具有表面形貌能量傳遞補(bǔ)償?shù)某蜔岷辖鸺す馊鄹驳闹谱鞣椒?br>【專利說(shuō)明】具有表面形貌能量傳遞補(bǔ)償?shù)某蜔岷辖鸺す馊鄹?br>[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合了與其同時(shí)提交的指定序列號(hào)為13/611144的題名“LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUT1N APPARATUS” 的代理人案號(hào)為2012P09234US的共有的共同未決美國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及通過(guò)激光束焊接來(lái)恪覆(cladding)超耐熱合金部件比如運(yùn)轉(zhuǎn)退化的渦輪葉片和輪葉的方法。更具體地，本發(fā)明方法沿焊接平移路徑將一個(gè)或多個(gè)填充材料層焊接到基板，并調(diào)節(jié)激光能量以補(bǔ)償局部基板形貌(topology)變化，從而促進(jìn)沿所述路徑的均勻或有意修改的能量傳遞率。
【背景技術(shù)】
[0004]燃?xì)廨啓C(jī)或其它超耐熱合金部件的“結(jié)構(gòu)”修復(fù)一般被認(rèn)為是用匹配的合金材料更換受損材料，并獲得與原始制造部件規(guī)格(例如，原始規(guī)格的至少70%極限抗張強(qiáng)度)相近的屬性(比如強(qiáng)度)。例如，優(yōu)選地對(duì)經(jīng)受表面裂紋的渦輪葉片執(zhí)行結(jié)構(gòu)修復(fù)，使得減少進(jìn)一步破裂的風(fēng)險(xiǎn)，并且使葉片恢復(fù)原始材料結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格。
[0005]由于成品葉片材料的冶金屬性，對(duì)用于制造渦輪部件(比如渦輪葉片)的鎳和鈷基超耐熱合金材料的修復(fù)是有挑戰(zhàn)性的。成品渦輪葉片合金通常在鑄造后熱處理期間得以加強(qiáng)，這使得它們難以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)焊接。例如，具有多于6%的聚合鋁或鈦含量的超耐熱合金(比如CM247合金)在受到高溫焊接時(shí)比低鋁-鈦含量的X-750合金更易受到應(yīng)變時(shí)效裂紋的影響。
[0006]當(dāng)前使用的用于超耐熱合金結(jié)構(gòu)制作或修復(fù)的焊接工藝通常涉及在焊接準(zhǔn)備之后基本上熔化基底以及完全熔化焊接桿或添加的其它填充材料。當(dāng)用具有相同或類似合金的填充金屬焊接由這種材料構(gòu)成的葉片時(shí)，葉片在隨后熱處理工藝期間易受到焊縫內(nèi)或附近的凝固(又名熔析)裂紋和/或應(yīng)變時(shí)效(又名再熱)裂紋的影響，隨后熱處理工藝意在使超耐熱合金恢復(fù)原始強(qiáng)度和與新部件相當(dāng)?shù)钠渌牧蠈傩浴?br>[0007]試圖在不會(huì)使下面的超耐熱合金基板熱退化的情況下熔化超耐熱合金填充材料的一個(gè)已知的超耐熱合金連接和修復(fù)方法是激光束焊接，還稱為激光束微熔覆。與超耐熱合金基板兼容或相同的超耐熱合金填充材料(通常粉狀填料)在熔覆工藝期間預(yù)先定位在基板表面上或噴涂在表面上。由固定的光纖激光器(即，除了相對(duì)平移，激光和基板在激光束施加期間具有固定的相對(duì)取向)產(chǎn)生的聚焦的激光光能的“點(diǎn)”區(qū)域液化填充材料，并充分地加熱基板表面，以促進(jìn)填料和基板材料的良好聚結(jié)，填充材料隨后作為熔覆的沉積層凝固在基板表面上。與其它已知的傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光束微熔覆是更低熱輸入工藝，在熔化基板范圍內(nèi)具有比較好的控制和快速凝固，降低了導(dǎo)致先前所述凝固裂紋的傾向。在激光焊接/熔覆期間到超耐熱合金基板的更低熱輸入還使殘余應(yīng)力最小，否則，易于受到先前所述焊后熱處理時(shí)效應(yīng)變裂紋的影響。盡管激光熔覆焊縫具有優(yōu)于傳統(tǒng)形成的焊縫的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，但是與可由任何單次通過(guò)施加的熔覆沉積物填充的相比，實(shí)際制造和修復(fù)現(xiàn)實(shí)要求更大的熔覆表面面積和/或體積覆蓋率。
[0008]為了滿足給超耐熱合金部件添加體積的需求，基板上的激光熔覆沉積物可由相鄰凝固的恪覆通過(guò)(clad passes)的一或二維陣列形成?？墒┘佣鄠€(gè)激光焊接恪覆通過(guò)和層，以構(gòu)建表面尺寸體積。創(chuàng)建激光熔覆沉積物陣列通常在受熱的區(qū)域材料中在沉積材料和下面的基板中導(dǎo)致微裂紋和缺陷。一些缺陷與未熔合(LoF)有關(guān)，未熔合在存在不充分的局部激光光能熱輸入時(shí)是普遍的。如圖1所示，示例性超耐熱合金渦輪葉片20具有葉片主體22。原始一體的鑄造頂蓋和排氣管(squealer)(未示出)通常在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到損壞和侵蝕，并要求清理去除剩余物，以在主體22頂部獲得返工平面23。新的分離頂蓋24由新的匹配鑄造材料機(jī)加工，并放置在返工平面23上。然后，葉片20要求利用一定體積的超耐熱合金填料沿著且直到頂蓋側(cè)26右側(cè)對(duì)損失部分28進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)填充，以恢復(fù)頂蓋的原始結(jié)構(gòu)尺寸，并在返工平面23上熔合頂蓋側(cè)26和葉片主體22兩者。獨(dú)立施加的激光熔覆沉積物或通過(guò)31-36的二維填料焊縫陣列30由已知的激光熔覆方法形成。在單個(gè)沉積物(例如31等)之后，激光束聚焦位置和基板表面相對(duì)彼此移動(dòng)，形成以焊接下一沉積物(例如31等)O
[0009]從圖1所注意到，焊縫陣列30在每個(gè)焊接通過(guò)的角部處呈現(xiàn)未熔合(LoF)。LoF由葉片20基板表面形貌中的一個(gè)或多個(gè)局部變化的組合引起，基板表面形貌變化要求激光光能傳遞對(duì)應(yīng)地變化，以維持期望的熔合，包括:非對(duì)稱散熱屬性；減小的功率密度；以及表面反射率。圖2示意性示出局部表面形貌40變化。先前施加的凝固激光熔覆沉積物50具有由高點(diǎn)52和與基板表面42接觸的邊緣54定界的彎曲表面。沉積物50表示額外的散熱材料，當(dāng)下一激光熔覆沉積物以抵接關(guān)系形成而創(chuàng)建連續(xù)的焊縫線時(shí)，額外的散熱材料必須與下面的基板40—起加熱。另外，彎曲表面52-54擴(kuò)散下一鄰接沉積物的激光束能量傳遞，并減少每單位面積內(nèi)的局部功率密度(例如，瓦特)。潛在地，彎曲表面52-54還改變局部激光光學(xué)反射率，局部激光光學(xué)反射率可由非均勻的填充粉末分布，例如遠(yuǎn)離彎曲表面散射、添加額外的反射率變化來(lái)構(gòu)成。
[0010]當(dāng)以與現(xiàn)有沉積物50處于鄰接、覆蓋關(guān)系施加下一激光熔覆沉積物60時(shí)，新的激光聚焦區(qū)域上的共同均勻施加的功率和/或填充粉末分布不會(huì)施加足夠的局部熔合能量，在覆蓋的區(qū)域52-54中導(dǎo)致低于期望的焊縫。為了補(bǔ)償覆蓋區(qū)域52-54中的“最壞情況”未熔合，在形成沉積物60時(shí)由激光施加的熱能量的總體均勻性增加超過(guò)良好地熔化基板40至先前沉積物邊緣54右側(cè)所需的。這導(dǎo)致裂紋敏感基板材料40的過(guò)熔化、過(guò)加熱和過(guò)應(yīng)力(不必要地引起隨后的熱裂紋和/或應(yīng)變時(shí)效裂紋)。
[0011]通常期望在新近制造或修復(fù)的運(yùn)轉(zhuǎn)退化的超耐熱合金部件(比如渦輪葉片或輪葉)中構(gòu)建超耐熱合金材料尺寸體積。當(dāng)使用已知的激光熔覆方法時(shí)，多個(gè)通過(guò)層施加在先前沉積的多個(gè)通過(guò)層上，以創(chuàng)建所需的構(gòu)建體積。具有固定光學(xué)系統(tǒng)的激光微熔覆要求多個(gè)通過(guò)，以完成典型的修復(fù)構(gòu)建，因?yàn)橐迯?fù)的總體區(qū)域的尺寸相對(duì)于聚焦處的束直徑較大。每個(gè)通過(guò)覆蓋涉及的挑戰(zhàn)性是，確保在每個(gè)構(gòu)建層內(nèi)獲得完全熔合，利用先前施加的下層實(shí)現(xiàn)完全熔合。通常，在已知的固定光學(xué)系統(tǒng)激光熔覆工藝中，焊接凝固晶體取向傾向于在第一新施加層中從垂直于基板偏移，并傾向于在隨后施加的熔覆層中以傾斜增加的角度偏移。微裂紋通常在內(nèi)層結(jié)晶取向中的這種偏移時(shí)發(fā)生。
[0012]因此，本領(lǐng)域中需要一種用于熔覆比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，利用期望的局部熔合沿平移路徑促進(jìn)均勻焊縫。
[0013]本領(lǐng)域中還需要一種用于將多層熔覆到比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，在每個(gè)施加的層內(nèi)利用期望的局部熔合沿平移路徑促進(jìn)形成連續(xù)焊縫。
[0014]本領(lǐng)域中存在的另一需求是一種用于熔覆比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板或下面的先前施加熔覆層的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，在施加層內(nèi)利用期望的局部熔合促進(jìn)多維和/或多層中的均勻焊縫。
[0015]本領(lǐng)域中又需要一種通過(guò)施加多個(gè)激光熔覆層來(lái)構(gòu)建比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的表面的激光焊接方法，其維持從基板穿過(guò)每個(gè)連續(xù)層的外延晶粒生長(zhǎng)，以減少微裂紋的可能性，否則，微裂紋會(huì)隨著熔覆內(nèi)層晶體取向的變化而發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種用于熔覆比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，利用期望的局部熔合沿平移路徑促進(jìn)均勻焊縫。
[0017]另外，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種用于將多層熔覆到比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，在每個(gè)施加的層內(nèi)利用期望的局部熔合沿平移路徑促進(jìn)形成連續(xù)焊縫。
[0018]本發(fā)明的另一目的是創(chuàng)建一種用于熔覆比如渦輪輪葉和葉片的超耐熱合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板或下面的先前施加熔覆層的結(jié)構(gòu)屬性退化的情況下，在施加層內(nèi)利用期望的局部熔合促進(jìn)多維和/或多層中的均勻焊縫。