使用金屬填充焊絲的激光熔覆系統和方法
【技術領域】
[0001]本說明書中所公開的主題涉及激光熔覆系統和方法，并且更具體地，涉及使用金屬填充焊絲的激光熔覆系統和方法。
【背景技術】
[0002]多種工業應用中的金屬和合金部件在制造和/或修復期間通常需要多種涂覆或焊接操作。例如，燃氣渦輪發動機包括燃料噴嘴以將燃燒燃料輸送至燃燒器部件。經過一段時間的延長使用，燃料噴嘴可能經歷劣化，例如在噴嘴尖端的邊緣周圍。通過傳統的熔焊建造金屬層的過程可能需要顯著的熱輸入。此外，如果未被適當地考慮到，焊接過程可能導致渦輪機部件的潛在變形。
[0003]為了減輕熔焊的一些影響，可以使用具有低熱輸入的過程。激光熔覆可以使用足夠低的溫度以用于將噴嘴尖端恢復到正確尺寸，但是使用激光熔覆技術將金屬沉積在噴嘴的邊緣上可能是困難的。此外，如果未被適當地考慮到，輸送粉末金屬可能易于造成粉末損耗和/或環境污染。盡管利用助熔劑可以提供低熔點材料，但是激光加熱可能導致等離子體形成，其中所述等離子體形成使激光中斷并且可能需要補充返修以解決這種中斷。
[0004]因此，備選的激光熔覆系統和方法將在本領域內受到歡迎。
【發明內容】
[0005]在一個實施例中，公開一種激光熔覆系統。該激光熔覆系統包括:金屬填充焊絲，該金屬填充焊絲包括包繞金屬填充芯的金屬殼，其中金屬填充芯包括粉末金屬或細絲金屬中的至少一種；以及激光器，該激光器產生激光束，其中所述激光束被引導至金屬填充焊絲的尖端的至少一部分上，以熔化金屬殼和金屬填充芯，從而產生熔池以用于沉積在基體上。
[0006]在另一個實施例中，公開一種激光熔覆方法。該激光熔覆方法包括提供具有表面的基體以及提供接近該表面的金屬填充焊絲的尖端，其中金屬填充焊絲包括包繞金屬填充芯的金屬殼，并且其中金屬填充芯包括粉末金屬或細絲金屬中的至少一種。該激光熔覆方法還包括將來自激光器的激光束引導至金屬填充焊絲的尖端的至少一部分上，以熔化金屬殼和金屬填充芯，從而在基體的表面上產生熔池。
[0007]基于結合附圖的以下詳細描述，由本說明書中所討論的實施例所提供的這些和另外的特征將得到更全面的理解。
【附圖說明】
[0008]附圖中所闡述的實施例在本質上是說明性和示例性的并且非旨在限制由權利要求所限定的本發明。能夠在結合附圖閱讀時理解對說明性實施例的以下詳細描述，其中相似的結構由相似的附圖標記表示，在附圖中:
[0009]圖1是根據本說明書中示出或描述的一個或更多個實施例的激光熔覆系統的側視圖的不意圖；
[0010]圖2是通過根據本說明書中示出或描述的一個或更多個實施例的圖1的激光熔覆系統沉積的熔覆層的俯視圖；
[0011]圖3是用于根據本說明書中示出或描述的一個或更多個實施例的激光熔覆系統的金屬填充焊絲的橫截面的示意圖；以及
[0012]圖4是根據本說明書中示出或描述的一個或更多個實施例的激光熔覆方法的圖不O
[0013]附圖標記名稱:
[0014]10激光熔覆系統；11熔覆方向；15共同安裝件；20送絲裝置；25金屬填充焊絲；22尖端；26金屬殼；27金屬填充芯；28粉末金屬；29細絲金屬；30激光器；32激光束；34激光光斑；40基體；41表面；45熔覆層；47熔池；100激光熔覆方法；110步驟；120步驟；130步驟；A激光器高度；t殼厚度；d芯直徑。
【具體實施方式】
[0015]下文將對本發明的一個或更多個特定實施例進行描述。為了提供對這些實施例的簡明描述，說明書中可能不會對實際實施方式的所有特征進行描述。應當領會，在任何這種實際實施方式的開發過程中，像在任何工程或設計項目中一樣，必須做出多種實施方式的特定決定，以實現開發者的特定目標(例如遵守系統相關和商業相關的約束)，所述特定目標可能隨著實施方式的不同而發生變化。此外，應當領會，這種開發工作可能是復雜和耗時的，但是無論如何，對于受益于本發明的本領域普通技術人員而言，這是設計、加工和制造的常規任務。
[0016]當介紹本發明的各個實施例的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述”旨在表示具有元件中的一個或更多個。術語“包含”、“包括”和“具有”意為包含性的并且意味著可以具有除所列出的元件之外的元件。
[0017]激光熔覆系統大體包括金屬填充焊絲和激光器。金屬填充焊絲有利于將粉末金屬和/或細絲金屬輸送到由激光器產生的熔池，同時減輕環境成分(例如，污染物)的影響。激光器由此將激光束引導至金屬填充焊絲的尖端的至少一部分上，以熔化金屬填充焊絲的金屬殼和金屬填充芯二者并且在基體上產生熔覆層。通過供給金屬填充焊絲內部的粉末金屬和/或細絲金屬，激光熔覆可以用于沉積清潔、一致的熔覆層，同時利用相對低的激光功率和所施加的熱。現在將在本說明書中更詳細地描述激光熔覆系統和方法。
[0018]現在參照圖1-3，示出了激光熔覆系統10。激光熔覆系統10大體包括金屬填充焊絲25和激光器30。
[0019]金屬填充焊絲25包括包繞金屬填充芯27的金屬殼26。金屬填充芯27和金屬殼26大體包括適于激光熔覆的材料一一即，能夠借助通過激光器產生的激光束的功率而熔化并且隨后與基體40的表面41結合并且固化在該表面41上的材料。基體40可以包括例如任何金屬或合金基體，比如燃氣渦輪機的任何渦輪機部件(例如，內襯、噴嘴、輪葉、葉片、動葉、燃燒器等等)。
[0020]金屬填充焊絲27包括粉末金屬28 (即，能夠配合到金屬填充焊絲25的金屬殼26內的呈粉末形式的金屬)或細絲金屬29 (即，能夠配合到金屬填充焊絲25的金屬殼26內的呈細絲、剛毛或毛發狀形式的金屬)中的至少一種。在一些實施例中，金屬填充芯27可以包括一種或更多種粉末金屬28 ο在一些實施例中，金屬填充芯27可以包括一種類型或更多種類型的細絲金屬29。在甚至一些實施例中，金屬填充芯27可以包括一種或更多種類型的粉末金屬28和一種或更多種類型的細絲金屬29的組合。多種粉末金屬28和細絲金屬29可以包括能夠借助激光束的功率而熔化并且隨后與基體40的表面41結合并且固化到該表面41上的不同或相似的材料。例如，在一些實施例中，金屬填充芯27能夠包括尼莫尼克合金(Nimonic) 263、不銹鋼、镲基高溫合金(superalloy)、镲涂覆的Al2O3、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金或者其它合適的金屬或合金、及其組合。在一些實施例中，金屬填充芯27可以包括一種材料。在其它實施例中，金屬填充芯27可以包括多種材料。在甚至一些實施例中，金屬填充芯27的材料或多種材料中的至少一些可以具有與金屬殼26和/或基體40本身相同的材料組成(即，盡管呈不同形式但仍為相同的材料)。
[0021]此外，金屬填充芯27能夠包括具有均勻或不均勻尺寸的顆粒(即，粉末金屬28)。在一些實施例中，金屬填充芯27能夠包括具有均勻或不均勻尺寸的一根或更多根較小的細絲(即，細絲金屬29)。這種細絲可以各自具有處于例如從大約0.003英寸至大約0.006英寸的范圍內的直徑并且能夠類似地包括尼莫尼克合金263、不銹鋼、鎳基高溫合金、鎳涂覆的Al2O3、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金或者其它合適的金屬或合金、及其組合。在一些特定實施例中，細絲金屬29可以各自包括相同的一種材料。在其它實施例中，細絲金屬29可以包括多種類型的材料。
[0022]在一些實施例中，金屬填充芯27可以包括各自具有至少1300°C的熔化溫度的一種或更多種粉末金屬28和/或細絲金屬29。這種實施例可以有助于防止能夠由于使用較低的熔點成分而形成的爐渣。例如，在甚至一些實施例中，金屬填充芯27可以不具有助熔劑。具體而言，金屬填充芯27可以不具有下述成分，所述成分用于有利于較低溫度熔化和/或其它材料的氧化但是同樣造成爐渣的形成。
[0023]類似于金屬填充芯27，金屬殼26也能夠包括例如尼莫尼克合金263、不銹鋼、鎳基高溫合金、镲涂覆的Al2O3、鈷基高溫合金、鐵基合金或者其它合適的金屬或合金、及其組合。在一些實施例中，金屬殼26可以包括一種材料。在其它實施例中，金屬殼26可以包括多種材料。在甚至一些實施例中，金屬殼26的材料或多種材料中的至少一些可以具有與金屬填充芯27和/或基體40本身相同的材料組成(即，盡管形式不同但仍為相同的材料)。
[0024]金屬填充焊絲25可以包括多種尺寸、形狀和相對構造。例如，在一些實施例中，比如如圖1-3中所示，金屬填充焊絲25可以包括具有包繞金屬填充芯27的圓柱形橫截面的大體管狀金屬殼26。金屬殼26可以備選地或另外地包括橢圓形橫截面、類方形橫截面、類矩形橫截面或者任何其它的幾何形狀或非幾何形狀橫截面。此外，金屬殼26可以大體包括相對于金屬填充芯27的金屬填充焊絲的多種相對厚度。例如，金屬殼26可以包括與芯直徑d相比的殼厚度t，如圖3中所示。在一些實施例中，殼厚度t可以處于從大約0.003英寸至大約0.01英寸的范圍內。在一些實施例中，芯直徑d可以處于從大約0.025英寸至大約0.045英寸的范圍內。
[0025]在一些實施例中，比如如圖1中所示，可以通過送絲裝置20提供金屬填充焊絲25。該送絲裝置可以包括能夠朝向目標沉積區域連續地進給和引導金屬填充焊絲25的任何裝置。在一些特定實施例中，送絲裝置20可以沿熔覆方向11前進，同時進給連續量的金屬填充焊絲25，使得在熔覆層45前進的同時，熔池47具有新材料的恒定供給。
[0026]仍然參照圖1和圖2，激光熔覆系統10還包括激光器30。激光器30能夠包括能產生激光束32并且朝向金屬填充焊絲25的尖端22的至少一部分引導激光束32的任何激光器系統。具體而言，激光器30能夠產生激光束32，該激光束32能夠被引向金屬填充焊絲25的尖端22的至少一部分，以熔化金屬殼26和金屬填充芯27 二者。在一些實施例中，激光器30能夠產生激光束32，該激光束32還被引向基體的表面41的至少一部分。
[0027]激光器30能夠包括能熔化金屬填充焊絲25的金屬殼2