎焊样品(在热处理之后)送去进行浸出电化学试验以确定残余锂和氟化物的量。将这些样品浸入在热的去离子水中8小时，之后测试少量的水。在保留的溶液中检测到极少量锂和氟化物，分别为0.198ppm和0.248ppm。实例3进行腐蚀试验以确定在操作温度下加入LiF是否对母材有影响。将自清洗钎料(具有15％LiF的AMS4777)和基料AMS4777钎焊在因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718和因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750板上。在钎焊步骤之后马上从每块板中取出一块截面作为基准点。让所有四块板在1300°F空气炉中持续10个小时。从每块板中取出样品并进行冶金测定，检查钎料区域中的腐蚀并且把它们与原始的基准样品进行比较。然后将该四块板经过五次或更多次累积热循环；每隔10小时从每块板中提取样品。经过整60小时的周期之后，在AMS4777和加有15％氯化锂的AMS4777之间就没有差别了，并且也与没有经过60小时加热处理的基料没有任何差异。实例4
将加有15％氟化锂的AMS4777和前述加有15％氟化锂的镍金钎料分别涂覆在两块因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718板和两块因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金X-750板上，并且置于相近的热循环中。在每块板上采用Bernite Flux Detection Kit进行卤化物试验。在热处理之后没有看见任何残余的氟化物。实例5另一个试验是在由因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718制成的高压压气机定子的第13/14段上进行的，该定子具有在发动机运行过程中被氧化的两个开裂的钎焊接缝，这通常被认为是难以修复的。该定子用水清洗并采用240碳化硅砂料进行喷砂处理。将薄薄的涂料层涂覆在每个接缝上，随后涂覆软膏(涂料和软膏都是上述的含有体积百分比为15％的LiF的镍金钎料)。将该定子进行钎焊。在视觉观察下，可以注意到钎焊非常干净且彻底，而且没有看见孔隙或钎焊不足。再进行卤化物试验。没有看见残余的氟化物。冶金测定显示为合格的接缝(80％最小覆盖要求)。一个接缝具有非常宽的区域，并且没有被完全填充，这可能是由于其尺寸的缘故。然而，观察到沿着该接缝的壁该钎料有润湿，表明被自清洗钎料预先清洗了。总之，采用自清洗钎焊(15％LiF)软膏和涂料的组合通过预清洗接缝并使纤料能够流入该接缝，效果相当好。
在本发明所述钎焊材料中，氟化锂作为焊剂或活化剂，让钎焊材料能够流进被氧化的接缝中。本发明的钎焊材料的优点在于，氟化锂在标准的热处理步骤中被释放并且不会对正被修复的部件的基底金属产生负面影响。另外，氟化锂提供局部的清洗。该氟化物成分与表面氧化物粘合并且将它们从被污染的表面中除去，从而使得该钎焊能够适当地润湿并填充钎焊异常处。
虽然已经说明了本发明所述钎焊材料可以用来修复燃气轮机部件上的裂纹、孔隙或钎焊异常处，但是该钎焊材料还能够用来修复其它类型部件上的裂纹、孔隙或钎焊异常处，并且能够与其它被加入的金属粉末混合以桥接宽缝接缝或形成高强度、可锻造的扩散钎焊件。
由于其清洗能力，本发明的钎焊材料降低了劳动时间以及周转时间。
很显然根据本发明已经提供了一种自清洗钎焊材料，该材料能够完全使上述的手段、目的和优点另人满意。虽然根据其具体实施例已经对本发明进行了说明，但是其它改变、变化和改进对于那些本领域普通技术人员来说在前面说明书的启示下将是显而易见的。因此，这些改变、变化和改进也将落入所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于清洗和修复金属部件中的裂纹和孔隙的钎焊材料，包括氟化锂，作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进要修复部件的裂纹或孔隙中到在裂纹或孔隙中没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内；凝胶粘合剂，其体积百分比含量最大为15％；以及余量为至少镍钎料和钴钎料中的一种。
2.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述氟化锂的体积百分比含量在所述的足量到20％的范围内。
3.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述氟化锂的体积百分比含量为10％到15％。
4.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述凝胶粘合剂的体积百分比含量为5％到15％。
5.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述余量由镍金钎料组成。
6.如权利要求5所述的钎焊材料，其中所述镍钎料由17.5重量％到18.5重量％的镍和余量的金构成。
7.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述余量由镍钎料组成，该镍钎料由4.5重量％硅、7.0重量％铬、3.1重量％硼、3.0重量％铁以及余量镍构成。
8.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述钎焊材料为软膏形式。
9.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述钎焊材料为涂料形式，并且还包括从由水、酒精和它们的混合物所构成的组中选出的体积百分比含量达50％的溶剂。
10.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述钎焊材料为胶带形式，并且还包含体积百分比含量为5％到8％的柔性粘合剂。
11.如权利要求1所述的钎焊材料，其中所述氟化锂和镍钎料都是粉末形式，并且所述镍钎料的粒径在-60到-325目的范围内，所述凝胶粘合剂使所述氟化锂和镍钎料粉末形成为软膏。
12.一种用于清洗和修复钎焊接缝的方法，包括制备出一种钎焊材料，该材料含有氟化锂，作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进要修复的所述钎焊接缝处到在所述钎焊接缝处没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内；凝胶粘合剂，其体积百分比含量最大为15％；以及余量为至少镍钎料和钴钎料中的一种余量；将所述材料涂覆到所述钎焊接缝上；并且将所述材料加热到在足以使所述氟化锂挥发到大约2300°F的温度范围内，并持续1分钟到30分钟。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述加热步骤包括将所述材料加热到从所述足够温度到大约2200°F的范围内。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述加热步骤包括将所述材料加热到从所述足够温度到大约1950°F的范围内。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述涂覆步骤包括以软膏形式将所述钎焊材料涂覆到所述钎焊接缝上。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述制备步骤包括将所述氟化锂粉末、所述镍钎料粉末以及所述凝胶粘合剂混合而形成软膏。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述制备步骤包括加入一种体积百分比含量达50％的溶剂，并且所述涂覆步骤包括以涂料形式将所述钎焊材料涂覆到所述钎焊接缝上。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述加入溶剂的步骤包括加入一种从由水基溶剂、醇基溶剂以及它们的混合物所构成的组中挑选出的溶剂。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述涂覆步骤包括以胶带形式将所述钎焊材料涂覆到所述钎焊接缝上。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述制备步骤包括加入体积百分比含量为5％到8％的柔性粘合剂。
全文摘要
本发明涉及用于修复燃气轮机的自清洗钎焊软膏,其包含:氟化锂,作为焊剂其含量在足以让钎焊材料能够流进被修复部件的裂纹或孔隙中到在裂纹或孔隙中没有任何残余的锂或氟化物之间的范围内优选体积含量约至20%;凝胶粘合剂,其体积含量大约为15%;以及余量包括至少镍钎料和钴钎料中的一种。在优选实施例中,氟化锂的体积含量约为10%到15%。用于清洗和修复钎焊接缝的方法,包括步骤:制备组成如上所述的钎焊材料;将钎焊材料涂覆到钎焊接缝上;加热到在足以使氟化锂挥发到大约2300°F的温度,持续1到30分钟。
文档编号F02C7/00GK1340401SQ0113100
公开日2002年3月20日 申请日期2001年8月27日 优先权日2000年8月31日
发明者贝恩·奎亚克斯基·阿布里尔, 戴维·A·鲁茨, 布赖恩·W·马尼斯 申请人:联合技术公司