使用冷噴塗鋁材料進行結構修補的製作方法
2023-09-23 00:03:55 1
專利名稱：使用冷噴塗鋁材料進行結構修補的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種方法，其使用冷噴塗粉末含鋁材料來修理部件，如渦輪發動機部件。
背景技術：
目前的修理方法通過各種技術，如等離子噴塗，高真空泵和環氧樹脂粘接，對鋁和鎂材料結構進行尺寸修復。但是，施加到影響區的這些修理不能向結構提供益處。因此，儘管部件尺寸得到恢復，當下面的結構損害到其最小尺寸時，不能使用這些現有的修理方法，因為修理的部件不具有要求的強度。熔化焊接工藝能夠實現結構修理，但經常導致難以接受的變形。此外，熔化焊接和類似工藝產生較高溫度，可對基體材料的性能產生負面影響。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種恢復尺寸的修理部件的方法。
本發明的另一目的是提供一種與上面類似的方法，使得一些結構具有修理所承諾的性能，不會出現不可接受的變形，或對下面材料的性能形成負面影響。
通過本發明的方法實現了前面的目的。
根據本發明，修理部件的方法廣義包括步驟提供具有待修理缺陷的部件；和沉積含鋁修理材料到部件表面的影響區，使得修理材料與影響區碰撞塑性變形並無熔化地粘接到影響區，從而以固態覆蓋所述影響區。
根據本發明的使用冷噴塗鋁材料的結構修理方法的其他細節，及其他目的和優點通過下面詳細介紹和附圖進行了公開，附圖中相同的標記表示相同的元件。
圖1顯示了使用本發明的方法修理部件的系統。
具體實施例方式
本發明涉及使用粉末含鋁修理材料修理元件或部件，如渦輪發動機的元件和部件。
在過去的數年中，已經開發出稱作冷氣體動態噴塗的技術(冷噴塗)。這種技術的優點在於可提供足夠的能量加速顆粒到足夠高的速度，當進行初始塗復發生碰撞時，顆粒塑性變形並粘接到所沉積的元件表面，形成相對密實的塗層或結構沉積。當進行後面的塗復時，顆粒粘接到前面沉積的塗層。冷噴塗不會出現固態冶金轉移顆粒。冷噴塗工藝已經發現最適合塑性材料形成部件的修理。冷噴塗工藝可用於修理渦輪發動機的鋁或鎂基材料製成的部件，如風扇出口內殼體或齒輪箱。
當修理渦輪發動機部件時，腐蝕凹點和/或損壞區通過打磨。機械加工或其他可應用的技術清除，得到的表面可以進行或不進行噴砂，然後採用冷噴塗方法沉積修理材料，如含鋁材料。根據本發明的適合於修理的含鋁材料包括但不限於純鋁、鋁合金6061，鋁合金2219，Al-12Si合金，Al-Sc合金，和鋁合金6061/B4C。在本發明的優選實施例中，含鋁材料包括鋁重量比超過50％的材料。
現在參考附圖，其中顯示了對元件或部件的影響區24進行修理的系統。系統包括噴槍22，其具有會聚/發散噴嘴20，修理材料通過噴嘴噴射到待修理的部件或元件10表面25的影響區。在修理材料沉積的過程中，部件或元件10可保持靜止，或通過現有技術已有的適當方式(未顯示)進行鉸接轉動或移動。或者，噴嘴20保持靜止或鉸接轉動或移動。在某些情況下，部件和噴嘴都可以操縱。
在本發明的方法中，輸送的修理材料是粉末含鋁材料。粉末含鋁材料可以是-325目，顆粒尺寸在5微米到50微米的範圍。前面提到的較小顆粒尺寸能夠實現較高的顆粒速度。顆粒直徑在5微米以下，由於表面25和/或影響區24上面存在的弓形激波層，顆粒容易從表面25和/或影響區24掃過。這是由於質量不夠，難以推動顆粒通過弓形激波。顆粒尺寸分布越窄，顆粒速度將越均勻。這是因為，如果同時具有較大和較小顆粒(雙模式)，較小顆粒將碰撞移動慢的較大顆粒，可明顯地減低兩者的速度。
含鋁修理材料的細小顆粒可使用壓縮氣體，如氦，氮或其他惰性氣體，及其混合體，加速到超音速。氦是優選氣體，因為其較低的分子重量，可產生最高的速度。
本發明的方法使用的將粉末含鋁修理材料轉換成沉積物的粘結機制是嚴格的固體狀態，這意味著顆粒塑性變形。在非常高壓力下，任何在顆粒和/或元件表面形成的氧化層被破壞，形成新鮮的金屬對金屬的接觸。
用於形成沉積的粉末含鋁修理材料可通過任何現有技術已有的機構，如改進的熱噴塗進料器，輸送到噴槍22。還可以使用輪轉速為1到5rpm的Praxair粉末進料器。
在本發明的方法中，進料器可對氣體進行加壓，氣體從氦、氮或其他惰性氣體，以及其混合物中選擇。例如進料器可使用氦氣，加壓到200psi到400psi範圍的壓力，最好是在300到350psi的範圍。主氣體最好加熱，使得氣體溫度處於250到550攝氏度的範圍，最好在350到450攝氏度的範圍。對氣體加熱是為了避免氣膨脹通過噴嘴20喉部時快速冷卻和冷凍。在沉積期間進行修理的部件表面溫度為大約115華氏度。現有技術已有的適當裝置可用來加熱氣體。
為了沉積含鋁修理材料，噴嘴20可不止一次地通過進行修理的部件10的影響區24。要求的通過數是施加的修理材料厚度的函數。本發明的方法能夠形成具有希望厚度的沉積。如果希望形成較厚的層，噴槍22可保持靜止，在影響區24上形成較厚沉積。當形成含鋁修理材料的沉積層時，希望限制每次通過得到的厚度，以避免快速形成殘餘應力和不希望出現的沉積層之間的剝離。
在影響區24上沉積修理材料顆粒的主氣體可以經入口30以0.001到50標準立方英尺/分鐘的流量，最好是15到35標準立方英尺/分鐘的流量，通過噴嘴20。氦用作主氣體時優選使用上述流量。
噴槍22的壓力可處於200到400psi的範圍，最好是在300到350psi的範圍。粉末含鋁修理材料最好通過漏鬥輸送，在高於特定的主氣體壓力10到50psi的壓力範圍下輸送，最好高於噴槍22的壓力15psi，經過管線34輸送流量在10克/分鐘到100克/分鐘的範圍，最好處於15克/分鐘到50克/分鐘。
粉末含鋁修理材料最好使用無氧化的載體氣體輸送到噴槍22。載體氣體可通過入口30以0.001到50標準立方英尺/分鐘的流量引入，流量最好是8到15標準立方英尺/分鐘。如果氦氣用作載體氣體，前面介紹的流量是很適用的。
噴嘴20保持在距影響區24的一定距離處。該距離稱為噴塗距離。噴塗距離最好是在10毫米到50毫米的範圍。
粉末修理材料顆粒離開噴嘴20的速度可在825米/秒到1400米/秒的範圍。最好是在850到1200米/秒的範圍。
噴嘴每次通過的沉積厚度可在0.001英寸到0.030英寸的範圍。
適合於本發明的方法的含鋁修理材料，如鋁合金6061，可噴塗到部件或元件10的影響區，厚度超過原始壁厚。含鋁材料沉積後，部件或元件10可進行熱處理，恢復冷噴塗含鋁修理材料的塑性。熱處理可在規定溫度下進行，以實現部件或元件10希望的塑性。例如，熱處理可以是帶有冷噴塗含鋁材料沉積的部件或元件在空氣爐中加熱到500華氏度，保持時間1到2個小時。當使用某些含鋁修理材料時，無需進行熱處理。當使用其他的含鋁修理材料時，熱處理的溫度可從100華氏度變化到超過500華氏度，保持時間在1小時到24小時的範圍。當要求進行熱處理時，可整體施加到整個部件，或局部施加到修理區。
完成熱處理後，帶有沉積修理材料的部件或元件10可用機械方式平整影響區24的區域，修理區可具有宣稱的結構信任度。文中使用的結構信任度是指冷噴塗鋁合金修理材料具有的基體材料強度的比例，修理材厚度被認為是部分測量壁厚。沒有必要使冷噴塗含鋁修理材料的沉積具有母材強度。只要結構信任度足夠，使得效壁厚超過要求的最小值。如果有效壁厚超過要求的最小值，部件或元件10就得到修復。如本文所用的，術語「有效壁厚」意味著，如果認為噴塗沉積物具有形成部件或元件10的基體金屬的強度的75％，修理厚度的信任度為75％。因此，如果部件或元件10目前的壁厚是0.100英寸，施加了0.050英寸的沉積，使整體厚度為0.150英寸，則修理的有效壁厚是0.1375英寸，因為修理材料的強度為部件或元件的基體材料強度的75％。
與其他金屬化工藝相比，冷噴塗具有許多優點。由於修理材料使用的含鋁粉末無需加熱到高溫，使得材料氧化、分解或其他損壞不會發生。沉積期間的粉末氧化也得到控制，因為顆粒包容在無氧氣的加速氣流中。冷噴塗氦保持了輸送物料的微結構。還有，因為輸送的材料未熔化，冷噴塗向沉積材料提供了傳統噴塗方式不能提供的性能，傳統方式噴塗在冷卻或後續熱處理期間形成易碎的中間合金或具有開裂傾向。
冷噴塗，因為是固態加工過程，不會厲害地加熱部件。其結果是，減少了變形。控制部件溫度還使得能夠保持某些基體材料性能，得到這些性能是通過前面的熱處理。冷噴塗形成了壓縮表面殘餘應力，其可提高對疲勞或脆性開裂的抗力，導致更牢固的維修。
儘管已經通過冷噴塗工藝對本發明進行了介紹，其他工藝也可用來實施這樣的修理。這些工藝要能提供足夠的能量來加速顆粒到足夠高的速度，碰撞時，使顆粒塑性變形並粘接到表面，形成相對緻密的塗層或結構沉積層。這些工藝不會出現固態冶金轉移顆粒的情況。這些工藝包括但不限於，動能金屬化，電磁顆粒加速，改進的高速空氣燃料噴塗，和高速衝擊熔化。
在噴塗6061鋁合金到6061鋁合金基體時已經實現超過10千磅/平方英寸的沉積粘接強度。製備樣品使用了壓力為300psi的氦載體氣體，加熱到400攝氏度。噴嘴在樣品上橫移，每秒移動125毫米。粉末輸送量為每次通過可大約沉積0.010英寸的沉積層。噴嘴總共在樣品上通過六次，形成0.060到0.070英寸的最終沉積厚度。
權利要求
1.一種修理部件的方法，包括步驟提供具有待修理的缺陷的部件；和沉積含鋁修理材料到所述部件表面的影響區，使得所述修理材料與所述影響區碰撞時塑性變形並無熔化地粘接到所述影響區，從而覆蓋所述影響區。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積步驟包括沉積從純鋁和合金鋁中選出的材料到所述影響區。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積步驟包括沉積鋁合金修理材料。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積步驟包括提供所述粉末狀含鋁修理材料，粉末顆粒尺寸在5微米到50微米的範圍，並加速所述粉末顆粒到825米/秒到1400米/秒的範圍。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述加速步驟包括加速所述粉末顆粒於850米/秒到1200米/秒的速度範圍。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使用載體氣體輸送所述含鋁粉末到噴嘴，壓力範圍為200psi到400psi，輸送量為10克/分鐘到100克/分鐘。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述輸送步驟包括以15克/分鐘到50克/分鐘的輸送量輸送所述含鋁粉末到所述噴嘴。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述載體氣體包括氦，所述輸送步驟包括以0.001到50標準立方英尺/分鐘的流量輸送所述氦到所述噴嘴。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述輸送步驟包括以8到15標準立方英尺/分鐘的流量輸送氦到所述噴嘴。
10.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述沉積步驟還包括使用主氣體，溫度範圍在250到550攝氏度，使所述含鋁粉末顆粒通過所述噴嘴。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述通過步驟還包括在350到450攝氏度的主氣體溫度範圍使所述含鋁粉末顆粒通過所述噴嘴。
12.根據權利要求10所述的光源，其特徵在於，所述主氣體包括氦，所述通過步驟包括以0.001到50標準立方英尺/分鐘的流量輸送所述氦到所述噴嘴。
13.根據權利要求12所述方法，其特徵在於，所述輸送氦步驟包括以5到35標準立方英尺/分鐘的流量輸送所述氦。
14.根據權利要求6所述方法，其特徵在於，所述方法還包括保持所述噴嘴距所述影響區的距離為10到50毫米。
15.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述方法還包括機械清除所述部件上影響區中至少一個腐蝕凹點和損壞區，然後進行所述沉積步驟，在進行所述沉積步驟之前還要對所述部件的影響區噴砂。
16.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述方法還包括在一定溫度對帶有沉積含鋁修理材料的所述部件進行熱處理，保持足夠時間，使沉積的含有鋁的修理材料恢復塑性。
17.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述部件具有原始厚度，所述含鋁修理材料沉積到所述影響區，使得所述修理部件的影響區的厚度超過所述原始厚度。
全文摘要
一種修理部件的方法，包括步驟提供具有待修理的缺陷的部件，沉積含鋁修理材料到部件表面的影響區，修理材料通過與影響區衝撞塑性變形並粘接到影響區，從而覆蓋影響區。
文檔編號B05B7/14GK1800447SQ200510134019
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月20日 優先權日2004年12月21日
發明者A·德比卡裡, J·D·海恩斯, D·A·魯茨 申請人:聯合工藝公司