去除中間層材料的高溫合金材料沉積的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明一般設及材料技術領域，并且更具體地沉積高溫合金材料而不開裂的方 法。
【背景技術】
[0002] 取決于被焊接材料的類型，焊接工藝差別很大。一些材料在各種條件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊處理，W實現結構良好的接合，而不使周圍基底材料劣化。
[0003] 人們認識到，由于其對焊接凝固裂紋和應變時效開裂的敏感性，高溫合金材料是 最難焊接的材料之一。術語"高溫合金"在本文中被使用，因為它是本領域通常使用的；即在 高溫下表現出優異的機械強度和耐蠕變性能的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。高溫合金通常 包括高的儀或鉆含量。高溫合金的例子包括在售商標和品牌下合金:化stelloy，Inconel合 金（例如^738、^792、1腳39)，1^116合金（例如1^116服、1^110 8〇、1^116 142)，化71163合金， Mar M，CM 247，CM 247LC，C263,718，X-750，ECY 768,282，X45，PWA 1483和CMSX(例如CMSX- 4)單晶合金。
[0004] -些高溫合金材料的焊接修復已成功完成，通過預熱材料到非常高的溫度(例如 達高于1600°F或870°C)，W在修復過程中顯著增加材料的延展性。運種技術被稱為熱箱焊 接或在升高溫度(SWET)焊接修復的高溫合金焊接，它通常使用手動GTAW工藝完成。然而，熱 箱焊接受到保持均勻的部件處理表面溫度的困難和保持完整的惰性氣體保護的困難W及 在運種極端的溫度下在部件附近工作給操作者施加的身體困難的限制。
[0005] -些高溫合金材料的焊接應用可W使用冷卻板，W限制基底材料的加熱來進行； 從而限制基底熱效應的出現和引起開裂的應力問題。然而，運種技術對于許多零件的幾何 形狀不便于使用冷卻板的修復應用是不實際的。
[0006] 圖1是一個常規的圖，其示出了作為其侶和鐵含量的函數的各種合金的相對焊接 性。合金如inconef'iN7i8,其具有相對較低的運些元素的含量，并必然相對較低的丫基本 含量(prime content)，被認為是相對可焊接的，雖然運種焊接通常被限制到部件的低應力 區域。合金例如Ine〇ll^?IN939具有相對較高的運些元素的含量，通常不被認為是可焊接 的，或只能使用上面討論的特殊步驟被焊接，運增加了材料的溫度/延展性并最小化工藝的 熱輸入。虛線10表示可焊性區域的可識別上邊界。線10在縱軸上與3wt. %的侶相交，在橫軸 上與6wt. %的鐵相交。可焊性區域W外的合金被認為是使用已知工藝非常困難或不可能進 行焊接的，并且具有最高侶含量的合金一般被發現是最難W焊接的，如由箭頭所表示的。
[0007] 還已知的是，利用選擇性激光烙化(SLM)或選擇性激光燒結(SLS)烙融一薄層高溫 合金粉末顆粒到高溫合金基底上。在激光加熱過程中，通過施加惰性氣體，例如氣氣，將烙 池從大氣屏蔽。運些工藝往往捕獲氧化物(例如侶和銘的氧化物），它們附著在沉積材料層 內的顆粒表面上，造成孔隙、夾雜物，和與被困氧化物相關的其他缺陷。后處理熱等靜壓 化IP)經常被用來去除運些空隙、夾雜物和裂縫，W改善沉積涂層的性能。非常薄的層（即 1mm的幾分之一）的高溫合金材料的激光微包覆(microcladding)已經取得了 一定的成功。 然而，運樣的過程是緩慢的，并且因此成本高，并且在非可焊接性區域的高溫合金沉積仍然 是個問題。
【附圖說明】
[0008] 本發明在下面的說明書中基于附圖進行說明，所述附圖示出：
[0009] 圖1是示出了作為其侶和鐵含量的函數的各種合金的相對可焊性的常規圖表。
[0010] 圖2是現有技術材料沉積的剖面圖。
[0011] 圖3A-3D示出了根據本發明的方法的步驟。
[0012] 圖4示出了本發明的一個實施例的步驟。
[0013] 圖5是本發明的部件修復方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 本發明人已開發了一種技術，該技術能夠W遠遠超過現有技術中所實現的層厚度 成功沉積非常難W焊接的高溫合金材料，所沉積的材料還具有有利的定向凝固 (directionally-solidified)晶體結構。本發明人已經認識包覆材料的某些特性，并且已 經開發出本發明來利用運些特性的有利方面，并克服運些特性的有害方面。
[0015] 圖2是通過激光包覆工藝沉積在多晶等軸(equiaxed)基底14上的材料層12的橫截 面圖。在大致平坦表面上的大面積激光包覆傾向于在沉積材料中產生大致垂直于表面的溫 度梯度。對于適度的沉積行進速度，溫度梯度僅稍微從行進進展方向法線偏斜。在沉積材料 主要通過到下層基底的熱損失冷卻時，外延凝固（邱：Uaxial solidification)沿著運樣的 溫度梯度發生。因此，微結構趨向于定向凝固，晶粒大約垂直于基底表面生長。運種效果類 似于定向凝固鑄造工藝，其中鑄模提供具有相對低的熱傳導的壁，并且熱從模具的底部被 提取，W使原料晶粒垂直增長。運種效果在圖2的區域16的大致垂直定向晶粒中被示出。
[0016] 沉積材料12的頂部區域18具有由表面張力作用引起的稍微圓形形狀。而與到基底 的熱損失相比，到周圍大氣的熱損失相對較低，運將沿大致垂直于圓形輪廓的頂部區域18 存在溫度梯度。因此單向凝固在該區域丟失，并且晶粒結構一般是等軸的，如在圖2中所示。 在該第一沉積12上方的材料的第二層沉積(未示出）將趨向于產生更多等軸材料，因為溫度 梯度隨后將垂直于圓形表面。
[0017] 對于難焊高溫合金材料，等軸凝固的發生通常與微裂紋相關聯。本發明人已經發 現，通過多個沉積材料層形成的包層可W靠近基底無裂紋，但在后續層中表現出多種有害 的裂紋。運種開裂原因可能包括等軸材料更可能弱化的晶界面積W及在凝固和沉積收縮過 程中應力可能不利的被定向的可能性的事實。
[0018] 本發明的發明人已經發現，通過在多層包覆過程中包括中間層材料去除步驟，可 W實現甚至更難W焊接的高溫合金材料的無裂紋沉積。特別地，沉積材料層到基底表面上 之后，材料層的等軸材料部分被去除W暴露定向凝固材料的表面。材料去除過程可W是通 過研磨、機加工或有效地去除沉積材料層的上部等軸區域的任何其他工藝，如沉積12的層 18。定向凝固材料的暴露表面然后優選平行于原始基底表面，并垂直于晶粒生長的方向，并 且它已準備好使用另一材料層來包覆。材料去除和沉積步驟然后被重復直到獲得定向凝固 材料的所需厚度。
[0019] -種運樣的方法參照圖3A-3D進行了更詳細的說明。圖3A是沉積在基底22上的合 金材料20的第一層的橫截面圖，例如通過激光包覆工藝。合金材料20和基底22在一些實施 例中可W是高溫合金材料。合金材料20包括定向凝固區域24和等軸區域26。如本文中所使 用的運些區域的名稱并不意圖排除在區域中的其他晶型的一些附帶量，而是表明在區域中 的主要晶體形態。由于正常的表面張力的影響，等軸區域26具有不平行于基底22的表面30 的上表面27。
[0020] 圖3B示出了經歷材料去除工藝之后圖3A的結構，其中等軸區域24已被去除W暴露 定向凝固材料24的表面28。暴露表面28優選是平的，平行于基底22的初始表面30,并垂直于 定向凝固材料24的縱向生長軸線。一些定向凝固材料可W在材料去除步驟中被去除。
[0021] 圖3C示出了合金材料32的第二層已經被沉積到定向凝固表面28之后圖3B的結構。 第二層32還包括定向凝固區域34和上覆等軸區域36。相對平坦的定向凝固表面28提供散熱 器，用于創建在材料沉積過程中生長定向凝固區域34必要的溫度梯度。沒有等軸材料被保 持在定向凝固材料24、34的層間，并且定向凝固因此從層延伸到層。在具有四層一個巧聯樣 品中，定向凝固微觀結構延伸到第四層的近頂端，而利用輕磨削（小于約1mm的材料去除)在 層之間沒有開裂。類似的研磨在多遍一個接一個(side by side)的高溫合金的激光烙覆中 可能是有價值的。
[0022] 圖3D示出了等軸區域36已被去除之后的圖3C的結構，W暴露另一個平面定向凝固 表面38,其可用于實現具有所需厚度的多層包層40所需材料的進一步沉積。不同于現有技 術的高溫合金材料多層包覆，按照本發明的包層40不包括通過其厚度的等軸材料。當基底 表面30是平坦的，或者至少在材料沉積區域合理地平坦時，有可能產生定向凝固材料在基 底22上的包層40,無論基底22是否被定向凝固或等軸化。
[0023] 可選地，層之間的包覆進展方向可W隨著進一步有助于保持定向凝固而改變。采 用緩慢行進速度，溫度梯度僅從行進方向的法線稍微傾斜，從而導致晶粒生長縱向軸線與 基底表面平面之間的小程度的非垂直度。沉積在相同行進方向上的附加層可能會導致進展 性偏斜，運可能最終導致等軸凝固。通過顛倒進展的方向（即首先進入圖3的平面，然后從圖 3的平面離開），偏斜溫度梯度將在層之間切換并且從而在垂直方向上保持凝固。在各種實 施例中，沉積方向可W在每層之間顛倒，或一些多個層可W在顛倒之間進行沉積。
[0024] 圖4示出了根據本發明的實施例可用于沉積高溫合金材料的材料沉積工藝（例如 圖3A的層20或圖3C的層34)。在圖4中，基底50正經歷焊劑輔助激光包覆工藝。基底