金屬或合金部件的修復或聯結方法和經修復或聯結的部件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明是對 Joseph Liburdi, Paul Lowden 和 Keith Ellison 在標題為"粉末冶金 修復技術"的專利US 5, 156, 321中首先描述的金屬制品的修復或聯結方法的進一步開發， 本發明可以用于修復或聯結金屬材料尤其是渦輪發動機部件。
【背景技術】
[0002] 由鎳、鐵和鈷基超合金制成的渦輪發動機部件通常含有因生產或使用造成的缺 陷。因為這些部件很昂貴，所以非常鼓勵修復它們。對于修復受損的發動機部件，Liburdi 工程有限公司開發出粉末冶金修復技術并申請專利，該技術首先在1992年的美國專利 5, 156, 321中描述，該技術包括：施用填料粉末（該填料粉末由具有與渦輪發動機部件的待 修復區域或連結部相同或相似化學組分的超合金制成），在真空或保護性環境中加熱所述 部件以便固態燒結該填料粉末，導致在修復或連結區域形成多孔結構，然后將渦輪發動機 部件冷卻至室溫。冷卻后，一層由包括硼或硅或兩者兼有的鎳基或鈷基超合金制成的釬焊 材料或粉末隨后被添加到燒結的多孔結構或連結部的表面，然后將所述制品加熱至釬焊溫 度而導致釬焊材料熔化，釬焊材料滲入整個多孔結構一一此時多孔結構和基體金屬保持固 態，燒結填料粉末和液態釬焊材料，然后冷卻并固化所有填料粉末、釬焊材料和基體材料， 產生與渦輪發動機部件的基體材料出色結合的高強度復合狀材料。
[0003] 這種方法已經成功地用于修復由析出硬化超合金制成的在焊接過程中和焊接之 后的熱處理過程中容易裂的渦輪發動機部件。然而，這種工藝由于多次熱處理周期和低生 產率而非常昂貴。因此，要求進一步改進對渦輪發動機部件的修復以使粉末冶金修復的生 產率更高。
【發明內容】
[0004] 根據本發明，提出一種修復或聯結金屬或合金部件，特別是渦輪發動機部件的方 法，該方法包括以下步驟：
[0005] a)向所述金屬或合金部件的待修復或聯結區域施加包括填料粉末的填料粉末膩 子或條帶，所述填料粉末包括含有鋁、尤其是2 % -8 %重量的鋁的超合金，并混有含氧有機 粘結劑；
[0006] b)直接在所述填料粉末膩子或條帶上方施加膏狀、膩子狀或漿液狀的釬焊材料， 所述針焊材料混有有機粘結劑、優選為含氧有機粘結劑；
[0007] c)在真空中加熱以燒去有機粘結劑；
[0008] d)在真空或保護性氣氛中進一步加熱以便在使所述金屬或合金部件的基體材料、 所述釬焊材料和所述填料粉末保持固態的溫度下使填料粉末在基體材料上發生預燒；
[0009] e)在真空或保護性氣氛中進一步加熱至熔滲溫度，允許所述釬焊材料熔滲到整個 預燒的填料粉末中而所述填料粉末和所述基體材料為固體，
[0010] f)在填料粉末和基體材料保持為固態的情況下在所述熔滲透溫度下保溫來進行 液態燒結；
[0011] g)冷卻以進行固化。
[0012] 根據另一優選實施例，所述金屬或合金部件由選自等軸、定向凝固的單晶鐵、鎳或 鈷基超合金的材料制成。
[0013] 優選地，所述方法包括，在步驟a)之前，通過選自機加工、研磨、拋光、噴砂處理、 化學清洗、脫脂的方法在所述金屬或合金部件的待修復或待聯結的區域中露出無缺陷無污 染的基體材料的步驟。
[0014] 在修復渦輪發動機部件的情況下，通常在步驟g)之后，進行從所修復的或聯結的 區域去除多余材料以恢復渦輪發動機部件的初始幾何形狀。
[0015] 在一優選的實施例中，所述步驟c)包括在真空中以1-10°C /min的速率加熱至高 達450 °C的溫度，以燒掉所述有機粘合劑。
[0016] 為了防止由于氣體的快速膨脹而形成多余的空隙和空穴，所述方法包括，在步驟 b)之后以及在步驟c)之前，通過在大氣壓或高壓下加熱至位于25°C和220°C之間的一溫度 來從所述有機粘結劑去除揮發性物質的步驟。
[0017] 為了進行根據優選實施例的方法，所述釬焊材料選自與所述金屬或合金部件具有 基本相同化學成分的合金，并且還包括熔點降低劑，所述熔點降低劑為0. 1-3. 5%重量的 硼、0. 1-12 %重量的硅或兩者兼有。
[0018] 根據另一優選實施例，用于所述填料粉末的含鋁超合金選自含鋁的鎳基超合金、 鈷基超合金和鐵基超合金。其中所含的鋁能夠使得在填料粉末顆粒上形成氧化鋁膜，防止 填料粉末被釬焊材料過早熔滲，以形成具有高機械性能的材料，在豎直位置或倒立位置在 修復表面上保持填料粉末并減少所需的釬焊材料的量。此外，需要鋁來形成γ'相以用于 鎳基超合金的沉積增強。
[0019] 為了使單位體積硼含量最低、生產具有高機械性能的無缺陷材料，所述釬焊材料 的重量與所述填料粉末的重量之比為〇. 2-0. 37。
[0020] 為了在修復區域和連結部實現高水平的機械和氧化性能，根據其他優選實施例， 填料粉末選自下列合金中的一種：包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的W、0-15%重量的 Mo、0-10 %重量的Ta、0-6 %重量的Nb、2-8 %重量的Al、0-6 %重量的Ti、0-5 %重量的Hf、 0-1%重量的Y，其余為Ni以及雜質的合金；包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的W、0-15% 重量的Mo、0-10%重量的Ta、0-6%重量的Nb、2-8%重量的Al、0-6%重量的Ti、0-5%重 量的Hf、0-1%重量的Y，其余為Co以及雜質的合金；包括8-35%重量的Cr、0-15%重量的 W、0-15%重量的Mo、0-10%重量的Ta、0-6%重量的Nb、2-8%重量的Al、0-6%重量的Ti、 0-5 %重量的Hf、0-1 %重量的Y，其余為Fe以及雜質的合金。
[0021] 根據另一優選實施例，所述填料粉末在固態狀態下的預燒在800°C -1500°C，優選 1050°C -1175°C的溫度范圍內進行。所述液態燒結在1050°C -1600°C，優選1190°C -1290°C 的溫度范圍內但是低于基體材料和填料粉末的液相線溫度進行。
[0022] 根據另一優選實施例，為了提高耐磨性，所述填料粉末包含選自金屬氮化物、氧化 物、碳化物、硼化物或它們的混合物的硬質顆粒。
[0023] 根據另一優選實施例，為了提高填料粉末膩子或條帶的密度并且減小修復或聯結 所需的釬焊材料的量，所述填料粉末是具有不同尺寸的金屬粉末顆粒的混合物。
[0024] 為了進一步提高所修復的部件的密度以及質量，本發明的方法還包括，在冷卻所 修復的或聯結的金屬或合金部件例如至環境溫度的步驟g)之后，進行熱等靜壓處理的附 加步驟。
[0025] 根據優選的實施例，所述金屬或合金部件為渦輪發動機部件，選自航空及工業渦 輪發動機的噴嘴導向葉片、壓氣機靜葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片、高壓渦輪葉片、低壓渦輪 葉片、罩環、密封段、殼體、導流盤、燃燒室、火焰筒、燃料噴嘴、歧管。優選地，所述待修復或 待聯結的區域包括護罩、葉尖、葉面、尾緣、前緣、外平臺、內平臺、翼板、內軌、外軌、內凸緣、 外凸緣、耳、唇部、沖擊板、翅片或密封槽。
[0026] 為了在修復或聯結之后恢復金屬或合金部件的初始幾何形狀，根據本發明的方法 包括，在冷卻步驟之后并且可選地在熱等靜壓處理的步驟之后，使用用于基體材料的參數 進行時效熱處理的步驟。
[0027] 為了執行修復渦輪發動機部件的方法，在優選實施例中，所述有機粘結劑為樹脂 和溶劑的混合物，其中所述樹脂選自由丙烯酸樹脂、聚乙烯樹脂和聚酯樹脂構成的組，所述 溶劑選自由含氧乙二醇醚、丙酮、乙醇和水構成的組。
[0028] 在一優選的實施例中，所述方法包括，在步驟g)之后，去除所修復的或聯結的區 域中的缺陷，露出通過液態燒結制得的無缺陷材料。
[0029] 為了修復所修復或聯結的區域中的缺陷而不導致先前使用的釬焊材料的完全再 熔化，根據本發明的優選實施例，所述方法包括，在去除所修復的或聯結的區域中的缺陷、 露出通過液態燒結制得的無缺陷材料之后，向所述的無缺陷材料施加填料粉末膩子或條帶 并且在所述填料粉末膩子或條帶上方施加釬焊合金的步驟，其中所述釬焊合金的固相線溫 度低于釬焊材料的固相線溫度但高于所述金屬或合金部件例如渦輪發動機部件的工作溫 度。優選地，所述釬焊合金選自鎳釬焊合金和鈷釬焊合金。
[0030] 為了制造用于在豎直頭頂上的位置修復發動機部件的粘土狀填料粉末膩子，所述 填料粉末膩子或條帶包括占填料粉末重量的5-15%重量、優選6-8%重量的有機粘結劑。 為了確保利用重力和表面張力更好地施加釬焊材料，所述釬焊材料混有5-15%重量、優選 8-15 %重量的有機粘結劑。
[0031] 用于填料粉末膩子的有機粘結劑和用于釬焊材料的有機粘結劑具有相同或不同 的化學組分。
[0032] 為了防止在低溫儲存、運輸和裝卸期間填料粉末膩子的污染，根據另一優選實施 例，用于填料粉末膩子的有機粘結劑為疏水性的。
[0033] 為了制造具有高氧含量的釬焊材料，根據另一優選實施例，用于釬焊材料的有機 粘結劑為水基粘結劑。
[0034] 為了增強液態燒結，優選地，在步驟f)中，保溫時間為0. 5-24小時。
[0035] 優選地，所述待修復或待聯結的區域由兩個單獨金屬或合金部件的彼此對置的接 合面之間的間隙來限定。
[0036] 根據本發明的另一方面，提供一種金屬或合金部件，尤其是渦輪發動機部件，其具 有利用上述方法修復或聯結的區域。
【附圖說明】
[0037] 現在將參考附圖描述本發明，附圖并不是對本發明的限制。
[0038] 圖1(a)、（b)、（c)和（d)示出了本發明的修復方法，其中：100-基體材料，101-深 裂紋，102-淺的表面缺陷，103-為了修復而對基體材料進行的典型準備，4-填料粉末膩子， 105-釬焊膏，和106-復合狀沉積物，該復合狀沉積物包括固化后的燒結的填料粉末和釬焊 材料。
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