多組分沉積的製作方法

2023-07-13 23:11:46 2

專利名稱：多組分沉積的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬沉積。尤其是，本發明涉及磨損或損傷的氣輪機組件的修復，例如風機葉片和其他葉片。
背景技術：
氣輪機的部件經常遭受磨損和損傷。對於特定部件，即使是一般的磨損和損傷，也會妨礙發動機的最佳運行。所關注的特殊部位包括各種葉片的翼面。磨損和損傷會干擾它們的空氣動力學性能，造成動力的不均衡，在更極端的情況下甚至會從結構上危及這些磨損/損傷的部件。通常會在輕微磨損或損傷的翼面上進行一定的修復，將該磨損/損傷處下面的多餘材料去除以提供相對有效率和潔淨的截面輪廓，儘管該截面輪廓小於原來的或先前的輪廓。確立這種修復可實施範圍的典型檢修標準在下文中給出Pratt Whitney JT8D Engine Manual(P/N 773128)，ATA 72-33-21，Inspection-01，United Technologies Corp.，EastHartford Connection。對於各翼面，根據位置和特殊應用，該範圍可能會不同。該範圍主要基於結構和性能上考慮，這樣就限制了可去除的材料的總量。
現已提出了用於氣輪機磨損或損傷部件的在更大範圍內修補的各種技術。美國專利US4822248公開了等離子焰炬沉積鎳基或鈷基超合金材料的一種應用。美國專利US5732467公開了用於修復這種渦輪元件的裂紋的高速氧燃料(HVOF)和低壓等離子噴射(LPPS)技術。美國專利US5783318同樣公開了LPPS技術，除此之外還有雷射焊接和等離子移動電弧焊。美國專利US6049978還公開了HVOF的進一步應用。這些技術提供了一種堆聚替代材料以復原原有或接近原有截面的能力有限的方法。但是，相對於基體材料來說，替代材料的結構性能可能是很有限的。
特別是較大的損傷，公知的是使用預成型的插入件，該插入件可焊接該該需要處以修補損傷。損傷部分被切除成插入件的預定形狀，然後，該插入件被焊接在該處。結構上的限制和焊接將這些修補技術的適用能力和其他技術一樣被限定於翼面的相對低應力區域。所以，通常發動機維修手冊皆指定低應力區域的焊接修補是允許的。這樣，磨損/損傷程度和該磨損/損傷區域的應力的實際結合限制了這些技術的應用。高應力區域通常包括扇葉中跨擋板附近(例如，稍內側)的區域。

發明內容
本發明的一方面涉及一種將沉積材料沉積在部件上的方法。該部件置於一沉積腔內。在該部件上施加一第一電勢。一種或多種第一組分被汽化以形成沉積材料。該汽化的第一組分被電離。該第一電勢將電離的第一組分吸引到部件上來。濺射一種或多種第二組分以形成沉積材料。該濺射的第二組分與電離的第一組分同時沉積。
在不同實施過程中，濺射可包括在濺射靶上施加一濺射電壓。該濺射靶可以圍繞著由第一組分源至部件的離子流道。該一種或多種第二組分可以包括一種或多種難熔成分。該一種或多種第二組分可主要包括Mo。該沉積材料可主要由Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-8Al-1V-1Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo中的至少一種構成。該部件可能已在損傷處損失了部分第一材料，沉積材料可沉積在損傷處以修復該部件。沉積材料與部件的基材可能具有一交界面，該沉積材料與基材之間的粘合強度超過50ksi。部件和沉積材料也可包括Ti合金或鎳基或鈷基超合金之類的公稱成分。粘合強度可以在100ksi到200ksi之間。沉積材料可以具有至少2.0mm的深度。基材可具有超過沉積材料的厚度。基材可以包含原有的未修補過的材料。部件可以是Ti合金渦輪機部件，並且沉積材料可以是Ti基的。
本發明的另一方面涉及一種用於在工件上沉積材料的裝置。在一沉積腔內放置工件。具有用於由一種或多種第一沉積材料組分形成等離子體的裝置。具有用於在工件上施加調製的偏電勢(modulated bias electric potential)以從等離子體中吸引離子到工件上的裝置。具有用於濺射一種或多種第二沉積材料的裝置。一控制系統連接著成形裝置、施加裝置和濺射裝置，並且設定該控制系統，使之可為第一和第二沉積材料組分向工件的共同沉積提供反饋循環控制。
在不同的實施方式中，該裝置可以包括用於監控等離子體密度和流向工件的離子流的裝置。濺射裝置可包括分別為第一和第二濺射靶提供的用於一種或多種沉積材料的第一和第二組件。控制系統可編程以實現對施加於第一和第二濺射靶上的第一和第二噴射偏壓的獨立控制。
本發明的另一方面涉及一種用於在工件上沉積沉積材料的裝置。工件包含在沉積腔內，並且承受第一非零偏壓。加熱沉積材料的一種或多種第一組分源以汽化該第一組分。沉積腔內的第一濺射靶包括沉積材料的一種或多種第二組分，並且承受第二偏壓。
在不同的實施方式中，該一種或多種第一組分可能包括Ti、Al和V。該一種或多種第二組分可能主要包括Mo。該第一偏壓可能與第二偏壓不同。第一和第二偏壓可以是至少量級和負載周期兩者之一不同的脈衝調製電壓。可以具有一與第一濺射靶成分不同的第二濺射靶，並承受著與第二偏壓不同的第三非零偏壓。
本發明的另一個方面涉及一種同時沉積一種或多種第一組分和一種或多種第二組分的方法。該一種或多種第一組分的沉積採用的是離子增強型電子束物理汽相沉積法。該一種或多種第二組分採用濺射法。
在不同的實施過程中，該一種或多種第一組分可以來自同一金屬錠。該一種或多種第二組分可以是至少兩種組分並來自不同成分的至少兩個濺射靶。
本發明的一個或更多實施例的細節將結合下面的附圖和說明進行闡述。通過說明和附圖，以及權利要求，本發明的其他特徵、目的和優點將會更加清楚。


圖1是氣輪機風機葉片翼面的視圖。
圖2是圖1中的翼面的尖端內向視圖。
圖3是圖1中的翼面的損傷部位的局部剖視圖。
圖4是圖1中的翼面的磨損部位的局部剖視圖。
圖5是圖1中的翼面經加工去除損傷/磨損表面後的局部剖視圖。
圖6是在圖5中的翼面上施加一支撐元件後的局部剖視圖。
圖7是在圖6中的翼面上沉積原始材料重建翼面之後的局部剖視圖。
圖8是對圖7中的翼面進一步加工並沉積附加材料重建翼面之後的局部剖視圖。
圖9是圖8中的翼面再進一步加工之後的視圖。
圖10是用於沉積圖7和圖8中的原始材料和附加材料的離子增強型物理汽相沉積裝置的示意圖。
圖11是一種可替換的離子增強型物理汽相沉積裝置的局部示意圖。
不同附圖中的相同元件使用相同的標號和名稱。
具體實施例方式
圖1示出了氣輪機的風機葉片20。該葉片具有一將葉片連接於輪盤(未示出)之上的內側葉根22。一平臺24將葉根和由該平臺延伸之頂端28的翼面26分成兩部分。該翼面具有一前緣30和一後緣32，以及在其間延伸的吸入側和受壓側34和36。在典型的葉片中，在平臺和頂端之間沿跨距的中部，具有分別由受壓側和吸入側表面延伸出的中跨阻尼器屏板凸塊40。
受壓側和吸入側凸塊40可以分別與相鄰葉片上的吸入側和受壓側凸塊相互作用以抑制葉片振動。中跨屏板凸塊的旋轉質量以及他們與相鄰凸塊之間的相互作用使葉片在最接近這些凸塊和這些凸塊內側區域內承受高應力。相對於低應力區域來說，這些應力可能會限制這些區域的可修復性。下面的技術是已公開的，即，使用電子束物理汽相沉積(EBPVD)沉積修補材料，殘留應力低，並且所得到的結構特性與下層基礎材料的基本相同。相對於焊接修補技術，該沉積材料可具有強化的強度和強化的粘合性。沉積優點的產生是由於不存在一短暫的液相過程，而是直接由蒸汽雲凝固。
圖3顯示了局部的損傷，例如因異物刻劃或切削靠近前緣的翼面而形成的損傷前部30』。圖4顯示了更常見的損傷，例如前緣被磨損成一部位30」。首先清除該損傷部位的汙物，進而去除基礎材料以形成一有利於接收沉積的基礎表面。在通常的修補程序中，損害/磨損之後，將葉片的剩餘基礎材料造型成預設外形，例如形成一有角度的前倒角或基礎表面50(圖5)。所示的倒角以內向角θ1朝向彎曲的受壓側表面36。例如θ1超過120°，更精確地，120°-130°。該倒角50位置/定向可以根據很多因素並可以損傷位置為基礎確定，這樣，在一特定的修補條件下，任何翼面給定位置上的損傷都可相似的處理。
在一種優選的的圖示變化中，一支撐臺/罩元件52(圖6)固定在翼面上，並凸出於靠近去除/移除材料位置的倒角50。在典型的實施例中，該支撐元件52可以是具有第一和第二表面53、54的金屬(例如，鋁)帶，其中第一表面53的後部固定在剩下的完好的吸壓側表面34的前部上。表面53的前部突出於已消失的前緣30，並且中部沿原先的翼面輪廓延伸至與表面34的消失部分相結合。在可選的變化中，表面53可以完全或部分地延伸至與消失了的原先的表面輪廓相結合的任一側。
接著相對於蒸汽源58定位葉片(圖7)，該蒸汽源沿視線通道502噴射蒸汽。優選地，該源/通道被定向為使通道偏離表面50和36的垂線的角度在θ2與θ3之間。通常，θ2和θ3小於30°。從源58的沉積物逐步堆積成第一修補材料60。優選地，將其堆積至如下的表面形狀62，該表面輪廓超出已消失的翼面原輪廓的受壓側部分。在沿靠近基礎表面50的沉積物接收部分的表面上，表面36的曲率使θ3產生關聯變化。
在沉積步驟之後，可以進一步加工葉片以去除支撐元件52，並沿沉積材料60和原始基礎材料延伸製造出一第二倒角或基礎表面64(圖8)。在典型的實施例中，該加工過程還進一步去除一先前完整的吸入側表面34的前部。該葉片可被重新相對源58定向，這樣表面64和34隻是稍微偏離通道502的垂線，並且第二附加材料66沉積於其上以到達一超出消失的原輪廓的吸入側部分的輪廓68。沉積材料60和66可以接下來被加工成特定的最終輪廓，該最終輪廓等同於消失的原有輪廓(圖9)。之後，可以施以額外的表面處理和/或防護塗層。
修復材料的沉澱是通過一EBPVD工藝或一離子增強型EBPVD工藝實現的。通常認為EBPVD工藝可以通過無暫時性液相的沉積提供有利的物理特性。比起其他工藝，例如等離子噴塗沉積，通常認為使用EBPVD可獲得更低的殘留應力和更好的粘合性。通常認為離子增強型EBPVD工藝可以在比傳統EBPVD溫度的更低的條件下確保更好的粘合性和更高質量的沉積層(也就是，更均勻更緻密的沉積材料)。傳統的沉積是在壓強在10-1和10-4Pa之間真空室中進行的，更精確地，大約(5-10)×10-3Pa。典型的地沉積速率在每分種10到100微米之間，更精確地，在每分鐘10至50微米之間，例如大約每分鐘20微米。局部沉積可以在一步或多步之內堆積至幾乎任意深度，其中單個步驟的特徵在於中間處理與組分相對於蒸汽源的再定位之間的結合。單獨步驟沉積材料的厚度也可以超過2mm，超過5mm，或更高。對於特別昂貴的組分，利用該處理過程可完全替代失去的特性。例如，如果葉片的整體式圓盤和葉片環發生損壞，可以由該圓盤重建一替代葉片。在這個例子中，粘合強度可能超過50ksi，更有利地是可以超過100ksi。典型的離子增強型EBPVD工藝在實施中所產生的粘合強度的測量值為149ksi。與之相對照，非離子增強型工藝和空氣等離子體工藝產生的粘合強度分別不超過22ksi和7ksi。
在下述部位可用同樣的工序沉積材料翼面後緣、或中跨屏板的前緣或後緣、或頂端區域，即使該處的材料損失已經超出傳統的可修復範圍。相似的沉積可能會影響遠離邊緣的吸入側或受壓側表面上的修復。對於這些修復，一般來說，單步沉積就已足夠。在凸起表面(例如，吸入側上的)上加工出一相對平坦的倒角可能會特別方便。在凹入表面(例如，受壓側上的)上採用凹面加工(例如，使用雙凸式磨削套筒(doubly convex grinding quill))可能會較合適。更有利地，採用這種凹面加工後的加工表面會在整個區域內保持與蒸汽通路的法線成預期的角度。
除平面倒角磨削之外，機械加工都是可用的。有效加工的最重要原則是為隨後進行的沉積提供一潔淨的基礎表面。儘管平滑是有利的，預期的或可接受程度的粗糙度也是可以允許的。有利的是，該葉片在每步沉積過程中都保持固定，以此防止沉積材料的柱狀間斷的出現。
圖10顯示了一用於執行上述沉積過程的離子增強型EBPVD裝置100。該裝置包括一真空腔102，該真空腔具有內部104。一具有一用於接受沉積的表面部分108的工件106(例如，渦輪機部件)定位在腔的內部，並由固定裝置110夾持。該腔還可以具有各種附加特徵(未示出)，例如用於抽空該腔的整體式真空泵，用於導入和移開工件106的負載閘室，以及各種傳感器。
沉積材料可以，至少部分的，來自金屬錠112，該金屬錠可逐步並不斷地通過真空腔通道114，沿插入方向520插入腔內。通常金屬錠材料要精心選定，使合成的沉積材料可達到預期的化學性質。例如，該沉積材料可以具有與待修復工件的基層材料相同的化學性質。其中，後者是純元素材料，而前者也可相同。但是，如果是合金，則需要根據各種狀況改變其化學性質。這種狀況依據合金的化學性質、沉積裝置的結構、和沉積裝置的操作參數可能會不同。例如，最輕的汽化合金元素(例如，鈦-鋁-釩合金和混合蒸汽中的鋁)可被較重元素(例如，鈦)推向蒸汽流的外圍。相對於較輕元素在金屬錠中的原始濃度來說，在工件與蒸汽流中央相對準的範圍內，被沉積材料將會暫時地減少該較輕元素的濃度。因而，為了獲得預期的沉積材料成分，金屬錠中的較輕元素需要具有更高的濃度。這樣，為了沉積Ti-6Al-4V材料，可以使用Ti-8Al-4V金屬錠。
為了沉積含有難熔元素的材料(例如，Ti-8Al-1V-1Mo的沉積)，如果工作溫度正好選在輕質金屬的沸點而遠低於該難熔元素的實際沸點，則在該蒸汽流中該難熔元素會非常少。在傳統的EBPVD工藝中，這種情況會妨礙具有難熔元素的合金的沉積。
在離子增強型EBPVD中，工件的沉積表面承受沉積材料離子的衝擊。該衝擊向表面施加額外能量。該額外能量加熱該表面，增強表面活性，並使表面原子漂移擴散，原子混合，稍微融入或融入先前沉積的材料中。這種原子過程的功能取決於離子能力以及衝擊離子和沉積表面的性質。這種離子強化會產生強化的離子結合，更強的沉積材料粘合性，和更高的沉積材料密度。在離子增強型PVD過程中的這種對於沉積表面的離子衝擊，會使表面原子產生動力濺射，將那些原子從沉積材料中去除。在沉積過程的初期，這種濺射具有特殊效果，即，清除沉積表面上的雜質。在之後的沉積過程中，該濺射會移除黏附性弱的原子，產生高質量(例如，粘合性和密度)的沉積層。在多數情況下，每種合金組分的濺射是相似的(由於原子重量、組分濺射係數的相近，以及組分原子間的結合)。否則，當某些成分的優先濺射發生時，沉積後的合金中那些成分會很少。但是。蒸汽的適度離子化和沉積表面的適度離子衝擊不會對沉積材料的成分產生不良影響。在僅適度離子化的情況下，相對於沉積表面上正在沉積的原子流，沉積表面上的離子流(以及由此產生的濺射原子的流動)將會很弱。例如，在以10-50μm每分鐘的沉積速率沉積Ti-6Al-4V時，離子流密度為1-50mA/cm2以及離子能量達到10keV都是可以接受的。在沉積具有輕質成分(例如，Ti-6Al-4V中的Al)的合金時，該最輕的原子可能會被優先濺射。但是，在強烈的蒸汽流中，這些原子將會在由較重原子(例如，Ti)衝擊引起的背向散射的作用下再次沉積。
適當的密封可以防止金屬錠周圍的洩漏。可選地，該金屬錠及其進給運動驅動器(未示出)可以設置在腔104內。金屬錠的腔內端變為通過一坩堝116沿構成該腔的外壁底部定位。該金屬錠的金屬熔池118在腔內形成並且具有一表面或凸面120。通過電子槍124發射出的電子束122將金屬錠融化形成一熔池，該電子槍可定位未腔內或腔外以將該電子束引向腔內金屬錠末端/熔池。坩堝用於承納該熔池。有利地，該坩堝應當被冷卻以防止其熔化(例如，將冷卻流體，例如水，通過一外部冷卻套管(未示出))。在典型實施例中，該坩堝是一電磁坩堝單元，並且具有一繞在金屬錠周圍的由電源126供電的圓柱形線圈。該通電線圈在熔池118上部和內部產生磁場。通常，磁場強度為0.003-0.06T。磁場用於聚焦電子束122，以便提高汽化速率，因為該電子束可能已經被電離的放電等離子體和放電電流的磁場散焦。通過阻止放電陰極斑點向坩堝外圍移動，該磁場也有助於穩定表面120上的電離放電，從而，避免真空電弧在坩堝體上燃燒。該磁場通過影響電離度和空間分布而有助於控制放電等離子體參數。該磁場同樣影響熔池118中的金屬液的旋流。該旋流有助於提高熔化金屬成分的混合，並減少金屬噴濺。液態金屬的旋轉是金屬液中的電流相互作用的結果，這是由電子束和電離放電以及線圈的磁場引起的。由於減少了向坩堝壁傳遞的熱量，該旋轉同樣提高了汽化速率。
電子束的熱量可有效地汽化熔池內的金屬。為了確實地將帶電金屬離子吸引到表面108上來，在工件106上施加一負偏壓。一脈衝調節器128通過一電線/導線130連接於工件106上。該偏壓可以具有一矩形脈衝波形，該波形的特徵在於重複頻率Fb(脈衝頻率)，脈寬τb，負載周期Db，和峰值電壓Ub。Db＝τb×Fb。也可以使用替換偏壓波形(例如，正弦形的)。但是，通常認為矩形波形可以向沉積材料中提供特別高效的能量。通過施加一未調整的直偏流，也可能在表面108上發生弧光放電(電弧放電)，尤其是沉積剛開始的幾秒鐘內。這種發電會損傷表面。負壓的脈衝調整可以有效地抑制電弧放電。減小脈寬可以減小電弧放電的可能性，這是因為電弧的形成需要足夠的時間(例如，由一百到幾千毫秒)。即使弧光發電現象發生，偏壓脈衝之間的中斷(暫停)也可以很快地中斷該放電。
有利的偏壓參數會在很大程度上根據設備的性能、沉積材料的屬性、工件的尺寸(質量和線性尺寸)等等而不同。通常峰值電壓是一介於50-10000V範圍之內的負壓。通常脈衝重複頻率在0.05-150kHz範圍內。通常脈寬≥大約5μsec。這樣的脈寬比較有利，這是因為，倘若在有類似電壓的更短的脈衝的情況下，只有很少數的離子可以帶著全部的能量到達工件。由金屬原子的蒸汽形態中產生的離子需要相對長的時間(大致與它們的質量成比例)才能由蒸汽等離子體穿越圍繞在工件表面的空間電荷層到達工件。該電荷層用負電勢將蒸汽等離子體與工件分離。金屬離子由偏壓加速。離子穿過電荷層所需的時間(例如，大約1μs)在實際操作上需要小於脈寬τb。偏壓參數可以在沉積過程中動態地改變，以控制沉積的參數，尤其是工件的溫度。這樣是有利的，即，在處理過程開始時採用相對較高的Ub和Db，然後降低該值以將工件溫度保持在目標範圍之內。如果該溫度達到或低於該範圍的下限時，則可以提高上述的值。在一般的實施過程中，只有負載周期在運行過程中是變化的。例如，在最初的通常0.5-2.0分鐘的時間段內，負載周期可能是接近0.9。接著該負載周期被降低至接近0.1-0.4的值並維持幾分鐘以避免過熱。接著負載周期可以適時地逐步遞增回0.9的值以使運行溫度保持在目標範圍之內。
如上所述，一個需要注意的潛在問題是沉積表面(表面部分108或沉積材料沉積於其上的表面)上的電弧放電。沉積材料的離子可能會使表面電壓升至擊穿電壓。電弧放電可能是一短暫的單極放電(電火花)，這是由在沉積表面上儲存的離子電荷產生的。這種形式的電弧放電不需要第二電極。但是在某些情況下，電火花會在工件(充當陰極)和等離子體或接地元件(充當陽極)之間引起一強烈的單極電弧。該強烈的電弧會損傷沉積表面和偏壓電源(電弧引起短路)。偏壓脈寬的減小降低了該強烈電弧產生的可能性，這是因為電火花和電弧的形成需要足夠的時間(例如，由100μs至幾毫秒，這取決於幾個因素)在沉積表面上儲存擊穿電荷。儘管採用脈衝調製，在數個脈衝和相關的電荷儲存之後，還是可能達到表面擊穿電壓。這個問題可以通過臨時將偏壓反向，例如，在工件上施加一小量級(例如，50-200V)的正向窄脈衝(例如，1-10μs)的手段得以控制或消除。該正向脈衝吸引由放電等離子體奔向沉積表面的電子，以至少部分的抵消離子表面放電。這種極性的反轉對於相對不導電(例如，不導電的或半導電的)的沉積材料也許特別有用，其中該材料充當可儲存離子電荷的薄膜電容器。對於多數的導電材料(例如，金屬、合金以及其他金屬材料)來說，僅反向脈衝之間的短暫停就足以抑制電弧放電了。
電流傳感器132可以連接於導線130上，用於測量從那裡通過(例如，由離子衝擊表面部分108或材料上層而形成的電流)的電流的參數。在一般的實施過程中，將一用於測量偏壓和觀察其波形的電壓分配器134連接在導線130上，如，傳感器132的上遊。一示波器140分別交叉連接在傳感器132的輸出端142、144以及分配器134上，用於監控偏流和偏壓。一數字轉換器146可類似地連接於這些輸出端上，並依次連接一數字監控器和/或控制系統148。
為了保持電離放電沿汽化/等離子體流道522由熔池118至表面108，將一電離陽極150(例如，至少部分環繞這通路522的環)通過電線/導線154連接於電源152之上。該放電保證汽化成分的必要的電離度。該電離度的特徵在於沉積表面上的離子流密度ji。通常ji為1-50mA/cm2，更精確地，2-10mA/cm2。這會產生相關聯的50-200A的普通洩放電流。對於鈦合金的沉積，通常的相關洩放電壓為8-20V。一脈衝調製器156可安裝於電源152和環150之間，用於調整電離放電。該電離放電具有頻率Fa，脈寬τa，負載周期Da＝τa×Fa和峰值電流Ia。
電離放電的調整具有幾個效果。減少負載周期可縮短放電的工作時間，與之相關的是在此期間放電影響(例如，散焦)電子束122。這種散焦會降低汽化速率。該調整可通過防止由熔池表面到坩堝體外圍的放電跳動來穩定電離放電，以此防止真空電弧在坩堝體上燃燒。這種燃燒是非常不利的，這是因為坩堝材料可能會向沉積材料中摻入不希望有的雜質。坩堝體的導電錶面上的真空電弧激勵的主要機理是不規則微小尖端的放電，這是由於它們被場發射電流(例如，電離放電的等離子體為其充當陽極)加熱造成的。充分的加熱需要充分的時間間隔。電離放電的脈衝調製為坩堝的微小不規則部位的受熱和場發射提供了周期性中斷，以允許充分的冷卻，確保穩定放電。調整參數的選定應可在工件的沉積表面上提供期望的電流密度，和能夠為電子束和汽化速率帶來可允許效果的期望的電離放電穩定性。一般調整參數包括1-10000Hz範圍內的頻率Fa，更精確地，100-1000Hz，和0.1-0.95附近的負載周期Da，更精確地，0.5-0.9。在沉積過程中，一個或多個放電脈衝參數可能會發生變化。例如，負載周期可能會在沉積過程開始的某個時間段內逐漸減小。當減小為零時，會產生由離子增強型EBPVD到傳統EBPVD之間的軟轉換。各種波形都可用來替換矩形波。可將一電流傳感器158連接在線路154上，同時將一電壓分配器160連接在線路下遊。該電壓分配器提供輸出端162、164，當示波器如140』所示連接時，輸出端可連接於示波器上。一數字轉換器(未示出)可連接於一數字監控器和/或控制系統(未示出)，並可用於取代或附加於示波器140』上。一至少部分圍繞流道522的電磁環170通過電線/導線172連接到電源174上。在典型實施例中，該電磁環170沿流道522定位於陽極環150的上遊。但是，它也可選擇地定位於如170』所示的下遊，或甚至置於工件106的後面(下遊)。一典型的環170由圍繞著流道522的幾圈導線構成，形成一個線圈。對該環/線圈170通電使之產生0.003-0.03T左右的磁場，以通過由陰極發射電子的方式加速蒸汽電離，並利用磁場對等離子體電子軌道的作用來控制放電等離子體的空間分布。等離子體電子基本上沿磁場線(例如，螺旋形環繞著場線)流動。這樣，增強的磁場強度提供更高的等離子體密度。對稱的磁場分布產生對稱的等離子體分布。這包括在工件表面附近提供分布密度的等離子體，和表面上的相關聯分布的離子流(例如，提供沿工件的更大塊部件的強化離子流以提供由離子衝擊帶來的更均勻的加熱)。在沉積過程中，改變電磁環中的電流或其在該處的位置，可允許對沉積表面的離子分布進行動態控制，並可用於達到預期的加熱效果。
一閘板178具有偏離流道522的第一位置(實線)，和一阻擋流道522的第二位置(虛線)178′。該閘板可沿流道522定位於陽極環150的下遊。該閘板可在準備過程中處於第二位置，此時裝置正在被調整為初始目標工作狀態。在該環節中，金屬錠已熔化形成熔池，電離放電已經建立，工件上已經施加了負偏壓，並且工件可以進行預熱。工件106可以通過由第二電子槍192發射的電子束190預熱，以對工件的非沉積表面部分194施加影響。預熱可以通過熱解和解析表面雜質以清除沉積表面。這樣可以增強沉積材料的結合與附著力，並可在沉積初始階段避免熱衝擊。在典型實施例中，考慮到設備的限制了蒸汽的疏散並避免不可接受的工件氧化，可改變預熱方式，使工件溫度逐漸提高，以有助於達到預期的汽化率，及工件散熱。預熱參數主要取決於工件的幾何尺寸和質量。將工件預熱至一不高於最大工作目標溫度的溫度是有利的，並且有利的是，該溫度通常在工作目標溫度範圍內。根據初始目標範圍的參數，閘板打開，露出工件以進行沉積。在沉積過程中，第二電子槍192可通過離子撞擊，通過熱輻射(例如，來自熔池內的熔化金屬)，以及通過沉積過程中的原子冷凝的方式加熱工件。如果溫度超過工作目標範圍的上限則關閉該第二電子槍，並且只要溫度處於該目標範圍內也可關閉它。但如果溫度下降至低於目標範圍的下限，它可以被重新打開。如果在沉積過程的最後階段沉積速率下降，則該電子槍可在速率下降的階段內重新打開。
在工作過程中，等離子體密度可由一位於腔內並連接於一記錄系統202之上的等離子體探針或探針陣列200來監控，其中該記錄系統具有輸出埠204和206以允許監控(例如，通過如140」所示連接的示波器)。通常的探針可以是相對於等離子體處於負電勢的電極，用以測量飽和離子流。通過在流道522周圍布置探針陣列，可監控電離放電的方位不均衡性。該方位不均衡性，可能是由電子束對熔池加熱的不均勻加熱，以及熔池上方和蒸汽內部電離放電的不均勻分布造成的。探針同樣可以用於監控蒸汽流的空間分布。該探針可在離子增強型EBPVD和傳統EBPVD中作為蒸發用電子束122的擴展部件，這是因為電子束會使部分蒸汽發生電離，在探針電路中產生電流。該電流可以是蒸汽密度與汽化速率的比。通過電離放電的脈衝調製，脈衝期間的探針電流用於撤銷監控。撤銷脈衝之間的探針電流用於汽化監控。該監控允許對過程故障進行快速探測，並可通過一反饋循環提供其穩定性。例如，通過控制電子束122可以穩定汽化速率，以保持脈衝之間的恆定的探針電流。
在通常的實施例中，脈衝調製器128包括一電子管208。該電子管208(例如，三極體，四極管，或類似元件)充當一快速選擇開關裝置，用於周期性的將工件106接通主DC電源的負極，並由此產生負偏壓脈衝。可控制主DC電源電壓以決定該偏壓的峰值。該脈衝調製器還包括一發生器(未示出)，該發生器用於控制施加在電子管的控制柵209上的脈衝。這些控制脈衝參數決定偏壓脈衝的參數(Fb，τb，Ub，和相應的負載周期)。一電流探針210和電壓分配器212連接與電子管208上，並提供輸出端214和216用於通過如140所示連接的示波器進行監控。該監控用於校驗脈衝調製器的正常工作狀態。可替換的電壓調製器可用於產生偏壓(例如，基於閘流管，閘流電晶體，電晶體，和升壓變壓器)。但是，電子管調製器的有利之處在於，它將耐用性和對輸送到工件的電流進行控制以抑制電火花和電弧放電相結合。普通電子管調製器的一個方面是，該管陽極電流主要由控制柵(以及四極管和五極管的簾柵極)的電壓決定，陽極電壓只是其次。因此，在工件上發生電弧放電的情況下，電子管陽極電壓會急劇上升至與主陽極DC電源電壓相等，但同時控制柵電壓保持不變。同樣，陽極電流(也就是工作電流)在沒有電弧放電的情況下將會是幾乎相同的。所以，陽極電流可能會稍微上升，而且該稍微上升的電流就是電弧放電過程中工件的最大電流。這樣，該電子管產生自動限制負載電流的效果。可替換調製器設備可能在限制負載迴路中的電流上會有困難，因而可能需要一非常快速作用的防護裝置，可在工件表面發生電弧放電的情況下阻斷電流。可在真空腔內附加一電壓傳感器(未示出)，以探測坩堝或其他組件的電勢。
為增加金屬錠112中的組分的沉積，一種或多種補充組分可通過濺射共同沉積。該濺射成分可以是金屬錠中不存在組分，或者是金屬錠中含量不足在沉積材料中產生預期含量的組分。濺射的一般成分為包括難熔元素，例如Mo，Zr和/或Hf。圖10顯示了一濺射靶220。該普通目標220圍繞者流道522。該目標220可沿流道522置於陽極環150的下遊和閘板178的上遊。該目標的一般形狀為截頭圓錐形或截頭角錐形套管，該套管具有一沿流道面向下遊的內側表面222，和一面向上遊並遠離流道的外側或背側表面224。可替換目標可包括一沿流道面向下遊並朝向工件的斜板，杆或棒，導線環，或格柵。該目標的尺寸、形狀、定位和朝向的選擇，應可以有效攔截等離子體離子並可使濺射成分均勻地沉積在工件表面上。設備其他部分的結構和工件構造會影響目標的那些參數。同樣，工件和/目標在沉積過程中也可以改變位置和方向，以實現均勻沉積或其他期望的沉積分布。遮護板226定位於背側附近，以保護背側免受來自等離子體的離子衝擊。遮護板可控制對目標的不必要的供熱，這些供熱來自離子轟擊、坩堝內熔融金屬的輻射、和汽化成分的冷凝。通常遮護板的形狀為一截頭圓錐套筒或截頭角錐套筒，或一帶有開口的平面環。該遮護板可接地或連接到電極150上，以抑制離子轟擊和濺射。如果連接到電極150上，該遮護板可能會從放電等離子體中吸引電子，並使目標附近的離子集中加劇。該遮護板可由與目標材料相同的材料製成以使汙染最小化，或也可以由其他材料製成。目標220經由以電線/導線230連接至電源232上，以對該目標施加一偏壓。該濺射偏壓具有一特有的符號，可有效地將期望的離子由等離子體中吸引到目標上來(優先至下遊/內側表面222)。等離子體離子噴射(濺射)衝擊目標材料成分，主要是單個的目標原子。由於噴射稱分的彈道軌跡，有一些被噴射(濺射)材料會衝擊工件。在一個Mo目標和Ti基金屬錠的實例中，負濺射偏壓吸引Ti+離子撞擊目標並且主要轟擊出中性的Mo原子。該偏壓可具有一持續的DC或脈衝調製的波形。對於從根本上抑制目標表面上的電弧放電和目標材料熔滴的形成，脈衝調製的使用是有利的。這在沉積的開始階段將是尤其重要的，因為此時目標表面上的雜質可能正在激勵著電弧放電。該調製的濺射偏壓可以是一矩形波脈衝波形，其特徵在於脈衝重複頻率Fs(脈衝頻率)，脈寬τs，負載周期Ds，和峰值電壓Us。通常認為，負載周期大致為1的矩形脈衝波可特別高效地將離子能量用於目標材料濺射。也可使用其他偏壓波形(例如，正弦波)。
多種可替換濺射靶都是可行的。兩種組分構成的用於濺射的一種構造是一截頭角錐套筒，其中它的兩相對側的分別由上述兩種材料之一構成，兩端相互絕緣並分別連接至獨立的偏壓源。其它的包括沿流道面向下遊並朝向工件的板狀目標，杆陣列，導線環，或格柵。圖11示出了一替換系統部分，它包括兩目標220』和220」，其中，該兩目標可由不同的材料形成，並可分別施加不同的負偏壓Us1和Us2。目標220』和220」可以成形為呈一定角度面對工件106的平板形狀，或是截頭圓錐或截頭角錐的有角度部分。遮護板226』被成形為平板狀，並具有一中部開口，該中部開口用於使蒸汽/等離子體沿流道通522過到達工件106。其他組件可以與系統100類似或不同。在工作過程中，金屬錠112的離子化成分250轟擊工件和目標220』和220」。該目標轟擊由相應的目標產生被濺射的目標成分252』和252」，接著使之沉積在工件上。
整個沉積過程的一般參數和系統100的共同沉積的離子增強型電子束物理汽相沉積部分的參數，可以是申請10/734696中所公開的。在典型的共同沉積中，沉積材料可以是具有難熔成分的Ti基材料。典型材料是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-8Al-1V-1Mo，和/或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，其中幾乎所有的Mo都來自於目標，幾乎所有的其他成分都來自於金屬錠。沉積材料中的難熔成分濃度按重量計算一般為0-10％，或更精確地，0.5-8％。共同沉積組分的濃度取決於達到工件表面的蒸汽成分流(例如，來自坩堝的)與濺射成分流(例如，來自目標的)之比。濺射成分流取決與目標材料濺射係數(或轟擊目標的離子流的能量)和目標離子流(或目標附近的自立濃度)。因此，通過調整目標的濺射偏壓，可以改變已沉積的濺射組分沿沉積厚度/深度方向上的濃度。可選的Ti基合金的沉積可包括一Zr目標的濺射。同樣，可使用同樣的方法處理非Ti基材料的沉積。例如，特別是，這包括Ni基和Co基或其他超合金的沉積，並同時濺射Hf、Ta、W和/或Re(這需要更高的汽化溫度)。
常用工藝參數可根據基層材料、沉積材料、基層幾何形狀和裝置性能加以改變。例如沉積Ti-8Al-1V時，工作溫度可以是600-700℃，更精確地，620-650℃。偏壓Ub可為1-3kV，脈衝頻率Fb可為0.05-150kHz，更精確地，0.5-5kHz(例如，1kHz左右)。負載周期Db在沉積開始階段可為0.5-0.99，更精確地，0.8-0.95(例如，0.9左右)，之後逐漸減小至一個相對較低的值(例如，小於初始值的一半或在0.1左右)，然後再次回增至初始值。沿沉積表面部分108的電流密度jb可以是2-10mA/cm2。此處的功率通量可以為2-30W/cm2。濺射偏壓目標電壓可以是2-5kV。脈衝頻率Fs可以是0.05-150kHz，更精確地，0.5-5kHz(例如，1kHz左右)。負載周期Ds在沉積開始階段可為0.5-0.99，更精確地，0.8-0.95。腔內壓力可以小於0.01Pa。沉積速率可為5-30μm/min，更精確地，15-20μm/min。電離發電電流可以為50-300A。
上面描述了本發明的一個或多個實施例。然而，在不背離本發明思想和範圍的情況下，可做各種修改變化。例如，儘管對於扇葉特別有用，本方法也可用於其他葉片和其他渦輪機部件以及非渦輪部件。渦輪機零件或其他部件的具體特徵以及其所受到磨損或損傷的具體狀況將會對所有給定的修複方法產生影響。該方法和裝置可以用於各種非修復的用途。同樣，其它實施例也在所附權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種用於將沉積材料沉積在零件上的方法，包括將零件置於沉積腔中；在零件上施加第一電勢；將用於形成沉積材料的一種或多種第一組分汽化；電離該汽化後的第一組分，第一電勢將電離後的第一組分吸引到零件上來；以及濺射用於形成沉積材料的一種或多種第二組分，該濺射的第二組分與電離的第一組分同時沉積。
2.如權利要求1所述的方法，其中該濺射包括在濺射靶施加一濺射電壓。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於濺射靶圍繞著由第一組分至零件的離子流道。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於該一種或多種第二組分包含一種或多種難熔元素。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於該一種或多種第二組分主要包含Mo。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於該沉積材料主要由Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-8Al-1V-1Mo、或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo之中的至少一種組成。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於該零件在損傷處損失了第一材料，並且沉積材料被沉積在該損傷處以修復該零件。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於沉積材料與零件的基層具有一第一界面，沉積材料與基層的結合強度超過50ksi。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於該零件和沉積材料含有Ti合金、或鎳基或鈷基超合金的或類似公稱成分；結合強度在100ksi和200ksi之間；沉積材料的深度至少2.0mm；基層具有超過沉積材料深度的厚度；並且基層包括原有的未修補的材料。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於該零件是Ti合金渦輪零件並且該沉積材料是Ti基的。
11.一種在工件上沉積材料的裝置，包括一沉積腔；用於由一種或多種第一沉積材料組分形成等離子體的裝置；用於向工件施加調製偏電勢，以從等離子體中將離子吸引到工件上的裝置；用於濺射上述一種或多種第二沉積材料組分的裝置；和連接上述成形裝置、施加裝置和濺射裝置的控制系統，並設定該系統，使之為第一和第二沉積材料組分向工件的共同沉積提供了反饋循環控制。
12.如權利要求11所述的裝置，還包括用於監控等離子體密度以及流向工件的離子流的裝置。
13.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於用於濺射的裝置包括一用於提供所述一種或多種第二沉積材料組分中第一部分的第一濺射靶；和一用於提供所述一種或多種第二沉積材料組分中第二部分的第二濺射靶；並且控制系統被設定為可獨立控制施加在第一和第二濺射靶上的第一和第二濺射偏壓。
14.用於將沉積材料沉積在工件上的裝置，包括一沉積腔；一位於沉積腔內並承受一第一非零偏壓的工件；一所述沉積材料的一種或多種第一組分的第一源，加熱該源以汽化第一組分；和一位於沉積腔內的具有痕跡材料的一種或多種第二組分的第一濺射靶，該目標承受第二偏壓。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於該一種或多種第一組分包含Ti、Al、和V；並且該一種或多種第二組分主要由Mo組成。
16.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於第一偏壓與第二偏壓是不同的。
17.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於第一和第二偏壓是脈衝調製電壓，它們至少在量級和負載周期兩者之一上是不同的。
18.如權利要求14所述的裝置，還包括一第二濺射靶，它與第一濺射靶的成分不同，並承受與第二偏壓是不同的第三非零偏壓。
19.一種用於將由一種或多種第一組分和一種或多種第二組分構成的沉積材料共同沉積的方法，該方法包括所述一種或多種第一組分採用離子增強型電子束物理汽相沉積工藝；並且所述一種或多種第二組分採用濺射方式。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於所述一種或多種第一組分來自一單獨的金屬錠；並且所述一種或多種第二組分至少具有兩種組分，這兩種組分來自成分不同的至少兩個不同的濺射靶。
全文摘要
為離子增強型物理汽相沉積增加濺射以沉積多組分材料。該工藝可用於沉積鍍層和在Ti合金渦輪零件上沉積修復材料。該物理汽相沉積可以是離子增強型電子束物理汽相沉積。
文檔編號C23C14/32GK1670253SQ200510068530
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月19日 優先權日2004年3月19日
發明者I·V·貝羅索夫, A·I·庫茲米切夫, V·比伯, R·L·梅門 申請人:聯合工藝公司