矽化鈮基渦輪部件及有關的雷射沉積方法

2023-05-04 22:57:11

專利名稱：矽化鈮基渦輪部件及有關的雷射沉積方法
技術領域：
本發明總的涉及用於高溫用途的金屬和金屬合金。更具體地說，本發明涉及用於各種渦輪發動機部件的矽化鈮成分。
背景技術：
用於高溫用途的設備可以用各種高性能合金製造。選擇特定的合金，與對部件的其它規定要求一起，大部分取決於該部件的投射的溫度曝光。它們包括強度，蠕變阻力，耐磨性、抗氧化能力，抗環境能力，重量要求等。燃氣輪機發動機是許多合金性能如何需要通過單獨一件(雖然複雜的)設備來平衡的一個良好例子。在一典型的燃氣輪機發動機中，空氣在壓縮機中受壓縮並與燃料混合且在燃燒器中點燃而產生熱的燃燒氣體。這些氣體向下遊流動而通過一個有一級或多級的高壓渦輪機(HPT)，這些級包括一個渦輪噴嘴和多個轉子葉片。然後氣體流向一個低壓渦輪機(LPT)，它通常包括具有各自的渦輪噴嘴和轉子葉片的多個級。該渦輪的「熱」區段中的金屬溫度在操作時可以高到約1150℃。
雖然鎳基超級合金常常是選擇用於該渦輪機的高溫區段的材料，但對能承受甚至更高的操作溫度的先進材料仍有極大興趣。相當新穎的合金為難熔金屬的金屬間複合材料(RMIC)。這些中的許多基於鈮(Nb)和矽(Si)，它們在下面提到的許多專利中得到描述。
RMIC複合材料通常有一多相微觀結構。例如，該微觀結構可以包括一個金屬鈮基相和一個或多個金屬間的金屬矽化物相。如美國專利No.5,833,773(授與Bewlay等人)中描述的，該金屬矽化物相有時包括一種M3Si矽化物和一種M5Si3矽化物，其中M是Nb、Ti(鈦)或Hf(鉿)。這些材料被認為是結合了高強度、低韌度矽化物與較低強度、較高韌度的Nb基金屬相的複合材料。它們常常具有高達約1700℃的熔點溫度，並具有與許多鎳合金相比相當低的密度。這些特性使此類材料對於其中溫度超過鎳基超級合金當前使用限度的用途的潛在應用非常有希望。
上述用於燃氣輪機發動機的渦輪葉片代表一個它多麼難於在一單獨物件中平衡各種合金性能的良好例子。葉片的各部分如翼片常常要求程度相當高的強度和「蠕變」阻力。但是，調整該成分來滿足這些要求有時只有犧牲其它性能來達到。例如，合金的抗氧化能力可能減小，這對於葉片的其它部分如葉片頂端可能產生問題。
渦輪葉片(以及其它類型的高溫設備)可以用各種技術如鍛造、熔模鑄造法和機加工來製造。但是，這些工藝可能又複雜又費錢。例如，獲得精確規定的葉片形狀可能要求許多最終要求費時的機加工步驟的單個步驟來提供最後的幾何形狀構型。
而且，為了在一給定的渦輪級中將葉片附接在一轉子或盤上，葉片的底座通常必須形成一個燕尾或「樅樹」形。這一過程通常在一鑄造或鍛造步驟期間進行，隨後進行機加工。獲得合適的燕尾幾何形狀也需複雜的努力，還常常要求大量的費時的後機加工操作。
其次，大多數渦輪葉片通常包括空心的內部冷卻區，它們連通一部分從壓縮機來的空氣。典型的空心區常包括蛇形通道。形成這些區也要求複雜的步驟。例如，在鑄造或定向固化工藝期間通常利用帶有非常特殊的性能的陶瓷芯來形成空心通道。這些芯必須有足夠的強度來在初始鑄造或固化期間保持完整原樣。它們在形成所要的部件後即當周圍金屬冷縮時也必須「可破碎」和可浸出。在用傳統技術有效地製造葉片和其它部件時，對合適的芯的成分尋找配方是又一種挑戰(特別當鑄造新型的合金時)。
有了這些考慮，顯然在該技術中至少要有兩個領域的新發展。第一，具有在該部件的不同區段中變化的特定性能的RMIC基的渦輪部件(以及其它高溫部件)將有相當大的價值。第二，用於製造此類部件的能減少或消除傳統鑄造工藝中所需的某些步驟的方法在該技術中也引起相當大的興趣。
發明簡述本發明的一個實施例指向一種用一矽化鈮基的成分製成的渦輪部件。該渦輪部件其結構的至少一部分其成分是逐漸變化的。
另一實施例涉及一種用矽化鈮合金製成的渦輪葉片。該葉片包括(a)一個翼面；(b)一個位於該翼面的一外端處的翼面頂端區域；(c)一個其上安裝該翼面的平臺；以及(d)一個附接到該平臺的下側上的燕尾根部，其形狀適合於裝入渦輪機轉子上的一個槽中，使得該葉片能附接在該轉子上。
至少一部分渦輪葉片中的矽化鈮合金的成分不同於另一部分葉片中的矽化鈮合金的成分。
本發明的另一實施例指向一種用於製造矽化鈮基渦輪部件的工藝。該部件有預先選定的形狀，其特徵是有多個平行的橫向區段，每個橫向區段有一預先選定的圖形和厚度。該工藝包括以下步驟(i)用一雷射束熔融一種矽化鈮材料，並沉積該熔融材料而形成該物件的第一橫向區段的圖形中的第一層，該第一沉積層的厚度對應於第一橫向區段的厚度；(ii)用一雷射束熔融一種矽化銀材料，並沉積該熔融材料而形成該物件的第二橫向區段的圖形中的第二層，該第二層至少部分地疊合在沉積材料的第一層上，第二沉積層的厚度對應於第二橫向區段的厚度；以及然後(iii)用一雷射束熔融一種矽化鈮材料，並沉積該熔融材料而形成該物件的相應的橫向區段的圖形中的相繼的層，這些相繼的橫向區段中的至少一個區段部分地疊合處於下面的橫向區段，其中該熔融的材料被沉積而形成相繼的各層，直到完成該物件。
一種修理一個用包含矽化鈮的材料製成的渦輪部件的方法構成本發明的另一實施例。該方法包括使用雷射包層工藝利用至少一種含矽化鈮的替換材料來替換或改變該部件的一個受損區段的步驟。
從下列本發明的詳細描述將清楚本發明的其它特點和優點。
附圖簡述

圖1是一個渦輪發動機葉片的透視圖，包括翼面、平臺和燕尾根部。
圖2是沿圖1的線2-2截取的渦輪發動機的放大截面圖。
圖3是一種雷射包層工藝的示意圖。
圖4是一種雷射包層設備的詳細示意圖。
圖5是在雷射包層設備中輸送粉末用的多重饋送噴嘴系統的例示圖。
發明詳述圖1是一種示範的燃氣輪機轉子葉片10的透視圖。這種類型的渦輪葉片在該技術中是熟知的。不起限制作用的例子包括在美國專利No.5,458,461(授與C.P.Lee等人)和No.5,690,472(授與C.P.Lee)中描述的各種葉片設計，它們均參考合併於此。通常，多個此種葉片附接在一個環形的轉子盤上(未示出)。葉片10包括一個翼面12，分別具有壓力側14和負壓側16與前緣18和後緣20。該翼面的側壁21和23限定壓力側14和負壓側16。這兩個側壁在一個具有該翼面的垂直維度的平面中大體上互相對置。
圖1中該翼面的下部終端為底座22。底座22包括一個平臺24，翼面可以以直立位置牢固地安裝在平臺24上，也即基本上垂直於平臺的頂面25。該底座還包括一個燕尾根部26，根部26附接在平臺的下側上。該燕尾根部設計成將葉片10附接在轉子上。如下面進一步描述的，該燕尾根部、平臺和翼面可以鑄造(通常成一件)，或者可以分開製成，然後用機械方法或冶金方法結合在一起。或者是，它們可以在一雷射沉積工藝中製成，也如本說明書的其餘部分中所描述的。
如圖1中所示，垂直維度「S」代表從平臺24的頂面延伸到翼面頂端31的最上部的翼面「高度」或跨度。如該技術的專業人員理解的，該翼面頂端可以製成各種形狀。在該例子中，頂端31終止於端帽32。該端帽閉合側壁21和23的外端部。(在其它設計中，該頂端實際上可用一屏板覆蓋)。橫向維度「C」代表該翼面的弦。該弦維度大體上垂直於該跨度維度，並從前緣18的極端點延伸到後緣20的極端點。
如該技術中熟知的，圖1中所示的渦輪葉片通常包含在側壁21和23之間的寬闊的空心區域。該空心區域主要用於允許冷卻空氣通過該葉片。如圖中所示，側壁、前緣、後緣和端帽包括許多小冷卻孔34。這些孔允許冷卻空氣從葉片翼面12的內部通過和流出。該冷卻空氣通常流入和向上通過底座22到該翼面。如下面進一步提到的，該翼面的內部可以包括用於冷卻空氣的大範圍的複雜通道。這些通道按照計算的速度圖形和幾何形狀允許空氣能流出這些孔，由此在操作期間對葉片的外部提供臨界的冷卻。
如前所述，本發明的葉片和其它渦輪部件是用一種矽化鈮基的成分來製成的。通常，這些成分包括鈮(Nb)、矽(Si)和至少一種選自鈦(Ti)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、鋁(Al)的元素。這些成分通常具有一種包括金屬鈮基相和金屬矽化物相兩者的微觀結構。對於本發明，考慮形成渦輪機部件的材料的至少約75％(重量)將包括一種矽化鈮成分的某種形式。如此處使用的，術語「矽化鈮基的」指這種成分參數，有時候為了簡潔起見稱為「矽化鈮材料」。
用於本發明的渦輪葉片可以在不同位置如翼面、翼面頂端區域(下面討論)、平臺和燕尾根部中包含不同的矽化鈮成分。對一給定位置的特定的矽化鈮成分將取決於許多因素，它們包括對該葉片區段規劃的溫度曝光，以及對下列性能的特定要求強度，延伸性，韌性，蠕變阻力(「蠕變強度」)，抗氧化能力，抗腐蝕能力，疲勞性能，環境阻力，重量要求等。特定成分的選擇取決於在標準運行狀態下對一部分成分所希望的特定性能。如此處使用的，術語「標準運行狀態」指用於一部件的典型條件，如溫度範圍、溫度周期、腐蝕狀況、拉伸負荷、熱誘生應力、離心應力和該技術專業人員熟知的各種其它條件。
美國專利No.6,409,848(授與Bewley等人)和No.6,419,765(授與Jackson等人)中有適用於翼面12的成分的例子，它們參考合併於此。這樣一種成分的一個不起限制作用的例子包括約14(原子)％～約26(原子)％鈦；約1(原子)％～約(4原子)％鉿；約6(原子)％以下的鉭；約12(原子)％～約22(原子)％矽；約5(原子)％以下的鍺；約4(原子)％以下的硼；約7(原子)％～約14(原子)％鉻；約3(原子)％以下的鐵；約2(原子)％以下的鋁；約1(原子)％～約3(原子)％錫；約2(原子)％以下的鎢；約2(原子)％以下的鉬；以及餘量的鎢。在一些情況下，鈮和鉭的原子百分率之和對鈦和鉿的原子百分率之和的比值為約1.4～約2.2。而且，在一些優選實施例中，在標準運行狀態下，翼面中的矽化鈮合金呈現出比翼面頂端區的矽化鈮合金大的蠕變阻力。
在特定位置中利用特定的矽化鈮成分的優點的一個示例涉及渦輪翼面的翼面頂端區。通常，「頂端區」是靠近翼面頂端31的翼面部分。如此處使用的，該頂端區可以更明確地定義為從頂端邊緣35向下(沿跨度「S」)延伸到弦的維度「C」的約50％～約75％的一個點的區域。
渦輪葉片的頂端區常常遇到更大的磨損。例如，當該頂端摩擦渦輪葉片在其中轉動的外殼的屏板時，它可能磨損。因此，在某些實施例中，與葉片其它部件中使用的矽化鈮成分相比，非常希望該頂端區的矽化鈮成分呈現更大的耐磨性。因此該成分可以包括增強耐磨性的合金組份，如碳化鈦或碳化鎢。鈷基合金對耐磨性也有用。不起限制作用的例子包括含鈷和含鉻、鎢、鎳、鐵、鉬中至少一種以及矽的合金。這些中的一些稱為斯特萊特硬質合金(StelliteTMalloy)或TribaloyTM合金。
在其它實施例中，希望該頂端區包含有增強的抗氧化能力的矽化鈮材料。這一類材料的許多成分在該技術中是已知的。美國專利No.5,942,055(授與Jackon等人)和No.5,932,033(授與Jackson等人)中提供了不起限制作用的例子，它們參考合併於此。這些抗氧化的成分常包含顯著含量的矽改性的拉夫斯相，即一個大於在形成渦輪翼面其餘部分的矽化鈮成分中的量的量。一種合適成分的一個特定例子是含有矽化物金屬間相、鈮基金屬相和矽改性Cr2M拉夫斯相的矽基複合材料，其中M至少是鈮。在原子百分率中，該成分含約12～約25％鈦；約6～約12％鉿；約15～約25％鉻；約1～約8％鋁；以及約12～約20％矽，餘量為鈮。鈮基金屬相的作用是部分地增強總成分的韌性，而拉夫斯相對於增強高溫下的抗氧化能力很重要。
該頂端區的抗氧化成分的另一特定例子是一種矽化物基的複合材料，也包含上述三相。在該例子中，該矽化物金屬間相通常包括M5Si3或M3Si，其中M是Nb+Ti+Hf。這一類型的成分最好包含大於約25(體積)％的鈮基金屬相。一種特定的成分包括(原子百分率)約30～約44％鈮，約17～約23％鈦，約6～約9％鉿，約11～約20％鉻，約2～約13％鋁，以及約13～約18％矽。
雖然翼面和翼面頂端區常包含互相明顯不同的矽化鈮成分，但這些成分常常逐漸變化。成分逐漸變化在渦輪葉片的不同區之間形成一種較平滑的過渡。如此處使用的，「逐漸變化」表示該成分中一種或多種組份的量沿渦輪物件的一個維度的任何順序的或接連的變化。這種每單位維度的變化程度可以廣泛地變化。而且，該逐漸變化不需要在整個維度上發生，而相反地可以發生在一個非常特定的區域中，例如一個在渦輪葉片的兩個相鄰的區域之間的界面。(如下面進一步描述的，這種逐漸變化可以沿多個方向發生，例如沿翼面的跨度方向或弦方向的維度，或通過翼面壁的厚度)。該逐漸變化也可在一給定的渦輪物件中的多個獨立位置中。
參照圖1，圖示一個翼面12和翼面頂端區31之間的界面區「I」。該界面區沿翼面跨度(「S」)的長度可以相當大地變化，部分取決於前述因素，如溫度暴露和性能要求。通常，該界面的長度約為跨度長度的約1％～約25％。
因此，在逐漸變化中，矽化鈮成分、促進抗氧化能力或抗磨性的組份量能沿從翼面12的主要部分向翼面頂端區31的方向通過界面「I」逐漸增大。例如，該界面中矽改性的拉夫斯相的量，作為總矽化鈮基成分的比例，可以增大。作為一種不起限制作用的例示，界面「I」中矽改性的拉夫斯相的體積百分率，作為總矽化鈮基成分的一部分，可以沿一向著翼面頂端區的方向通過界面的維度而以預先選定的增量增加。雖然成分的逐漸變化可以向上也即向著頂端的實際上終點繼續，但該頂端區通常並不逐漸變化，而是用一相當均勻的成分製成。同樣，雖然成分的逐漸變化可以繼續向下，也即沿整個跨度，但翼面的大部分通常包括一種相當均勻的矽化鈮成分。
對於在渦輪葉片的不同位置中使用不同的矽化鈮成分可以提供其它例示。作為一個參照圖1的例子，平臺24和燕尾根部26在使用期間通常不對撞擊翼面12和頂端31的高溫氣體暴露。因此，使用呈現高值抗氧化能力和/或高溫強度的矽化鈮成分可能對葉片的這些區段不是嚴格的。相反，平臺和燕尾根部可能從在中間溫度如約500℃～約1000℃的操作溫度下提供增強的機械性能的矽化鈮成分中得益。如上下文中使用的，「機械性能」包括韌性(如斷裂韌性)、延展性、蠕變阻力和中間溫度強度。
和種矽化鈮成分可以給平臺和燕尾根部提供增強的機械性能。它們中的一些描述於共同待審的專利說明書S.N.11/029,666(授與B.Bewley等人)中，該專利於2004年12月31日申請而已轉讓於本申請的受讓人，並參考合併於此。對於這些材料，基於該成分的總原子百分率，存在的矽量小於約9(原子)％。這些成分通常包括一個金屬Nb基相和化學式M3Si或M5Si3的至少一個金屬矽化物相，其中M是選自Nb、Hf、Ti、Mo、Ta、W、一種鉑族金屬中的至少一個元素及其結合。
這樣一種適合於燕尾根部和平臺的成分的一個不起限制作用的特定例子包括鈮和約5～約45(原子)％的鈦；約1～約20(原子)％的鉿；約1～約25(原子)％的鉻；約1～約20(原子)％的鋁；以及約0.5～約8.5(原子)％的矽。
這些「低矽」成分經常包括高達約20(原子)％的錸，基於總原子百分率。也可以被包括的其它鉑族金屬的例子為鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)和鈀(Pd)。在一些實施例中，這些成分可以包括早先提到的其它元素如鎢(W)、鉭(Ta)和鉬(Mo)。也可以與各種其它元素如硼(B)、碳(C)、鍺(Ge)、鋯(Zr)、釩(V)、錫(Sn)、氮(N)、鐵(Fe)和銦(In)。這些元素的示範值提供於Bewlay等人的參考專利說明書S.N.11/029,666中。
可以進一步調整特定組份的值，以適應特定的最終用途條件。例如，在其中對平臺的強度要求特別高的一些實施例中，該矽化鈮成分中鉿的優選值為約5～約10(原子)％。而且，矽的值可以高於「低矽」成分中的，例如高達約20(原子)％。作為另一例子，有時要求在較低溫度條件下渦輪葉片的燕尾根部區段中的增強的抗氧化能力(例如在約1100～1400(593℃～760℃)的溫度範圍內)。在這樣一種狀況下，鉻的值最好為至少約5(原子)％。替代的，或在該規定的鉻值之外，該成分還可以包含約1～3(原子)％錫。如下面繼續描述的，該雷射包層工藝特別適合於在製造渦輪部件期間調整這些組份的特定值。
該技術的專業人員將能夠根據前述因素來對一種給定的平臺和燕尾根部確定最合適的元素結合。例如，在矽化鈮成分中包括W、Ta或Mo中的一種或多種可以有助於增加金屬相的拉伸強度與金屬相和中間相兩者的蠕變強度。但是，它們的存在也可以產生一種密度更高的合金，這有時候可以是一種重要的考慮。(也應當理解，雖然平臺和燕尾根度通常在這裡一起討論，但它們事實上可以每個包括不同類型的矽化鈮成分，這取決於渦輪葉片的要求。)參照圖1，當不同的矽化鈮成分用於葉片的每個部分時，翼面12的成分可以突然變化到平臺24的成分。同樣，平臺的成分可以突然變化到燕尾根部26的成分。但是，在優選的實施例中，在這些成分的至少兩種之間存在至少某種成分的逐漸過渡。例如，從翼面沿跨度「S」的某些較低部分27開始(任意地表示為界面「I-2」)，這些成分可以從最適合於翼面的一種成分逐漸地變化為最適合於平臺的一種成分。
界面「I-2」的長度可以相當大地變化，取決於上面討論的確定界面「I」的長度的許多因素。通常，界面I-2的長度約為跨度「S」維度的約1％～約25％。在許多情況下，界面I-2的長度近似於界面「I」的長度。在該界面內，該矽化鈮成分中的一種或多種組份的比例可以減小或增大，這取決於沿任一種方向的「目標」成分。
以同樣的方式，燕尾根部26的成分也可以逐漸變化。例如，成分的逐漸變化可以沿如跨度「S」的同一方向發生，例如從燕尾根部的較高部分40到較低部分42。該逐漸變化可以沿一特定界面發生，類似於上述界面(雖然有其自身的沿長度變化)。或者是，該逐漸變化可以通過燕尾根部的整個長度(高度)和/或也通過任何其它維度而發生。
如上所述，該翼面通常從延伸在前緣和後緣兩部分之間並與其一起匯合的兩側壁形成。如圖1中所示，側壁21和23沿垂直於跨度S的維度限定從壁到壁的翼面厚度。在兩側壁之間的大部分或全部內部區域中通常為空心區。側壁本身有一厚度，也取決於前述因素，如所需葉片強度。
在某些實施例中，使一個或兩個側壁的厚度在成分上逐漸變化可能是非常有利的。圖2中提供該概念的一個例子，該圖為圖1中所示翼面的放大截面圖(在該圖中，端帽32未示出。而且，為了易於描述，側壁的厚度已稍許誇大)。
側壁成分的逐漸變化可能有利的一種狀況涉及熱膨脹。如該技術的專業人員能理解的，當翼面在操作期間暴露於高溫時(如暴露於燃燒氣體)，翼面外壁的溫度可能上升得最高，而內壁溫度顯著地較低。與內部區域相比，該溫度梯度可能導致翼面的外部區域膨脹得更大。其生成的應力可能導致熱疲勞和對翼面的最終損傷。當翼面暴露於許多個溫度周期時，疲勞可能發生得更快。但是，如果翼面壁是按照矽化鈮成分而逐漸變化的，那麼由於該溫度梯度而產生的應力可以減小或消除。
參照圖2，側壁21的成分可以沿厚度I-3而逐漸變化。側壁23的成分可以沿厚度I-4而逐漸變化。在每種情況下，該成分可以這樣變化，使得影響熱膨脹係數(CTE)的組份將增大或減小。作為一個不起限制作用的例子，增大矽化鈮成分中如鈦或鉻的元素比例能增大材料的CTE。因此，這些元素的比例可以沿厚度I-3從外面移動到內面而增大。可以沿厚度I-4從外面移動到內面而建立一個類似的成分梯度。以這種方式，通過壁的厚度的矽化鈮成分的CTE可以基本上平衡。
而且，該矽化鈮成分可以逐漸變化而匹配塗敷在渦輪葉片上或其一部分上的一個或多個塗層的CTE。如該技術的專業人員能理解的，渦輪葉片常常用一熱屏蔽塗層(TBC)如一用像釔穩定的氧化鋯的材料製成的陶瓷塗層來保護。在TBC和渦輪葉片的表面之間經常沉積結合的塗層。結合塗層的不起限制的例子包括用Cr-Al-Ru合金、二矽化物或Si-Ti-Cr-Nb合金製成的材料。
在渦輪的升高的操作溫度下和/或在葉片暴露於前述溫度周期期間，保護塗層和渦輪葉片表面之間可能產生應力。這些應力可能最終損害塗層的整體性及其對葉片表面的附著力。因此，通過側壁21和23的矽化鈮材料的成分可以逐漸變化(完全地或部分地)，以儘可能減小可能在渦輪葉片表面和其上沉積的任何塗層之間可能產生的應力。
還有對一個或兩個側壁的厚度進行成分的逐漸變化的其它理由。例如，可以進行成分的逐漸變化來改變側壁的抗氧化能力的特性。該技術的專業人員能確定有利於如抗氧化能力的性能最合適的逐漸變化方案，而不會有不適當的實驗方法。
沿每個翼面壁厚度改變成分的程度當然將取決於前述因素，對CTE最重要的是熱量的考慮。許多變化也有可能。例如，側壁21和側壁23不必以彼此相似的方式逐漸變化其成分。(事實上，一個可以逐漸變化，而另一可以不變化。而且，用I-3和I-4表示的梯度不必大體上垂直於壁的邊緣，如圖2中所示的那樣。再次，逐漸變化不必連續地通過每個壁的整個厚度。事實上，如此處定義的，這些壁不必完全是「逐漸變化的」。相反，一種特定的矽化鈮成分可以沿錐度I-3和I-4存在於壁的一個「層」(即一個垂直的「切片」)，而一個或多個不同的矽化鈮成分可以存在於其它「層」而沒有任何有序的逐漸變化。
如上所述，像圖1中所示的那種渦輪葉片可以用許多技術製成。它們包括鍛造、熔模鑄造法、機加工，以及這些技術的結合。在某些優選實施例中，本發明的渦輪葉片用雷射包括工藝製成。這樣一種工藝在該技術中是普遍知道的，有時稱為「雷射熔融」。下列參考合併於此的美國專利提供了該工藝的不起限制作用的例子No.6,429,402(授與Dixon等人)；No.6,269,540(授與Islam等人)；No.5,043,548(授與Whitney等人)；No.5,038,014(授與Pratt等人)；No.4,703,093(授與Mehta等人)；No.4,724,299(授與Hammcke)；以及No.4,323,756(授與Brown等人)。在許多其它的參考文獻中也提供了有關雷射包層的信息，如C.Thieler等人，BIASBremen研究所的「用雷射束包層法沉積逐漸變化的金屬基體複合材料」(10頁)，於http://www.bias.de/aboutus/structure/Imb/publikationen/Deposition ％ 20 of ％ 20 greded.pdf(未註明日期，帶有2005年6月，網址地址)。
大體上，雷射束包層工藝通常涉及將一種可消耗的粉末或絲送入襯底表面上的一熔池中。該襯底通常為待用該工藝製成的物件的底部。該熔池用雷射束通過相互作用而產生和保持，該雷射束提供一種高強度熱源。如Thieler等人所述，該襯底相對於雷射束掃描。當掃描進行時，熔融的襯底區域和熔融的沉積材料固化，而一個包層軌跡沉積在表面上。通過並列沉積的軌跡而接連地形成一個層。通過在彼此的頂端上沉積多條軌跡而產生多層結構。
有關雷射束包層工藝的一個特定的優點涉及在沉積期間相當小的熱影響區(HAZ)。該小的HAZ使初始沉積期間的襯底上的和隨後各層沉積期間成分上的熱衝擊或應力成為最小。而且，熔池的快速冷卻(如下面提到的)可以導致對被製造的物件形成非常精細的微結構特點。
圖3是表示雷射包層工藝的一般原理的簡單例示圖。所要物件的形成是在襯底60的表面58上產生的。按照下面描述的常規雷射參數，雷射束62聚焦在該襯底的選定區域上。饋送物料(沉積物料)64是通常利用一種合適的載體氣體68從粉末源66輸送的。該饋送物料通常引向襯底上一個非常接近於能源束相交襯底表面58的點的區域。在該相交點處形成熔池70，然後熔池固化而形成包層軌跡72。多重包層軌跡互相靠近地沉澱而形成一個所要的層。因為沉積設備是向上增量的，所以該構件向著完成三維形式行進。
如下面還要描述的，饋送物料的沉積可以在計算機化的運動控制下進行。可以利用一個或多個計算機處理器來控制雷射器、饋送物料流和襯底的運動。該處理器也可控制饋送物料的成分。以這種方式，對於渦輪葉片的指定區域可以提供一種特定的矽化鈮成分。而且，如前所述，該成分可以逐漸變化。通常，按照本發明的計算機控制的雷射包層法通常與作為基本上互相平行的區段或「切片」的裝配件的渦輪葉片的解析一起開始。然後通過規定每個區段的圖形也即其形狀和尺寸R每個區段相對於相鄰區段的位置而唯一地形成該物件。
更明確地說，計算機輔助設計(如CAD-CAM)技術的專業人員能理解，所要的渦輪物件最初的形狀特徵能夠從描圖或從用傳統方法如鑄造、機加工等傳統方法預先製成的物件而得到。一旦該部件的形狀具有數字特徵，就利用可以使用的數字控制電腦程式來對雷射包層設備編制部件(或等效的沉積頭)運動的程序。這些程序產生關於每次實施沉積時「通過」及其在兩次通過之間的側向位移期間該部件的運動的指令圖形。產生的物件十分精確地再現這些數字特徵的形狀，包括翼面等的複雜的曲面和空心區。上面參考的美國專利No.5,038,014描述了關於此類沉積技術的許多其它細節。美國專利No.6,429,402和No.6,269,540也在這方面做了說明。
圖4是一種類型的適合於本發明實施例的雷射包層設備的總體圖。設備100包括一個饋送物料池102。池102可以由多個粉末供應室(料鬥)104、106、108、110、112和114供應。每個供應室可以填充可用於形成各種矽化鈮成分的單個元素、化合物(如二元化合物)或合金。雖然例示了六個供應室，但該數目可以多於或少於六個，取決於用來形成一部分渦輪葉片的特定成分。每個供應室可通過用於粉末流動的常規導管而連接在池102上。
傳統的粉末輸送系統常常在一股氣流中夾帶粉末微粒，該氣流例如是一種可從一獨立的氣體供應源輸送的惰氣載體。(除了輔助粉末輸送外，該惰氣也能用於將粉末在壓力下保持於池102中。)此處不需包括有關這種氣體系統的細節。池102可以加熱(例如通過加熱線圈)，從而儘可能減小粉末源中的水分含量。
各種機構可用於將饋送物料116載帶到粉末輸送噴嘴118。作為一個不起限制作用的例子，可以利用一個商售的傳統的粉末饋送輪120或者是，可以利用許多其它類型的體積饋送裝置，如螺旋輸送機構、盤式輸送機構等。粉末輪配合地附接在導管122上，後者將饋送物料116載帶到輸送噴嘴118。可以是各種機構形式的振動裝置124與導管122聯接。該振動裝置使通過導管的粉末微粒不會附著在管壁上。
導管122終止於粉末輸送噴嘴118(此處有時稱為「粉末頭」)。該粉末頭(通常用一加壓的惰氣輔助)將粉末引導到襯底126的上表面或預先沉積的層128的表面上。粉末頭的形狀和尺寸可以大範圍變化。該粉末頭也可用各種材料如銅、青銅、鋁、鋼或陶瓷材料製成。如美國專利No.5,038,014中所述，該粉末頭通常用流體如水冷卻，以增強粉末的均勻流動。當雷射束通過該頭或當從熔池來的能量向粉末頭反射時，流體冷卻還防止粉末頭過分受熱。
設備100還包括雷射器130。該雷射器發射有光軸134的光束132。可以使用種類廣泛的傳統雷射器，只要它們具有足以完成上述熔融功能的輸出功率。通常使用在約0.1Kw～約30Kw的功率範圍內操作的二氧化碳雷射器，雖然該功率範圍可大大變化。適用於本發明的其它類型的雷射器的不起限制作用的例子是Nd:YAG雷射器、光纖雷射器、二級管雷射器、燈泵激的固態雷射器、二極體泵激的固態雷射器和準分子雷射器。這些雷射器均有商售，該技術的專業人員非常熟悉其操作。這些雷射器的操作或用脈衝方式，或用連續方式。
雷射束132通常有一在襯底平面下的焦平面136。該焦平面被計算在襯底表面上提供選定的聚束點138。聚束點直徑通常為約0.2mm～約5mm。但是，該直徑可顯著變化，有時可在該範圍之外。雷射能量選擇為足以熔融通常與聚束點138符合一致的物料池。通常，施加的雷射能量其功率密度為每平方釐米約103～約107瓦。
如上所述，物料層通常通過導管122將粉末116饋送入在聚束點138處的熔池中而沉積。因為在激聚束點和承載其疊加功率的物件之間存在相對的側向運動，所以產生順序的熔融、冷卻和熔融的相互作用區的固化，產生一個「焊珠」或層。圖4表示沉積物料的第一層128，而下一層140的沉積在進行中。饋送粉末的角度可以顯著地變化，通常為相對於物件表面處於約25度～70度的範圍。雷射沉積技術的專業人員能根據該技術中已知的因素而容易地調整適應特定情況的粉末輸送角。
如圖4中所示，襯底126可以支承在活動支架142上。支架142可沿兩個線性方向移動襯底「X」方向(X和-X兩者)和「Y」方向(Y和-Y兩者，在圖4例示平面之外)。通過控制支架142的X和Y方向移動的結合，同時將導管122和雷射器130保持在恆定高度上，可以在襯底上沉積一個具有對渦輪葉片的特定區段有精密圖形(形狀)的界定良好的層。
在大多數情況下，支架142沿第一線性軸線X和第二線性軸線Y的移動是通過某些形式的計算機運動控制如使用處理器144而完成的。可以利用各種各樣的計算機控制系統。其大多數通常利用一個CAD/CAM接口，其中運動的所要圖形是編製程序的。
而且，支架142可以用於與一個或多個額外的支承平臺聯用，以進一步增加其中可以操縱支架142(和襯底126)的方向。例如，這些支承平臺可以是一臺複雜的多軸線計算機數字控制(CNC)機器的一部分。這些機器在該技術中是已知的並有商售。這樣一種操縱襯底的機器的使用描述於2003年7月17日申請的S.Rutkowski等人的共同待審的申請S.N.10/622,063中，該文件參考合併於此。如S.N.10/622,063中描述的，使用這樣一種機器允許襯底沿一個或多個轉動軸線相對於線性軸線X和Y運動。作為一個例子，可以使用一種傳統的轉動心軸(圖4中未示出)來提供轉動運動。
如圖4的實施例中所示，導管122和雷射器130牢固地支承在設備支架146上。如圖中所示，該支架可沿垂直的「Z」方向(和一Z方向)移動。以這種方式，可以升降導管122和雷射器130。
在某些實施例中，設備支架146可以用處理器148控制，處理器148可以與處理器144協同作用。以這種方式，支架146和支架142可以相對於待製造的物件沿至少三維移動。例如，通過控制支架142的X和Y方向運動的結合，而同時將導管122和雷射器130保持在一個恆定的「Z」高度，可以在襯底上沉積一個良好界定的層。該層例如層140將符合於渦輪葉片特定區段所需的圖形。(如該技術的專業人員能理解的，同一類型的X、Y、Z運動可以通過沿Z方向操縱支架142而同時沿X和Y方向操縱支架146來進行。)如圖4中所示，當沉積一個層如層128時，設備100向上增量。當設備上升時，導管122和雷射器130也上升一個選定為第二層140的高度或厚度的量。以這種方式，可以形成疊合在層128上的層140。(再一次，圖4例示當第一層128已完全沉積而第二層140部分沉積時在一臺上的沉積過程)。當層140被沉積時，層128的上部通常重新熔融。以這種方式，保證了相鄰各層的混合和結構連續性。
如上所述，對渦輪葉片的特定區域選定的矽化鈮成分是由從一個或多個供應室(部件104～114)來的饋送物料的某種結合提供的。作為不起限制作用的例子，六個例示的室可分別包括Nb、Si、Hf、Cr、Al、Ti(可增加額外的室用於額外的元素或元素混合物)。每個室可以連接傳統的管子或導管，用來饋送到物料102。可以對每個室使用類似上述類型的各種體積饋送裝置。粉末可以重力饋送到池102和/或可以用載氣載帶。池102可以包括傳統的裝置來用於混合各種元素和合金，以及用於儘可能減小其中含有的水份含量。該池也可包括機加工的細部或形狀，以保證各種粉末能夠容易地結合而產生所要的成分。
可以使用許多技術來改變接連的沉積層內或之間的粉末混合物。例如，可以通過改變聯接每個料鬥的粉末饋送輪或盤(未特別示出)的轉動速度來分配圖4中每個料鬥室之間的粉末。(如上面參考饋送輪120所述，可以用輪的許多替代物，如功能相似的螺旋或盤。)或者是，可以利用一個傳統的粉末分流器，它們也能有效地分配從每個料鬥流來的粉末量。
繼續參照圖4，處理器150與池102聯接。通常，該處理器(或一組處理器)的功能是協調從各料鬥/供應室到該池的粉末元素或合金的供應。例如，處理器150可與處理器148和144一起起作用。所有處理器的協調的基礎是襯底的多軸向移動，及時在一特定點上的其定位和位置(即已在襯底上形成的層的數目)，以及在渦輪部件的形成中對下一層或下一組的層提供特定成分的計算機指令的圖形。
如該技術的專業人員所理解的，一個如部件150的處理器可集體地指許多子處理器。而且，圖4中的所有處理器(144，148和150)可以結合，例如其功能可用一個單獨的處理器操縱。該技術的專業人員(如具有CNC系統和粉末沉積的工作知識的)將能夠對一給定的情況設計最好的控制系統而不需過分努力。
在許多參考文件如美國專利No.5,038,014中提供了利用像圖4中的設備的典型的雷射包層工藝的其它細節。作為不起限制作用的例子，可以利用一臺子KW二氧化碳雷射器來製成與一襯底成整體的壓縮機葉片，來提供每平方釐米約30KW的功率密度。在沉積期間，可以將襯底表面和周圍區域保持在惰性氣氛(如氬)中。該粉末輸送系統基本上如圖4中所示。一種引向饋送導管的典型的矽化鈮粉末的平均粒徑為約35微米～約180微米。將粉末引向襯底表面的速率為約10克/分鐘。形成的每「焊珠」或層的高度為約0.015英寸(0.038cm)。為了製造一個長約3英寸(7.6cm)的葉片，在這些運行狀態下可能要求總數約200次通過。當沉積饋送粉末時，襯底相對於雷射束的典型的線性橫向速率可以是約50英寸(127cm)/分鐘。
對於一個雷射包層工藝，該雷射和粉末輸送系統可以進行許多變化。通常，它們均處在本發明的範圍內而不需在此處描述。作為一個例子，可以使用各種類型的同心饋送噴嘴。一種此類型在上述美國專利No.4,724,299中由Hammeke描述。Hammeke描述了一種雷射噴射噴嘴裝置，其中，雷射束通道垂直地延伸通過噴嘴體的外殼。該外殼包括同軸的孔，雷射可通過這些孔。一個獨立的粉末輸送系統從垂直於雷射束通道的方向將粉末供應到一個與此通道連通的環形通路。以這種方式，饋送的粉末和雷射束可以會聚在一共同位置上。像在其它雷射包層系統中一樣，一個熔池形成於一個在下面安置的工件上，在一個與雷射束和粉末流的會聚符合一致的表面區域中。
另一可能的替代例涉及輸送饋送粉末的方式。在一些優選實施例中，通過多個饋送噴嘴將粉末饋送到襯底表面上的熔池中。例如，在產生沉積的表面區域的周邊周圍可以相等間隔地安置約2～4個噴嘴。每個噴嘴可以從一類似於圖4實施例中池102的源得到供應。
圖5表示(以簡化形式)作為一雷射包層系統的一部分的粉末輸送管160、162、164和166。每個輸送管終止於一粉末噴嘴170、172、174和176(分別對應)。這些噴嘴圍繞用雷射包層工藝形成的渦輪翼面178的表面168。雷射束180向下指向表面168上被粉末噴嘴圍繞的一個點。(層169已部分形成)。許多有關粉末輸送等的其它參數類似於前述實施例中討論的(雖然每個僂末噴嘴表示為相同，但其尺寸和形狀可以變化，部分地取決於沉積參數。例如，一個或多個噴嘴可以在其頂端上有較小的直徑)。
使用多個粉末噴嘴允許沉積從不同方向來的矽化鈮饋送物料。在某些情況下，與從單一方向來的沉積比較，這使物料「堆積」而變得更均勻。反過來，每一被沉積的層的熔融和隨後的固化中的更大均勻度和符合一致能對完成的渦輪物件形成更均勻的微觀結構。
在用雷射包層工藝製造渦輪部件之後可以採取各種工藝。例如，可以利用機加工步驟來獲得或改變該部件的精確的幾何形狀。機加工技術的例子包括放電機加工(EDM)、銑削和研磨。也經常採用拋光步驟。而且，可以使用傳統的等壓壓緊操作，例如在消除或儘可能減小部件材料中的內部多孔性。也可在該物件上進行合適的熱處理，以用於燒結、固化等。通常，與用傳統的鍛造或鑄造操作製成的渦輪物件相比，使用此處描述的雷射包層工藝能減少許多這些後製造步驟所需的時間。
如前所述，本發明的渦輪部件包括至少約75(重量)％的矽化鈮成分。該成分的餘量因而可以包括其它材料。作為渦輪葉片情況下的一個例子，與包括矽的金屬間材料相比，該燕尾根部可以包括一種金屬材料如鈮合金。該金屬鈮基的材料可以提供一種增強的斷裂韌性值，它有時候是燕尾根部所需要的。此類型的典型成分可以包括至少約50(原子)％的鈮，以及至少一種選自下列一組的其它元素鈦、鉿、鉻、鋁、鎢、鉭、鉬、鋯和錸。
在其它實施例中，該燕尾根部可以包括一種傳統的超級合金材料。術語「超級合金」通常預期包括複雜的鈷基或鎳基合金，它們包括一種或多種其它元素，如錸、鋁、鎢、鉬、鈦、或鐵。此類材料描述於各種參考文件中，如美國專利No.6,475,462；No.5,399,313和No.4,116,723，它們參考合併於此。(部分地或完全包括一種超合金材料的燕尾根部的存在可能有時是優選的，因為其中插入燕尾根部的渦輪盤或轉子常用一種類似的超級合金材料製成。)該雷射包層工工藝在將超級合金成分和其它金屬成分包括到主要以矽化鈮為基的渦輪部件中方面提供最大的靈活性-按照或是逐漸變化的或是並不逐漸變化的方案。
除了傳統的渦輪部件外，此處描述的工藝還可用於製造用矽化鈮基材料製成的「葉盤」。如美國專利No.5,038,014(授與Pratt等人)中描述的，葉盤是與一個盤整體形成的渦輪葉片。使用葉盤就不需要在翼面上的燕尾型連接，並與渦輪盤上的槽嚙合。由此這些葉盤提供了提高渦輪性能的潛力，部分地由於減小了重量。Pratt等人的參考文件描述了用雷射熔融(雷射包層)工藝製造葉盤與傳統的鑄造和鍛造操作相比的優點。
圖4中描述的設備非常適合於製造一個葉盤，如Pratt等人的專利的圖1～5中描述的。如前所述，該葉盤所希望的形狀最初的特徵是利用一段一段的方式。然後按照計算機驅動的雷射系統，一層上面一層地複製該物件。其次，從矽化鈮成分製成的葉盤的結構的全部或部分可以在成分上逐漸變化。以這種方式，該部件的每一區段具有對一給定的操作環境最合適的成分。而且，葉盤的損壞的葉片部分可用雷射包層工藝容易地製備(如下所述)，而不需要更多急劇的步驟，如報廢整個葉盤。
本發明的另一實施例涉及修理用矽化鈮基材料製成的渦輪部件的方法。例如，一個受損的渦輪葉片可以磨光到受損面積下面的一個區域。然後該葉片遇到上述雷射包層工藝，其中葉片的該未受損的部分或區段成為襯底表面。計算機控制的沉積將該葉片重新形成為與原來形狀相同的形狀。利用雷射包層工藝的一個優點是修理的部分與原來的葉片部分在拋光後沒有由於焊接現象而產生的可檢出的結合線或不連續。這些修理技術也非常適合於上述葉盤。
本發明也可用於修改用矽化鈮材料製成的預先存在的渦輪部件。作為一個不起限制作用的例子，否則起作用的渦輪葉片表面可以通過雷射包層工藝而積累一種耐磨材料，從而滿足更需要的使用環境。而且，可以使用雷射包層步驟和機加工步驟的結合來改變一渦輪部件的形狀，以適合一特定要求。
在本專利說明書中常常示範例示一個渦輪葉片。但是，許多類型的渦輪可以從本發明的各個實施例中得益。不起限制作用的例子包括料鬥、噴嘴、轉子、盤、葉板、定子、屏板和燃燒器，以及前面描述的葉盤。
雖然為了例示的目的已經詳細地描述了本發明的物件和方法，但這些描述不應當看作是以任何方式進行限制。本權利要求書預期包括處於這些說明的範圍和精神內的所有變化和修改。所有上面提到的專利、專利申請、文章和教科書都參考合併於此。
部件清單10 渦輪葉片12 翼面14 翼面的壓力側16 翼面的負壓側18 前緣20 後緣21 側壁22 翼面底座23 側壁24 平臺25 平臺頂面26 燕尾根部31 翼面頂端32 端帽34 冷卻孔35 頂緣40 燕尾根部的上部42 燕尾根部的下部58 襯底表面60 襯底62 雷射束64 饋送物料66 粉末緣68 載氣70 熔池72 包層軌跡100設備102饋送物料池104粉末供應室106粉末供應室
108粉末供應室110粉末供應室112粉末供應室114粉末供應室116饋送物料(粉末)118粉末輸送噴嘴120粉末饋送輪122導管124振動裝置126襯底128沉積物料層130雷射器132雷射束134雷射束軸線136焦面138聚束點140物料層142可動支架144處理器146支架148處理器150處理器160粉末輸送管162粉末輸送管164粉末輸送管166粉末輸送管168渦輪翼面表面169層170粉末噴嘴172粉末噴嘴174粉末噴嘴176粉末噴嘴
178渦輪翼面180雷射束
權利要求
1.一種用矽化鈮基成分製成的渦輪部件(10)，該成分在該部件的至少一部分中是逐漸變化的。
2.權利要求1的渦輪部件(10)，其特徵在於，至少該部件的一個第一部分(31)其成分是逐漸變化的，從而在標準運行狀態下呈現出比該部件的相鄰第二部分(12)更大的氧化能力。
3.權利要求1的渦輪部件(10)，其特徵在於，至少該部件的一個第一部分(24，26)其成分是逐漸變化的，從而在標準運行狀態下呈現出比部件的相鄰的第二部分(12)更高的機械性能。
4.權利要求1的渦輪部件(10)，其特徵在於，至少該部件的一個第一部分(24，26)其成分是逐漸變化的，從而在標準運行狀態下呈現出比部件的相鄰的第二部分(12)更大的強度。
5.一種用矽化鈮合金製成的渦輪葉片(10)，其特徵在於，該葉片包括(a)一個翼面(12)；(b)一個位於翼面(12)的外端部處的翼面頂端區域(31)；(c)一個其上安裝該翼面(12)的平臺(24)；以及(d)一個附接在平臺(24)下側上的燕尾根部(26)，其形狀適合於安裝在渦輪轉子上的一條槽內，使得葉片(10)可以附接在該轉子上；其中，該渦輪葉片的一部分(26)中的矽化鈮合金的成分不同於該葉片的另一部分(12)中的矽化鈮合金的成分。
6.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，在標準運行狀態下，與翼面(12)中的矽化鈮合金相比，翼面頂端區(31)中的矽化鈮合金呈現出更大的抗氧化能力、耐磨性或抗氧化能力和耐磨性的結合。
7.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，在標準運行狀態下，燕尾根部(26)中的矽化鈮合金呈現出比翼面(12)中的矽化鈮合金更高的機械性能。
8.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，矽化鈮合金的成分在葉片的至少一個區段中是逐漸變化的，以提供在葉片一個部分到葉片另一部分的合金成分之間的逐漸變化的過渡。
9.權利要求8的渦輪葉片(10)，其特徵在於，成分的逐漸過渡獨立地存在於該葉片的不同區段中。
10.權利要求9的渦輪葉片(10)，其特徵在於，該翼面的成分包括一個處於比該頂端區中低的值的矽改性拉夫斯相。
11.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，該翼面的成分包括鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、鋁(Al)和矽(Si)，並具有包括金屬鈮基相和金屬矽化物相的一種微觀結構。
12.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，燕尾根部(26)中的矽化鈮合金呈現出比該翼面中的矽化鈮合金更大的斷裂韌性。
13.權利要求12的渦輪葉片(10)，其特徵在於，燕尾根部(26)中的矽化鈮合金中存在的矽量以總原子百分比為基礎小於約9(原子)％；而該合金包括百分比金屬Nb基相和至少一個化學式為M3Si或M5Si3的金屬矽化物相，其中M為選自由Nb、Hf、Ti、Mo、Ta、W組成的族、鉑族金屬及其結合中的至少一元素。
14.權利要求5的渦輪葉片(10)，其特徵在於，翼面(12)包括大體上對置的側壁(21，23)，而至少一部分側壁的成分是逐漸變化的。
15.權利要求14的渦輪葉片(10)，其特徵在於，側壁(21，23)成分逐漸變化，以提供一種熱膨脹係數(CTE)，當渦輪葉片暴露於標準運行狀態時，該熱膨脹係數在整個側壁厚度上基本上是平衡的。
16.權利要求1的渦輪葉片(10)，其特徵在於，至少部分地用一種雷射包層工藝製造。
17.一種用於製造一個矽化鈮基渦輪物件(126)的工藝方法，其中所述物件有一預先選定的形狀，其特徵在於具有多個平行的橫向區段，每個橫向區段具有一預先選定的圖形和厚度，包括以下步驟(i)利用一雷射束(132)熔融一種矽化鈮材料，並沉積該熔融的材料而形成該物件的第一橫向區段圖形中的第一層(128)，該第一沉積層的厚度對應於該第一橫向區段的厚度；(ii)利用一雷射束(132)熔融一種矽化鈮材料，並沉積該熔融的材料而形成該物件的第二橫向區段圖形中的第二層(140)，該第二層至少部分地疊合在沉積材料的第一層(128)上，該第二沉積層的厚度對應於該第二橫向區段的厚度；以及然後(iii)利用一雷射束(132)熔融一種矽化鈮材料，並沉積該熔融的材料而形成該物件的相應橫向區段圖形中的相繼的層，這些相繼的橫向區段中的至少一個區段部分地疊合於在下面的橫向區段，其中該熔融的材料被沉積而形成相繼的各層，直到完成該物件。
18.權利要求17的工藝，其特徵在於，用於每一步驟的矽化鈮材料通過圍繞雷射聚束點間隔安置的多個輸送噴嘴(170，172，174，176)而被引向正被製造的物件的表面(168)上的一個雷射聚束點。
19.權利要求17的工藝，其特徵在於，至少一些形成該物件(126)的各層的矽化鈮材料成分通過改變與至少一個輸送噴嘴(118)連通的饋送物料(116)的成分而變化，所述輸送噴嘴將矽化鈮材料引向正被製造的物件(126)的表面上。
20.權利要求17的工藝，其特徵在於，矽化鈮基的渦輪物件(126)選自由料鬥、噴嘴、轉子、盤、葉片、葉板、定子、屏板、燃燒器、葉盤組成的組及其結合。
21.一種修理由包括矽化鈮的材料製成的並有一受損的區段的渦輪部件(126)的方法，所述方法包括採用雷射包層工藝利用至少一種包含矽化鈮的替換材料來替換或改變該受損區段的步驟。
22.一種改變由包含矽化鈮的材料製成的渦輪部件(126)的方法，包括以下步驟按照指定的圖形將包含矽化鈮的附加材料塗敷到至少一部分渦輪部件上，使得該渦輪部件按照形狀，成分或形狀和成分的結合而改變。
全文摘要
描述了一種用矽化鈮基成分製成的渦輪部件(10)。部件(10)可以通過其結構的至少一部分在成分上逐漸變化。也描述了一種用包括矽化鈮合金的成分製成的渦輪葉片(10)。該葉片包括一翼面(12)、一翼面頂端區(31)、一其上安裝翼面(12)的平臺(24)，以及一附接在平臺(24)下側上的燕尾根部(26)。在至少一部分渦輪葉片(10)中的矽化鈮合金在成分上不同於另一部分葉片中的矽化鈮合金。也描述了利用雷射包層技術製造一個矽化鈮基的渦輪部件的工藝。在該申請中也提出了修理方法。
文檔編號F01D5/18GK1896463SQ20061010161
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者B·P·布萊, M·N·阿澤爾, L·克雷特尼, A·M·裡特, C·D·楊 申請人:通用電氣公司