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CN107208275A - 使用激光和超声的材料修复方法 - Google Patents

使用激光和超声的材料修复方法 Download PDF

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CN107208275A CN201680008653.1A CN201680008653A CN107208275A CN 107208275 A CN107208275 A CN 107208275A CN 201680008653 A CN201680008653 A CN 201680008653A CN 107208275 A CN107208275 A CN 107208275A
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Abstract

一种用于修复基底(30)的表面(32)的方法，所述方法包括向所述表面的具有不连续特征的区域(34)中施加能量束(40)和振动机械能(42)以在所述基底上形成更新的表面(48)。可将粉状熔剂材料(36)布置在不连续特征上方并熔融以将污染物(28)捕获并移除到渣(46)层中。可施加振动机械能以逐出不连续特征内的污染物，以向不连续特征增加摩擦热，以有助于渣的漂浮，以移除固化的渣，和/或以提供更新的表面的应力消除。

Description

使用激光和超声的材料修复方法
技术领域
本发明一般地涉及材料技术领域，并且更具体地涉及用于修复基底材料中的不连续特征的方法。
背景技术
燃气轮机热气体通道组件尽管由可高度耐用的超级合金(superalloy)材料制造但仍然时常经受运行引起的(service-induced)劣化。术语“超级合金”在本文中如其在本领域中常用的那样使用，即表现出优异的机械强度和耐高温蠕变性的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超级合金通常包含高镍或钴含量。超级合金的实例包括以以下商标和品牌出售的合金：哈斯特洛伊(Hastelloy)、因科内尔(Inconel)合金(例如，IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如，Rene N5、Rene 80、Rene 142)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC，C263、718、X-750、ECY 768、282，X45、PWA 1483和CMSX(例如，CMSX-4)单晶合金。
图1示出了作为开口于超级合金基底14的表面12的裂缝10的示例性的运行引起的不连续特征。修复这样的裂缝的已知方法是激光再熔融，如图2中所示，其中激光束16指向表面12以对其进行加热和熔融，从而形成熔池18。熔池18包围裂缝10，使得在移除激光束16以及使熔池18冷却和固化时，在基底14上形成更新的表面20，如图3中所示。
图1至图3的已知方法在提供无不连续特征的表面20方面并不总是成功的。如图3中所示，激光再熔融方法的人工产物可包括孔隙22、夹杂物24和/或固化裂缝26。这样的人工产物会由运行暴露期间累积在原始裂缝10中的污染物28(例如存在于燃气涡轮发动机的热燃烧气体中的氧化物和其他外来碎屑)的存在引起。污染物28混入熔池18中并且可以分布在更大的体积上，但是他们不被激光再熔融方法所消除。基底表面12的预熔融清洁可以减少污染物28的量，但是这种清洁需要先进和昂贵的措施，例如氢气、真空或氟化物离子热处理。甚至在清洁过程之后，密的和/或深的裂缝一般也被不完全的清洁。
裂缝倾向材料(包含通常用于燃气涡轮发动机的超级合金)也经受由于激光再熔融过程或后续热处理所致的裂缝26的形成，原因在于周围基底材料随熔池18冷却和收缩的限制。某些污染物28会加剧该问题。因此，持续需要用于修复包括表面和近表面不连续特征的基底材料的改进方法。
附图说明
在考虑附图的以下说明中对本发明进行了阐述，附图示出：
图1是包括表面开口裂缝的现有技术基底材料的横截面图。
图2示出了现有技术激光再熔融修复过程。
图3示出了在经历图2的激光再熔融过程之后的图1的基底材料。
图4示出了被包含熔剂的粉状材料层覆盖并且邻接超声换能器的有裂缝的基底材料。
图5示出了暴露于激光束能和超声能以形成被炉渣层覆盖的熔池的图4的基底材料。
图6示出了熔池和渣层的再固化时的图4和图5的基底材料。
图7示出了在移除渣层以露出无裂缝或其他不连续特征的更新的表面之后的图4至图6的基底材料。
具体实施方式
本发明人已经开发了用于修复包括不连续特征例如表面或表面下的裂缝、凹坑、夹杂物、空隙、孔隙或其它非设计性条件的材料基底的混合方法。该方法将能量束和振动机械能二者施加在具有不连续特征的区域中以产生这样的更新的基底表面：没有不连续特征并且比可用现有技术激光再熔融过程实现的更不易受到不期望的修复人工产物的影响。使用能量束和振动机械能二者可以改善存在于不连续特征中的有害污染物的移除，可以改善对将热能引入到经修复的材料中的控制，并且可以减少由修复方法得到的基底材料中的残余应力。
图4至图7示出了本发明的一个实施方案。基底30包括含有不连续特征(例如裂缝34，例如在燃气涡轮发动机的超级合金组件中运行引起的裂缝)的表面32，如图4所示。裂缝34可包括用已知清洁方法难以或不可能移除的污染物。在这个实施方案中，粉状材料36的层放置在表面32上的裂缝34上方。粉状材料36包含熔剂材料，但是在另一些实施方案中可包含或仅为合金填料材料，如下面更充分地描述。电/机械换能器38设置在足以将振动机械能引入到靠近裂缝34的基底30中的位置处以与基底30相接触。
图5示出了被同时暴露于激光束40(来源未示出)和由换能器38产生的机械振动能42二者下的图4的基底30。虽然在图5中示出为激光束40，但是本发明的其他实施方案可以使用另外类型的束能量，例如离子束、电子束等。机械振动能42可为任何频率或变化的频率，并且在一个实施方案中为超声能。激光束40和机械振动能42的组合效应是裂缝34周围的基底30的熔融和上覆的粉状材料36的熔融，从而产生熔池44以及(对于粉状熔剂材料36的实施方案)上覆的渣材料46的层。如通过引用并入本文的共同转让的美国专利申请公开号US 2013/0136868A1中所教导的，熔剂材料有利地有效捕获激光能量，提供气氛屏蔽，清除污染物，控制冷却以及任选地提供材料添加剂功能，使其对于修复难以焊接的超级合金材料特别有用。
图6示出了熔池44和渣材料46的层冷却和固化之后的基底30，图7示出了移除渣材料46，露出没有任何不连续特征的更新的表面48之后的基底30。
在图5中熔池44的形成期间施加振动机械能42提供了可以促进渣中俘获的污染物的混合、聚集和漂浮的搅动。振动机械能42还可以或替代地在形成熔池44之前(例如在图4的步骤中)施加，以便逐出裂缝34内的污染物和/或经由裂缝34的相对侧之间的摩擦在裂缝34内产生热。振动机械能42也可以或替代地在形成熔池44之后(例如在图6的步骤中)施加，以便逐出渣46的层和/或提供振动应力消除功能。
熔剂材料可以以粉末、糊剂、液体或箔的形式施加在裂缝34上方，并且可以如图4中所示预置，或者可以用已知的进料系统与施加束能量同时施加。熔剂可以包含添加剂成分，其合金化到熔池44中以实现期望的材料组成或补偿由于束熔融过程而损失的材料，例如钛或铝。熔剂中可以包含填料材料粉末，填料材料粉末贡献于熔池，以便增加量来补偿不连续特征空隙或改变熔池的化学组成。
在一个实施方案中，将熔剂材料以液体或糊剂的形式引入到不连续特征中。然后施加束能量以将基底材料预热至接近但是低于基底材料的熔点的温度。然后施加机械振动能以逐出不连续特征内的污染物，并且由于摩擦而在不连续特征内产生额外的热，从而导致在不连续特征周围立即形成小熔池。然后熔剂起到将污染物随渣从熔池中浮选出来的作用，然后渣在熔池的冷却和再固化时被移除。
在该实施方案或另一些实施方案中，可有利地是熔剂包含熔融时放热的组合物以进一步增强和控制加热过程。放热剂可以是经历化学反应以产生热的任何物质。在一些实施方案中，放热剂是与氧反应产生热的金属、金属合金或金属组合物。此种反应的一个实例是如下式(A)所示的锆金属与氧燃烧形成氧化锆：
Zr(s)+O2→ZrO2(s) (A)
可用于特定应用的类似放热反应的其他实例包括：
Fe2O3+2Al→2Fe+Al2O3 (铁铝热剂) (B)
3CuO+2Al→3Cu+Al2O3 (铜铝热剂) (C)
在另一个实施方案中，将粉末、液体、糊剂或箔材料施加在具有不连续的区域中的表面上方，并且然后将机械振动能和能量束二者施加至基底的具有不连续特征的区域中以熔融和分布所施加的材料。然后使经熔融的材料固化以形成基底上的经修复的表面。
虽然已在本文中示出并描述了本发明的多个实施方案，但明显的是这样的实施方案仅以示例的方式提供。可进行许多变形、改变和替代而不背离本发明。因此，本发明旨在仅受所附权利要求书的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种用于修复基底的表面的方法，所述方法包括：
将机械振动能施加至所述表面的具有不连续特征的区域中；
用能量束熔融所述表面的包括所述不连续特征的部分以形成熔池；以及
使所述熔池固化以在所述基底上形成没有所述不连续特征的更新的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中至少在熔融步骤之前将所述机械振动能施加至所述表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中至少在熔融步骤期间将所述机械振动能施加至所述表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中至少在熔融步骤之后将所述机械振动能施加至所述表面。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以超声能施加所述机械振动能以及用激光束熔融所述表面的所述部分。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将熔剂沉积到所述表面的所述不连续特征上方；
在熔融所述表面的一部分的步骤期间使所述熔剂熔融，熔融的熔剂在所述熔池上方形成渣层；以及
移除所述渣层以露出所述更新的表面。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在熔融步骤之前以能够有效地渗入所述不连续特征的糊剂或液体施加所述熔剂。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括将填料材料粉末与所述熔剂施加在所述不连续特征上方，所述填料材料粉末在被所述能量束熔融时进入所述熔池。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括施加包含添加剂成分的所述熔剂，所述添加剂成分在被所述能量束熔融时进入所述熔池。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括施加包含在熔融步骤期间放热的组合物的所述熔剂。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含超级合金材料，并且还包括：
将熔剂材料施加至超级合金表面的所述不连续特征上方；
熔融所述熔剂材料与所述表面的所述部分以在所述熔池上方形成渣层；以及
移除所述渣层以露出更新的超级合金表面。
12.一种用于修复基底的表面的方法，所述方法包括：
将材料施加在具有不连续特征的区域中的所述表面上方；
将机械振动能和能量束二者施加至所述基底的所述不连续特征的所述区域中以至少熔融所施加的材料；以及
使熔融的材料固化以形成所述基底上的经修复的表面。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
施加作为熔剂材料的所述材料；
施加所述机械振动能和能量束使得所述基底的包含所述不连续特征的部分与所述熔剂材料熔融以形成具有上覆的渣层的熔池；以及
移除所述渣层以露出所述经修复的表面。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
施加作为熔剂材料的所述材料；
施加能量束以将靠近所述不连续特征的所述基底加热至低于其熔融温度的温度；
施加由于摩擦而有效地在所述不连续特征内产生热的所述机械振动能，所述热足以引起所述不连续特征处的所述基底熔融以形成熔池，其中经熔融的熔剂材料在所述熔池上形成渣层；以及
移除所述渣层以露出所述经修复的表面。
15.一种用于修复基底的表面的方法，所述方法包括：将能量束和振动机械能施加至所述表面的具有不连续特征的区域中。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括至少在施加所述能量束之前施加所述振动机械能。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括至少在施加所述能量束期间施加所述振动机械能。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括至少在施加所述能量束之后施加所述振动机械能。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将熔剂沉积到所述表面上的所述不连续特征上方；
用所述能量束熔融所述熔剂和所述表面的包含所述不连续特征的部分以形成在熔池上方具有渣层的所述熔池；以及
移除所述渣层以露出所述基底上的更新的表面。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将填料材料沉积在所述表面上方；以及
利用所述能量束和所述振动机械能中的至少一种使所述填料材料熔融以形成更新的表面。
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