用于結(jié)合材料的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]應(yīng)用疲勞可導(dǎo)致各種金屬、陶瓷以及合金構(gòu)件(例如，超級(jí)合金)經(jīng)歷磨損。例如，裂紋、磨蝕、腐蝕、和/或多種其他狀況可導(dǎo)致原始基底材料的消除或磨損。為了修復(fù)磨損的構(gòu)件，可添加(例如，焊接)填充物材料來(lái)填充到裂紋中、修補(bǔ)磨蝕、和/或以其他方式替換腐蝕損失的材料。同樣地，在將兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件結(jié)合在一起時(shí)，可將填充物材料添加至構(gòu)件中的一個(gè)或更多個(gè)的原始基底材料。與基底材料相同或相似的填充物材料可用于提供橫跨修復(fù)的和/或結(jié)合的構(gòu)件的相對(duì)堅(jiān)固的均勻的機(jī)械屬性。
[0002]當(dāng)填充物材料是具有相對(duì)高的熔化溫度的相對(duì)高溫性能合金(即，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)熱的氣體路徑中使用的鎳和/或鈷基超級(jí)合金)時(shí)，必須在可將填充物材料應(yīng)用至原始基底材料之前將相對(duì)大的能量應(yīng)用施加至填充物材料。但是，用于熔化填充物材料的大量的輻射熱(例如通過(guò)焊接設(shè)備產(chǎn)生的)也可影響原始基底材料。例如，輻射熱的沖擊可對(duì)原始基底材料的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致塌陷、熔化、再結(jié)晶、晶粒生長(zhǎng)和/或其他改變。原始基底材料中的這種改變可降低被修復(fù)和/或結(jié)合在一起的(多個(gè))構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性和/或其他機(jī)械屬性。而且，輻射熱在原始基底材料上的沖擊可導(dǎo)致填充物材料和原始基底材料之間的接頭在冷卻期間開裂，這通常稱為“熱拉裂”。
[0003]雖然可備選地使用帶有較低熔化溫度的填充物材料，但是這種填充物材料可提供在高溫下的較低性能，和/或具有與原始基底材料的機(jī)械屬性愈加不同的機(jī)械屬性。例如，釬焊工藝可對(duì)原始基底材料傳遞較少的熱。但是，釬焊材料的熔點(diǎn)必須比原始基底材料的熔點(diǎn)低，這可要求以如下的量使用熔點(diǎn)抑制元素(例如硅和/或硼)，該量導(dǎo)致形成有害地影響修復(fù)和/或結(jié)合的(多個(gè))構(gòu)件的機(jī)械屬性的相對(duì)大量的脆性金屬間相。需要允許使用相對(duì)高的熔化溫度的填充物材料而不導(dǎo)致原始基底材料的問(wèn)題的技術(shù)和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種方法以用于將填充物材料結(jié)合至基底材料。該方法包括:在坩禍的熔化室內(nèi)熔化填充物材料，使得填充物材料熔化；通過(guò)電磁地使熔化室內(nèi)的填充物材料懸浮來(lái)將填充物材料保持在坩禍的熔化室內(nèi)；和從坩禍的熔化室釋放填充物材料，來(lái)將填充物材料輸送至基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)。
[0005]在另一實(shí)施例中，提供一種系統(tǒng)以用于將填充物材料結(jié)合至基底材料。該系統(tǒng)包括具有用于保持填充物材料的熔化室的坩禍。坩禍包括流體地連接至熔化室的出口。加熱元件操作地連接至坩禍，以用于加熱坩禍的熔化室內(nèi)的填充物材料。加熱元件構(gòu)造為熔化熔化室內(nèi)的填充物材料，使得填充物材料熔化。流控制機(jī)構(gòu)操作地連接至坩禍，以用于控制穿過(guò)熔化室的出口的填充物材料的流。流控制機(jī)構(gòu)構(gòu)造為電磁地使熔化室內(nèi)的填充物材料懸浮，來(lái)將填充物材料保持在熔化室內(nèi)。
[0006]在另一實(shí)施例中，提供一種方法以用于將填充物材料結(jié)合至基底材料。該方法包括:提供坩禍的熔化室內(nèi)的熔化的金屬填充物材料；和由線圈產(chǎn)生第一磁場(chǎng)，該線圈繞熔化室延伸，來(lái)感應(yīng)與第一磁場(chǎng)相反的填充物材料內(nèi)的第二磁場(chǎng)，其中，相反的第一和第二磁場(chǎng)將填充物材料保持在坩禍的熔化室內(nèi)。該方法還包括從坩禍的熔化室釋放填充物材料，來(lái)將填充物材料輸送至基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是用于將填充物材料結(jié)合至基底材料的示范實(shí)施例的示意圖。
[0008]圖2是在圖1中顯示的系統(tǒng)的噴嘴的示范實(shí)施例的剖面圖。
[0009]圖3是在圖1中顯示的系統(tǒng)的感應(yīng)線圈的示范實(shí)施例的透視圖。
[0010]圖4是在圖1中顯示的系統(tǒng)的感應(yīng)線圈的另一示范實(shí)施例的透視圖。
[0011]圖5是在圖1中顯示的系統(tǒng)的另一示意圖。
[0012]圖6是示出用于將填充物材料結(jié)合至基底材料的方法的示范實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]某些實(shí)施例的下列詳細(xì)描述將在結(jié)合附圖閱讀時(shí)更好地理解。應(yīng)當(dāng)理解的是，各種實(shí)施例不限于在附圖中顯示的布置和工具。
[0014]如在本文中所使用的，以單數(shù)敘述并且前綴單詞“一”或“一個(gè)”的元件或步驟應(yīng)當(dāng)理解為不排除復(fù)數(shù)個(gè)所述元件或步驟，除非明確地聲明這種排除。而且，對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”的引用不意圖理解為排除也包括敘述的特征的附加實(shí)施例的存在。而且，除非相反地明確地陳述，否則“包括”或“包含”具有特定屬性的一個(gè)元件或多個(gè)元件的實(shí)施例可包括附加的不具有該屬性的這種元件。
[0015]各種實(shí)施例提供用于將填充物材料結(jié)合至基底材料的方法和系統(tǒng)。各種實(shí)施例可提供在常規(guī)的結(jié)合和修復(fù)技術(shù)的機(jī)械屬性中的改進(jìn)。各種實(shí)施例可包括，在坩禍的熔化室內(nèi)熔化填充物材料，使得填充物材料熔化，從而通過(guò)電磁地使熔化室內(nèi)的填充物材料懸浮來(lái)將填充物材料保持在坩禍的熔化室內(nèi)，并且從坩禍的熔化室釋放填充物材料，來(lái)在熔化流中將填充物材料輸送至基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)。填充物材料可在遠(yuǎn)離基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)的遠(yuǎn)距離處熔化，使得填充物材料的熔化不導(dǎo)致基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)升高到高于目標(biāo)地點(diǎn)的固相線和/或再結(jié)晶溫度?？稍谶B續(xù)流中將熔化的填充物材料輸送至基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)。各種實(shí)施例可提供流控制機(jī)構(gòu)，其使用電磁懸浮并且允許真空和不活潑氣體和/或結(jié)合操作。
[0016]各種實(shí)施例的技術(shù)效果可包括:減少或消除熔點(diǎn)抑制劑在填充物材料中的使用；減少施加在基底材料上的過(guò)量熱量；和/或輸送填充物材料以用于構(gòu)件修復(fù)，而沒(méi)有填充物材料污染物。例如，各種實(shí)施例的技術(shù)效果可提供相對(duì)清潔的熔化填充物材料的輸送，以用于連續(xù)的構(gòu)件修復(fù)而沒(méi)有填充物材料污染物并且/或者用于重鑄修復(fù)而沒(méi)有填充物材料污染物。而且，各種實(shí)施例的技術(shù)效果可包括，在(例如陶瓷坩禍的)熔化室內(nèi)熔化填充物材料(例如，超級(jí)合金填充物材料)，而沒(méi)有熱沖擊、機(jī)械故障、和/或熔化污染物(例如，來(lái)自熔化室)。各種實(shí)施例的技術(shù)效果可包括允許如下構(gòu)件的修復(fù)，該構(gòu)件之前因?yàn)闆](méi)有修復(fù)技術(shù)可利用來(lái)恢復(fù)構(gòu)件的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和/或?qū)傩远惶鎿Q。而且，各種實(shí)施例的技術(shù)效果可包括允許用于鑄造相對(duì)高質(zhì)量子構(gòu)件的備選制造選項(xiàng)，該子構(gòu)件可然后與具有與基底材料接近、相似、和/或相同的機(jī)械屬性的接頭結(jié)合。
[0017]如在本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“構(gòu)件”可為具有任何結(jié)構(gòu)、任何尺寸以及任何幾何結(jié)構(gòu)的任何類型的構(gòu)件，其允許熔化的填充物材料向構(gòu)件的基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)的應(yīng)用。例如，構(gòu)件可包括相對(duì)平坦的修復(fù)表面，其在目標(biāo)地點(diǎn)處具有空隙。該空隙可由于各種應(yīng)用疲勞而出現(xiàn)，應(yīng)用疲勞例如但不限于裂紋、摩擦、磨蝕、腐蝕、可導(dǎo)致構(gòu)件的基底材料的消除和/或磨損的其他狀況等。而且，在一些實(shí)施例中，構(gòu)件包括一個(gè)或更多個(gè)曲面、轉(zhuǎn)角、臂部、接頭等?？墒褂迷诒疚闹忻枋龊?或示出的各種實(shí)施例修復(fù)和/或結(jié)合的構(gòu)件的實(shí)例，包括但不限于，使用鑄造工藝制作的構(gòu)件、航空器構(gòu)件、航空器發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件(例如，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)葉)、翼形件(例如，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片)、噴嘴(例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶體噴嘴)等。
[0018]構(gòu)件的基底材料可包括使得基底材料能夠具有在一個(gè)或更多個(gè)位置(S卩，目標(biāo)地點(diǎn))處結(jié)合(例如，接觸并隨后粘結(jié))至其的熔化填充物材料的任何(多種)物質(zhì)。例如，基底材料可包括但不限于金屬、合金、陶瓷、超級(jí)合金等。在一個(gè)實(shí)施例中，基底材料包括相對(duì)少量的，或不包括娃。在一些實(shí)施例中，基底材料包括镲基超級(jí)合金，例如但不限于，在用于相對(duì)熱的氣體路徑應(yīng)用等的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鎳基超級(jí)合金。例如，基底材料可包括商業(yè)上可獲得的ReM ?N5合金。而且，在一些實(shí)施例中，基底材料包括鈷基超級(jí)合金，例如但不限于，在用于相對(duì)熱的氣體路徑應(yīng)用等的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鈷基超級(jí)合金。構(gòu)件的基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)可為意圖添加填充物材料的任何(多個(gè))位置。例如，目標(biāo)地點(diǎn)可包括裂紋、多個(gè)構(gòu)件或子構(gòu)件之間的接縫、磨蝕、腐蝕區(qū)域等。
[0019]圖1是用于在基底材料14的目標(biāo)地點(diǎn)18 (在圖5中顯示)處，將填充物材料12結(jié)合至構(gòu)件16(在圖5中顯示的)的基底材料14(在圖5中顯示)的系統(tǒng)10的示范實(shí)施例的示意圖。如將在下面所描述的，系統(tǒng)10可布置在離基底材料14的目標(biāo)地點(diǎn)18的遠(yuǎn)距離％(在圖5中顯示)處。如在本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“遠(yuǎn)距離”包括在目標(biāo)地點(diǎn)18和系統(tǒng)
10(例如加熱元件20、坩禍22、和在坩禍22中的任何熔化填充物材料12)之間的任何距離，其足夠大使得目標(biāo)地點(diǎn)18不因來(lái)自系統(tǒng)18的輻射能量而升高高于目標(biāo)地點(diǎn)18的固相線和/或再結(jié)晶溫度。
[0020]系統(tǒng)10包括坩禍22、加熱單元24以及流控制機(jī)構(gòu)74。加熱單元24包括加熱元件20。坩禍22構(gòu)造為保持填充物材料12。具體地，坩禍22包括熔化室26。熔化室26構(gòu)造為，在填充物材料12熔化并因而轉(zhuǎn)變成熔化狀態(tài)時(shí)，在其中保持填充物材料12。熔化室26構(gòu)造為，在熔化的填充物材料12輸送至基底材料14之前，在其中至少臨時(shí)地保持填充物材料12。
[0021]坩禍22可包括如下的任何(多種)物質(zhì)，該物質(zhì):允許在填充物材料12熔化時(shí)，熔化室26在其中保持填充物材料12 ;允許熔化室26在其中至少臨時(shí)地保持熔化填充物材料12。坩禍22的適當(dāng)物質(zhì)的實(shí)例包括但不限于，氧化物、碳化物、氮化物、氧化鋁基陶瓷、氧化鋁、多孔氧化鋁、氮化硼、石英、陶瓷、耐火陶瓷、金屬冷爐膛、對(duì)感應(yīng)熱易感的物質(zhì)等。盡管顯示為具有圓錐形柱的形狀，此外或備選地，坩禍22可包括允許坩禍22如在本文中描述和/或示出地起作用的任何其他形狀。在一些實(shí)施例中，坩禍22構(gòu)造為對(duì)相對(duì)快速的加熱耐熱沖擊，并且足夠堅(jiān)固且不活潑來(lái)包含至少大約1550°C下的熔化的填充物材料12 (例如，GTD444合金、Rene ? 142合金、和N5合金)至少大約30分鐘。坩禍22的熔化室26可具有任何容量，例如但不限于，多于大約30克等。例如，對(duì)于各自使用大約2克或少于大約2克的修復(fù)和/或結(jié)合操作、熔化室26的30克容量可允許直到四或五個(gè)單獨(dú)的修復(fù)和/或結(jié)合操作，例如因?yàn)榭尚枰A(yù)定量的填充物材料12剩余在熔化室26中，來(lái)允許電磁懸浮和/或熔化的調(diào)整。
[0022]填充物材料12可包括如下的任何(多種)物質(zhì)，該物質(zhì):使得填充物材料12能夠電磁懸浮、轉(zhuǎn)變成完全熔化狀態(tài)(即，加熱至高于填充物材料12的液相線的狀態(tài))、在熔化狀態(tài)下輸送至基底材料14、和與基底材料14結(jié)合。在一些實(shí)施例中，使填充物材料12過(guò)熱200°C或更高。填充物材料12可能能夠在連續(xù)熔化流中輸送至基底材料的目標(biāo)地點(diǎn)18。可包括在填充物材料12內(nèi)的物質(zhì)的實(shí)例包括但不限于、含鐵物質(zhì)、不含鐵物質(zhì)、金屬物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)、金屬、合金、陶瓷、超級(jí)合金等。在一些實(shí)施例中，填充物材料12包括相對(duì)較少量的娃，或不包括娃。在一些實(shí)施例中，填充物材料12包括镲基超級(jí)合金，例如但不限于，在用于相對(duì)熱的氣體路徑應(yīng)用等的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鎳基超級(jí)合金。例如，填充物材料12可包括商業(yè)上可獲得的ReM ?N5合金或商業(yè)上可獲得的ReM ? 142合金。而且，在一些實(shí)施例中，填充物材料12包括鈷基超級(jí)合金，例如但不限于，在用于相對(duì)熱的氣體路徑應(yīng)用等的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鈷基超級(jí)合金。如上所述，填充物材料12能夠電磁懸浮?，F(xiàn)在已知的能夠電磁懸浮的物質(zhì)包括但不限于、含鐵物質(zhì)、不含鐵物質(zhì)、金屬物質(zhì)、和導(dǎo)電物質(zhì)。但是，填充物材料12可包括其他物質(zhì)或完全由其他物質(zhì)制成(例如，不導(dǎo)電物質(zhì)、非金屬物質(zhì)等)，