超耐热合金部件以及超耐热合金部件的电渣修复和电气修复 |
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| 申请号 | CN201380047000.0 | 申请日 | 2013-07-12 | 公开(公告)号 | CN104619452A | 公开(公告)日 | 2015-05-13 |
| 申请人 | 西门子能量股份有限公司; | 发明人 | G.J.布鲁克; | ||||
| 摘要 | 诸如 涡轮 叶片 和轮叶的超耐热 合金 部件的铸件通过在灌注 基板 扩展中至少部分的复制原始铸件基板 晶体结构 的 电渣焊 工艺或电 气焊 工艺制造或修复。该工艺 重熔 基体基板表面并且与新熔融的填充材料一起生长。由于基体基板(20)和填充材料(44，45，46) 固化 ，新形成的“重铸”部件有至少部分的复制基体基板(20)晶体结构的定向固化的单轴基板扩展部(50)。包括扩展部的“重铸”部件可用的统一的单晶结构来制造。在其它的应用中，基板扩展可复制原始基体基板铸件的定向固化的单轴晶体结构。多晶基板基体结构可用复制最平行于单轴 铸造 方向的基体基板晶体的基板扩展来重铸。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超耐热合金部件包括有第一晶体结构的基体基板铸件以及结合至此基体基板的灌注定向固化的单轴基板扩展，所述基板扩展有至少部分复制的第一晶体结构的扩展的第二晶体结构。 |
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| 说明书全文 | 超耐热合金部件以及超耐热合金部件的电渣修复和电气修复 技术领域[0001] 本发明涉及服务退化的诸如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件铸件的修复。更特别地，本发明涉及通过重熔基体基板铸件表面并在熔融的填充材料池中生长的电渣焊工艺修复或新制造超耐热部件铸件。由于结合的熔融材料固化形成至少部分地复制原始基板铸件晶体结构的灌注基板扩展(substrate extension)。 背景技术[0002] 服务退化的燃气涡轮或者其它的超耐热合金部件铸件的“结构”修复通常被认为是用匹配的合金材料替换损坏的材料并且实现接近原始制造部件规格(例如，至少原始规格极限抗拉强度的70％)的性能，诸如强度。例如，优选地对经历表面裂纹或叶尖腐蚀的涡轮叶片进行结构修复，以便降低进一步开裂的风险，并且叶片恢复至原始的材料结构和尺寸规格。 [0003] 由于成品叶片材料的冶金性能，用于制造诸如铸件涡轮叶片的涡轮部件的镍钴基超耐热合金材料的结构修复或重新制造是具有挑战性的。例如，当经受高温焊接时，具有高于6％的聚合的铝或钛含量的诸如CM247合金的超耐热合金比较低铝-钛含量的X-750超耐热合金更容易受到应变时效开裂。通常，在使成品涡轮叶片合金难于进行随后的结构性焊接的铸造后热处理过程中，成品涡轮叶片合金被加强。目前用于超耐热合金结构制造或修复的焊接工艺通常涉及邻接焊接准备的基板的大致熔化以及所添加的焊条或其它填充材料的完全熔化，以便修复裂纹或建立侵蚀表面。当此材料构成的叶片用相同或相似合金的填充金属焊接时，相比于新部件，叶片易经受固化(亦称，熔析)焊缝内和焊缝附近的开裂，和/或恢复超耐热合金原始强度以及其它材料性能的随后的热处理工艺过程中易经受应变时效(亦称，二次加热)开裂。 [0004] 可替换的超耐热合金焊接工艺，包括在升高的温度下，在所谓的“热”箱中焊接的包括具有冷却夹具的激光微熔覆，以及惯性摩擦焊仍然可以导致焊接后热处理应变时效开裂(strain age cracking)。诸如搅拌摩擦焊的其它的摩擦焊工艺可以降低超耐热合金开裂倾向，但所使用的焊接设备有相对有限的工具寿命。可替换的超耐热合金焊接工艺均不太合适于重建大容积的侵蚀部件基板材料，例如，侵蚀的涡轮叶尖或轮叶的重建。 [0005] 相比于结构修复或制造，超耐热合金的“装饰性”修复或制造被认为是用较少结构性质规格的非匹配合金材料替换损坏的材料(或者接合新制造材料的两个部件)，其中不需要局部的原始结构性能。例如，可使用装饰性修复以恢复所修复的包括轻度涡轮叶尖或轮叶侵蚀的部件的原始轮廓的几何形状。如上所述，理想的是对表面裂纹进行结构修复以降低部件恢复工作时的表面裂纹随后扩张的可能性。相反地，装饰性修复的一示例是在涡轮叶片机翼上填充表面凹坑(如对抗表面裂纹)以恢复其原始的空气动力学外形，其中叶片的局部外表面对于整个叶片的整体结构不是关键的。通常通过使用耐氧化焊接或钎焊比叶片主体超耐热合金基板强度更低的合金来实现装饰性修复或制造，但该合金有更高的延展性以及对超耐热合金基板的材料性能无负面影响的更低的应用温度。 [0006] 鉴于超耐热合金结构修复焊接的缺陷，通常商业上唯一可接受的解决方案是废弃需要结构修复的损坏的涡轮叶片，这是因为过去的经验表明此结构修复的成功很有限。因此，修复被限制于在过去已经被证实可成功执行的结构，其通过上文描述的可替代的超耐热合金焊接工艺或通过使用具有降低的结构强度的更易延展的焊条填充材料的装饰性焊接。 [0007] 因此，本领域需要一种用于进行超耐热合金部件铸件的结构制造的方法或者一种用于对服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件的表面进行结构修复的方法，以便能修复结构裂纹、侵蚀表面以及其他表面缺陷。 [0008] 本领域还需要增加服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热部件铸件的结构修复的成功率，以便降低损坏部件的废弃率。 [0009] 本领域还需要一种用于进行超耐热合金部件铸件的结构制造或修复服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件的表面的方法，但不需要复杂焊接或修复后的热处理过程。 发明内容[0010] 因此，本发明的目的是进行超耐热合金部件铸件的结构制造，或者对服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件的表面进行修复，以便修复结构裂纹、侵蚀表面以及其它表面缺陷。 [0011] 本发明的另一目的是增加成功进行结构修复诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件的可能性，以便降低损坏部件的废弃率。 [0012] 本发明的另一目的是进行超耐热合金部件铸件的结构制造或者对服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件的表面进行修复，但不需要复杂的焊接或者修复后的热处理过程。 [0013] 根据本发明的方法来实现这些以及其它的目的，该方法为制造超耐热合金部件铸件；或者通过在灌注基板扩展中至少部分的复制原始铸件基板晶体结构的电渣焊工艺修复服务退化的超耐热合金部件铸件。本发明的方法实质上通过在基体基板上生长灌注基板扩展来“重铸”耐高温合金基体基板铸件。本发明的工艺重熔基体基板表面并且与新熔融的填充材料一起生长。在基体基板和填充材料固化的某些实施例中，新形成的“重铸”部件有至少部分的复制基体基板(base subtrate)晶体结构的定向固化的单轴基板扩展部。在另一实施例中，扩展部复制基体基板的晶体结构。例如，“重铸”部件能够用统一的单晶结构来制造，包括扩展部。在另一示例中，基板扩展可复制定向固化的单轴晶体结构。在另一示例中，多晶基板基体结构可使用基板扩展来重铸，其复制在优选的生长方向上与基体扩展的单轴铸造方向平行的基体基板中的晶体。 [0014] 本发明公开了一种包括具有第一晶体结构的基体基板铸件以及结合至基体基板的灌注定向固化的单轴基板扩展的超耐热合金部件。基板扩展有至少部分复制的第一晶体结构的扩展的第二晶体结构。 [0015] 本发明还公开了一种用于铸造超耐热合金部件的方法。超耐热合金基体基板置于和模具内形成的型腔连通。至少一个金属电极插入模腔内。颗粒焊剂添加至基板的表面。电极和基板串联电耦合至电阻加热设备的电源。电阻加热设备用于传递和调节电极与基板之间的电流，以启动电弧、熔化焊剂、形成熄灭电弧的导电渣并在与基板接触的模腔内的熔融金属池上创建电渣层。此后，熔融金属与基体基板单向地固化，创建熔融金属固化时生长符合模腔的基板扩展。此工艺类似于电渣焊。 [0016] 另外，本发明公开了一种用于通过将部件基体基板置于和在模具内形成的型腔连通来修复超耐热合金涡轮叶片或轮叶部件的方法。至少一个超耐热合金金属电极插入模腔内。电极和基板串联电耦合至加热设备的电源。此设备用于传递和调节电极和基板之间的电流。电弧在电极与基板之间启动(并导致电极和基板熔化)。与空气反应的熔池保护是由外部气体或者由焊条线芯内的焊剂提供。熔融金属池与基板接触。此后，熔融金属与基体基板单向的固化，创建当熔融金属固化时生长符合模腔的基板扩展。此工艺类似于电气焊。 [0018] 通过考虑下文详细的描述并结合所附附图，本发明的教导将更容易理解，其中： [0019] 图1示出了服务退化的超耐热合金涡轮叶片铸件的透视图； [0020] 图2是用于修复图1的叶片铸件的一示例性模具的主视示意图； [0021] 图3是本发明的电渣焊设备的主视示意图； [0022] 图4是本发明的电气焊设备的主视示意图； [0023] 图5是定向固化单轴晶体铸造超耐热合金部件的主视示意图，其示出匹配的晶体结构基板扩展的固化生长； [0024] 图6是单晶铸造超耐热合金部件的主视示意图，其示出单晶基板扩展的固化生长；以及 [0025] 图7是多晶铸造超耐热合金部件的主视示意图，其示出结构基板扩展的固化生长，其复制在优选的生长方向上最平行于基板扩展的单轴铸造方向的部件基体基板中的晶体。 [0026] 为了便于理解，相同的附图标记尽可能用于表示附图中相同的元件。 具体实施方式[0027] 考虑下文的描述后，本领域的技术人员将更清晰的认识到，通过在灌注基板扩展中至少部分的复制原始铸件基板的晶体结构的电渣焊或电气焊工艺，本发明的实施例的教导可容易的用于制造或修复诸如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件铸件。此工艺重熔基体基板表面并且与新熔融的填充材料一起生长。由于基体基板和填充材料的固化，新形成的“重铸”部件有至少部分的复制基体基板晶体结构的定向固化的单轴基板扩展部。 [0028] 图1示出了具有基体基板22以及服务退化的侵蚀表面24的一示例性涡轮叶片超耐热合金铸件20。虚线26示出了当执行本发明的修复工艺时要被替换的叶片20的原始轮廓。 [0029] 参照图2，模具30置于叶片20上，以便侵蚀表面24与模腔32连通。在此示例性实施例中，模腔有与所期望的叶片20的原始轮廓匹配的内部轮廓。模腔32的轮廓可根据需要改变，包括设置超大尺寸的轮廓，以便通过已知的研磨工艺将所修复的叶片轮廓重新设计为匹配所期望的物理尺寸的轮廓。模具可被制造为具有与热交换器38配合的内部热交换通道37，此内部热交换通道当作加热或冷却流体的通道。在图2中示出的模具30还有与模腔32连通的外部通道34,35,36，用于接收一个或更多的电极。可替代地，模具30的顶部可有开口设计。在有加热或冷却通道37或者无加热或冷却通道37时，要使用的模具材料包括陶瓷、铜或者覆铜。 [0030] 由在图3中示出的系统40执行电渣焊工艺。在此示意性视图中，模具30示出为围绕叶片20的顶部打开的开槽。系统40包括习惯用于执行电渣焊操作的已知结构的已知电阻加热焊接设备42。至少一个金属电极(此处三个电极44，45，46)插入接近基体基板表面24的模腔32内并且与涡轮叶片20的基体基板以及焊接设备42串联电耦合。电极44-46可包括固体或芯线或填充金属。调节的电流在电极44,45,46与涡轮叶片20的超耐热合金金属基体基板之间传递，导致熔化超耐热合金基体基板表面24和金属电极的高温电弧，并且形成熔池52。在模腔32中添加颗粒焊剂。电弧熔化焊剂并且渣层56形成熔融金属池52的表面上，此渣层熄灭之前在电极44-46与基板表面24之间所产生的电弧。在基板表面24与渣层56之间获得熔融金属池52。焊接设备42的电流调节成便于连续的电极熔化、沉积在熔池内以及在远离原始基板表面24的向上的方向上单轴固化的进展，形成固体基板扩展50，包括前述电极44-46的金属。焊接系统40可选择性的结合在隔离室60内以从周围的气体中隔离电渣焊工艺，例如，在焊接区控制氧化的形成。隔离室60可以是真空室或者一个包括诸如氩气的惰性气体、活性气体或还原性气体的室。 [0031] 可替代地，超耐热合金重铸工艺可使用在图4中示出的，用保护气体层62代替电渣层并选择性的在隔离室60内，已知的电气焊工艺。气体层62通过气体输送系统64以及气体源66输送到熔融金属52上的模腔32内。 [0032] 电极44-46的金属合金组成选为与基体基板涡轮叶片20的金属合金组成兼容，并且优选的是与叶片20相同的合金。不同的填充金属合金可用于修复的基板扩展50内的不同的区域。当电极金属合金匹配原始基体基板合金时，基板扩展50实质上是从原始的服务退化的基板表面24扩展的原始叶片20的灌注“重铸”。通过在定向固化部件的整个端部上方同时形成熔池52，其中在基体基板表面中的每个晶体可以以原始铸造相同的方向继续生长，电渣焊/电气焊工艺提供了一种用于叶片或其他铸件基板20的晶体结构沿着基板表面24继续定向固化的装置。 [0033] 所修复的前述服务退化的部件铸件现在是具有基体基板铸件和灌注定向固化的单轴基板扩展的更新的、重铸的部件，基体基板铸件有晶粒结构，灌注定向固化的单轴基板扩展有至少部分的复制基体基板晶体结构的第二晶粒结构。如果如在图5中所示的原始叶片基体基板铸件20A有定向固化的单轴晶体结构，之后形成叶片的修复的部位26A的基板扩展50A有匹配的基体结构。相似的，如果如在图6中所示的原始叶片基体基板铸件20B有单晶体结构，之后形成叶片的修复的部位26B的基板扩展50B继续单晶结构。关于在图7中所示的多晶结构原始叶片基板铸件20C，基板扩展50C复制基体基板表面24中的晶体，其以优选的生长定向最平行于基板扩展的单轴铸造方向。最平行于铸造方向的晶粒将挤出定位较差的晶粒。 [0034] 虽然在文中描述的本发明的实施例已经示出了服务退化的涡轮叶片或轮叶的修复，但本发明的方法和设备还可通过将起始基体基板铸件插入模腔内并且从基体基板制造其余的部件结构来用于制造新的超耐热合金部件。 [0035] 本发明的电渣/电气制造和修复方法便于新的超耐热合金部件铸件的结构制造或者便于服务退化的诸如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件铸件表面的修复，以便可靠的修复结构裂纹、侵蚀表面以及其它的表面缺陷，同时降低部件废弃率。相比其它已知的超耐热合金铸件焊接修复过程，本发明的修复过程不需要复杂的焊接或修复后的热处理程序。原始超耐热合金基体基板与用本发明的修复技术修复的基板扩展之间实现良好的冶金结合。在很多情况下，使用本发明的修复技术时，在所修复的区域内能够开发定向固化或单晶粒结构，而用其它已知的焊接修复技术是不可能的。本发明的修复技术在所修复的部件中产生低的内部应力，该内部应力类似于在原始铸造过程中所产生的内部应力，同时本发明的修复技术比已知的激光微熔覆、钨极氩弧焊过程有相对更高的添加剂修复沉积率。重建侵蚀的、服务退化的部件体积时，必需的已知多道、多层焊接修复过程在修复的部件内创建更高的内应力并且具有在多层之间创建内部道间(inter-pass)缺陷的倾向。已知的多道恢复性焊接工艺比本发明的连续形成的材料恢复工艺的单道焊接工艺具有更低的沉积率(rate)。 [0036] 尽管在文中示出并详细的描述了结合本发明教导的各种实施例，但本领域的技术人员能容易的设计出结合这些教导的许多其它变化的实施例。 |
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