使用雷射和超聲的材料修複方法與流程

2023-06-08 16:20:06

本發明一般地涉及材料技術領域，並且更具體地涉及用於修復基底材料中的不連續特徵的方法。

背景技術：

燃氣輪機熱氣體通道組件儘管由可高度耐用的超級合金(superalloy)材料製造但仍然時常經受運行引起的(service-induced)劣化。術語「超級合金」在本文中如其在本領域中常用的那樣使用，即表現出優異的機械強度和耐高溫蠕變性的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。超級合金通常包含高鎳或鈷含量。超級合金的實例包括以以下商標和品牌出售的合金：哈斯特洛伊(hastelloy)、因科內爾(inconel)合金(例如，in738、in792、in939)、rene合金(例如，renen5、rene80、rene142)、haynes合金、marm、cm247、cm247lc，c263、718、x-750、ecy768、282，x45、pwa1483和cmsx(例如，cmsx-4)單晶合金。

圖1示出了作為開口於超級合金基底14的表面12的裂縫10的示例性的運行引起的不連續特徵。修復這樣的裂縫的已知方法是雷射再熔融，如圖2中所示，其中雷射束16指向表面12以對其進行加熱和熔融，從而形成熔池18。熔池18包圍裂縫10，使得在移除雷射束16以及使熔池18冷卻和固化時，在基底14上形成更新的表面20，如圖3中所示。

圖1至圖3的已知方法在提供無不連續特徵的表面20方面並不總是成功的。如圖3中所示，雷射再熔融方法的人工產物可包括孔隙22、夾雜物24和/或固化裂縫26。這樣的人工產物會由運行暴露期間累積在原始裂縫10中的汙染物28(例如存在於燃氣渦輪發動機的熱燃燒氣體中的氧化物和其他外來碎屑)的存在引起。汙染物28混入熔池18中並且可以分布在更大的體積上，但是他們不被雷射再熔融方法所消除。基底表面12的預熔融清潔可以減少汙染物28的量，但是這種清潔需要先進和昂貴的措施，例如氫氣、真空或氟化物離子熱處理。甚至在清潔過程之後，密的和/或深的裂縫一般也被不完全的清潔。

裂縫傾向材料(包含通常用於燃氣渦輪發動機的超級合金)也經受由於雷射再熔融過程或後續熱處理所致的裂縫26的形成，原因在於周圍基底材料隨熔池18冷卻和收縮的限制。某些汙染物28會加劇該問題。因此，持續需要用於修復包括表面和近表面不連續特徵的基底材料的改進方法。

附圖說明

在考慮附圖的以下說明中對本發明進行了闡述，附圖示出：

圖1是包括表面開口裂縫的現有技術基底材料的橫截面圖。

圖2示出了現有技術雷射再熔融修復過程。

圖3示出了在經歷圖2的雷射再熔融過程之後的圖1的基底材料。

圖4示出了被包含熔劑的粉狀材料層覆蓋並且鄰接超聲換能器的有裂縫的基底材料。

圖5示出了暴露於雷射束能和超聲能以形成被爐渣層覆蓋的熔池的圖4的基底材料。

圖6示出了熔池和渣層的再固化時的圖4和圖5的基底材料。

圖7示出了在移除渣層以露出無裂縫或其他不連續特徵的更新的表面之後的圖4至圖6的基底材料。

具體實施方式

本發明人已經開發了用於修復包括不連續特徵例如表面或表面下的裂縫、凹坑、夾雜物、空隙、孔隙或其它非設計性條件的材料基底的混合方法。該方法將能量束和振動機械能二者施加在具有不連續特徵的區域中以產生這樣的更新的基底表面：沒有不連續特徵並且比可用現有技術雷射再熔融過程實現的更不易受到不期望的修復人工產物的影響。使用能量束和振動機械能二者可以改善存在於不連續特徵中的有害汙染物的移除，可以改善對將熱能引入到經修復的材料中的控制，並且可以減少由修複方法得到的基底材料中的殘餘應力。

圖4至圖7示出了本發明的一個實施方案。基底30包括含有不連續特徵(例如裂縫34，例如在燃氣渦輪發動機的超級合金組件中運行引起的裂縫)的表面32，如圖4所示。裂縫34可包括用已知清潔方法難以或不可能移除的汙染物。在這個實施方案中，粉狀材料36的層放置在表面32上的裂縫34上方。粉狀材料36包含熔劑材料，但是在另一些實施方案中可包含或僅為合金填料材料，如下面更充分地描述。電/機械換能器38設置在足以將振動機械能引入到靠近裂縫34的基底30中的位置處以與基底30相接觸。

圖5示出了被同時暴露於雷射束40(來源未示出)和由換能器38產生的機械振動能42二者下的圖4的基底30。雖然在圖5中示出為雷射束40，但是本發明的其他實施方案可以使用另外類型的束能量，例如離子束、電子束等。機械振動能42可為任何頻率或變化的頻率，並且在一個實施方案中為超聲能。雷射束40和機械振動能42的組合效應是裂縫34周圍的基底30的熔融和上覆的粉狀材料36的熔融，從而產生熔池44以及(對於粉狀熔劑材料36的實施方案)上覆的渣材料46的層。如通過引用併入本文的共同轉讓的美國專利申請公開號us2013/0136868a1中所教導的，熔劑材料有利地有效捕獲雷射能量，提供氣氛屏蔽，清除汙染物，控制冷卻以及任選地提供材料添加劑功能，使其對於修復難以焊接的超級合金材料特別有用。

圖6示出了熔池44和渣材料46的層冷卻和固化之後的基底30，圖7示出了移除渣材料46，露出沒有任何不連續特徵的更新的表面48之後的基底30。

在圖5中熔池44的形成期間施加振動機械能42提供了可以促進渣中俘獲的汙染物的混合、聚集和漂浮的攪動。振動機械能42還可以或替代地在形成熔池44之前(例如在圖4的步驟中)施加，以便逐出裂縫34內的汙染物和/或經由裂縫34的相對側之間的摩擦在裂縫34內產生熱。振動機械能42也可以或替代地在形成熔池44之後(例如在圖6的步驟中)施加，以便逐出渣46的層和/或提供振動應力消除功能。

熔劑材料可以以粉末、糊劑、液體或箔的形式施加在裂縫34上方，並且可以如圖4中所示預置，或者可以用已知的進料系統與施加束能量同時施加。熔劑可以包含添加劑成分，其合金化到熔池44中以實現期望的材料組成或補償由於束熔融過程而損失的材料，例如鈦或鋁。熔劑中可以包含填料材料粉末，填料材料粉末貢獻於熔池，以便增加量來補償不連續特徵空隙或改變熔池的化學組成。

在一個實施方案中，將熔劑材料以液體或糊劑的形式引入到不連續特徵中。然後施加束能量以將基底材料預熱至接近但是低於基底材料的熔點的溫度。然後施加機械振動能以逐出不連續特徵內的汙染物，並且由於摩擦而在不連續特徵內產生額外的熱，從而導致在不連續特徵周圍立即形成小熔池。然後熔劑起到將汙染物隨渣從熔池中浮選出來的作用，然後渣在熔池的冷卻和再固化時被移除。

在該實施方案或另一些實施方案中，可有利地是熔劑包含熔融時放熱的組合物以進一步增強和控制加熱過程。放熱劑可以是經歷化學反應以產生熱的任何物質。在一些實施方案中，放熱劑是與氧反應產生熱的金屬、金屬合金或金屬組合物。此種反應的一個實例是如下式(a)所示的鋯金屬與氧燃燒形成氧化鋯：

zr(s)+o2→zro2(s)(a)

可用於特定應用的類似放熱反應的其他實例包括：

fe2o3+2al→2fe+al2o3(鐵鋁熱劑)(b)

3cuo+2al→3cu+al2o3(銅鋁熱劑)(c)

在另一個實施方案中，將粉末、液體、糊劑或箔材料施加在具有不連續的區域中的表面上方，並且然後將機械振動能和能量束二者施加至基底的具有不連續特徵的區域中以熔融和分布所施加的材料。然後使經熔融的材料固化以形成基底上的經修復的表面。

雖然已在本文中示出並描述了本發明的多個實施方案，但明顯的是這樣的實施方案僅以示例的方式提供。可進行許多變形、改變和替代而不背離本發明。因此，本發明旨在僅受所附權利要求書的精神和範圍限制。