修理渦輪機部件的方法

專利名稱：修理渦輪機部件的方法
技術領域：
本發明涉及修理金屬部件損壞部分的方法，并涉及修理過的金屬部件。更具體而言，本發明涉及修理渦輪機部件的方法，并涉及修理過的渦輪機部件。
背景技術：
功率產生裝置的某些部件，例如渦輪機發動機，在裝置的熱氣體通道中操作。在氣體渦輪機發動機的渦輪機部分中，部件經常經受極端的溫度和燃燒氣體中存在的污染物，該污染物產生于來自熱膨脹的周期荷載以及熱氣體流的磨損。作為在此種環境下操作的結果，渦輪機部件的暴露部分易發生退化。不同形式的退化可以包括但不限于例如在渦輪機部件的翼面和側壁表面的氧化效應、裂縫產生和/或腐蝕和磨損。這些類型的退化可能導致渦輪機操作效率的喪失，以及由于與其分離和接觸，有可能損壞位于退化部分的下游的部件。
在航空和發電工業中，修理昂貴的發動機部件比替換它們變得更經濟。修理和恢復損壞的部分防止了災難性的故障，提高了整個氣體渦輪機的效率，并降低了操作成本。為提供充分的修理和恢復，該工藝應該能夠將表面恢復到其原始的尺寸，同時提供結構上牢固的結構。而且，修理的周期應該最短。為了進行修理和恢復，典型地例如通過研磨、切割、機械加工、刨削、激光燒蝕等除去全部損壞的部分，使得相容的填料材料能夠被堆焊或涂覆。然后堆焊填料材料以代替除去的部分。對于修理，填料材料與母材或基底金屬的充分粘結是重要的考慮因素。理想的是，填料材料應該提供與母材金屬相似的物理和機械性能。另外，由于填充材料和渦輪機部件將要面對苛刻的操作條件，希望填料材料表現出充分的耐腐蝕性和耐環境性能。也希望修理渦輪機部件的工藝不損壞超出修理的部分的周圍和延伸區域。
目前的修理工藝典型地包括單個裂縫(如果可見)的焊接修理或將新材料樣片焊接到除去損壞部分形成的凹陷處而代替損壞部分。通常，焊接修理裂縫或通過把它們熔化和熔合在一起而將新材料的樣片連接到母材部件上。為了熔合金屬，集中的熱源直接施加到連接區域。該熱源為高溫，以便熔化母材金屬和填料金屬(金屬被連接)。因為焊接熱是強烈的，將其均勻地施加到很寬的區域是不切實際的。
不幸的是，由于不均勻集中加熱和使用的高溫，焊接工藝可以引起要修理的渦輪機部件顯著的變形，這是因為由非均勻集中加熱引起的穿過渦輪機部件的嚴重的熱梯度；焊接工藝可以有害地鎖定內應力(lock in internalstress)；焊接工藝可以導致次級開裂(secondary crack)；焊接工藝難以修理臨近渦輪機部件冷卻孔(cooling hole)(例如噴嘴)的損壞部分而不影響孔本身；而且焊接工藝可能需要相當多的時間和人工來實施修理。
除了這些可能由焊接引起的問題以外，作為良好的焊接實踐的一部分，在特定的條件下可能需要預熱步驟。預熱步驟的目的是防止氫引起(hydrogen-induced)的開裂；該類型的開裂在焊接已經冷卻后出現，并通常從焊接的焊邊或其它焊接缺陷發展。這樣的裂縫難以發現，并且特別當焊接位于高應力區域時，可能對渦輪機部件的使用壽命有害。來自預熱的升高的溫度增加了氫的擴散，并將氫烘焙到焊接外。預熱也允許焊接的冷卻速度更低，防止過度失去在焊接和基底金屬熱影響區域中的延展性。當然，預熱也顯著增加了渦輪機部件的修理開銷和時間。
而且，在焊接工藝引起變形的這些情況下，渦輪機部件可能需要進行機械力和/或熱處理，以消除變形引起的應力。渦輪機部件是嚴格規范的，而且在修理和恢復完成后，保持原始的形狀和原始的規格是重要的。
由此，存在改進對損壞的渦輪機部件的修理和恢復工藝的需要。

發明內容
這里公開的是修理渦輪機部件的方法，包括將釬焊材料(brazingmaterial)的預制品鋪(overlay)到渦輪機部件的表面，其中該表面包括損壞的部分；將釬焊材料預制品固定到表面上；加熱渦輪機部件至釬焊材料和渦輪機部件間形成有效的釬焊連接的溫度。
在另一實施方式中，修理渦輪機部件的方法包括從渦輪機部件的表面除去損壞的部分，以在表面形成凹陷的部分將至少一種釬焊材料預制品固定到凹陷部分，其中，該預制品的側向尺寸(lateral dimension)與凹陷部分的側向尺寸大致相等；加熱渦輪機部件至溫度從而足以在釬焊材料和渦輪機部件間形成釬焊連接。
通過下面詳細的描述和附圖，對上述內容和其它特征加以說明。


圖1為修理渦輪機部件的工藝流程圖；圖2圖解了釬焊之后、研磨之后的基材和對比基材(witness)；圖3圖解了噴嘴部件的釬焊修理；和圖4為測試不同釬焊連接抗拉強度的測試結構的平面圖。
具體實施例方式
本發明涉及修理渦輪機部件損壞部分的釬焊方法。該方法通常包括將釬焊材料預制品鋪到渦輪機部件的表面上，其中所述表面含有損壞的部分；將釬焊材料預制品點焊到所述表面上；以及加熱渦輪機部件至在釬焊材料和渦輪機部件間形成有效釬焊連接的溫度。該修理方法優選還包含機械加工經點焊的釬焊材料，使渦輪機部件恢復其原始的尺寸。
根據另一實施方式，釬焊方法包含從渦輪機部件移除損壞的部分，以在表面形成凹陷部分；將釬焊材料的至少一種預制品插入凹陷部分，其中該至少一種預制品的側向尺寸與凹陷部分的側向尺寸相等；點焊該至少一種預制品到該凹陷部分；以及加熱渦輪機部件到在釬焊材料和渦輪機部件間足夠形成釬焊連接的溫度。可以加入同時機械加工的或單獨制造的其它預制品，以提供完全填充凹陷的足夠的厚度。優選稍微過量填充的預制品焊著在凹陷部分，然后對其進行機械加工，以便渦輪機部件恢復至其原始的尺寸。
現在參考圖1，解釋了實例性的工藝流程。該工藝流程包括渦輪機部件的冶金學分析，以便確定損壞部分。一旦確定了損壞部分，分割出(section)相容的釬焊材料預制品，以便具有足夠的區域來完全覆蓋損壞部分。取決于渦輪機的功能和操作條件，渦輪機部件可以由多種材料制成。可以制造氣體渦輪機的典型材料是鎳基超級合金。選擇釬焊材料以與形成渦輪機部件的金屬相容。
預制品是精確量的釬焊合金，確保每次使用所需要的精確的體積。因為恰當量的合金填充了損壞區域，這通常導致不合格部分的減少。預制品優選通過使釬焊粉末燒結成最符合每種應用的理想的形狀而制造。本方法并不是要限于具體合金的預制品。合適的預制品可從Aerospace InternationalMaterials公司購買。
合適的制造預制品的釬焊材料是兩種或多種純金屬制成的合金。釬焊材料的物理性質取決于冶金學組成。該組成決定釬焊材料是否與要修理的金屬相容-能夠潤濕它們并完全流經連接區域和/或裂縫而不形成有害的冶金學化合物。熔體行為也基于冶金學組成。因為大部分釬焊材料是合金，它們通常不象純金屬那樣熔化，即在一個溫度下從固體轉變為液體，例外的是那些在熔化時形成低共熔物(eutectics)的金屬合金組成。在冶金學術語中，低共熔釬焊材料具有同樣的熔點(固相線)和流動點(液相線)。
然后將釬焊材料預制品點焊到表面上，以允許進一步處理渦輪機部件以進行損壞部分的修理。電阻焊接等可以用于將釬焊材料預制品點焊到表面上。點焊量優選保持最小，以便防止渦輪機部件的變形損壞。
包含經點焊預制品的渦輪機部件然后進行釬焊工藝，以在損壞部分形成釬焊連接。在優選的實施方式中，釬焊過程在熔爐中進行。優選熔爐配備真空和氣體容積(gas capabilities)。真空釬焊優選在大約10-3～10-6毫巴的壓力和高于600°F的溫度下進行，其進一步有助于防止金屬部件的氧化。壓力更優選在大約10-4毫巴。在這些條件下，通常不使用焊劑(flnx)。
在釬焊過程中溫度優選在預定的時間期間逐步增加，接著逐步冷卻以形成釬焊連接(braze joint)。應該指出，與焊接不同，釬焊不熔化渦輪機部件的基體或母材金屬。所以釬焊溫度始終低于基體金屬的熔點。但是選擇釬焊材料，即合金組成，以便在比渦輪機部件的基體金屬低的溫度下熔化。釬焊材料的熔點優選小于大約25℃，更優選小于大約50℃，甚至更優選小于100℃，最優選小于大約200℃。釬焊材料在熔化時，優選潤濕基底金屬的表面，填充損壞部分的任何空隙和裂縫，并流入預制品和渦輪機部件形成的接觸面內。在進一步機械加工和冷卻過程中，在渦輪機部件基底金屬和釬焊材料間形成釬焊連接。
完成釬焊過程后，接著優選將表面機械加工為其適當的外形。優選表面機械加工為渦輪機部件規定的原始尺寸。雖然任選，當認為在表面上的階梯高度差(step height difference)是渦輪機部件的缺陷時，可能需要機械加工。優選，機械加工過程不過度升高渦輪機部件的溫度。
在可選擇的實施方式中，損壞部分從渦輪機部件除去，以形成渦輪機部件的凹陷。優選只除去損壞部分。損壞部分的除去可以使用許多不同的方法實施，例如通過冶金學分析并確定渦輪機部件的損壞部分，可以使用研磨工藝從渦輪機部件除去損壞部分。然后釬焊材料的一種或多種預制品切成除去部分的側向尺寸，并點焊進凹陷中。在點焊的預制品和渦輪機部件間形成的焊縫可以任選地用熔合劑(fluxing agent)覆蓋。然后，開始釬焊循環，以在釬焊材料和渦輪機部件間形成釬焊連接，例如渦輪機部件進行如圖2所示的加熱處理。
任選地，渦輪機部件首先進行清洗步驟。取決于使用的釬焊方法類型，清洗步驟可以利用許多形式或結合，例如堿洗、酸洗、氣體凈化、脫脂劑、包含上述至少一種清洗方法的結合等。使用的清洗方法的選擇將取決于待修理的部分和希望形成釬焊連接的釬焊方法類型。清洗步驟也可以包含輕噴鋼砂(light grit blasting)處理，以選一步除去來自清洗步驟的污漬等。清洗步驟優選在升溫下進行，促進與各種清洗方法相聯系的化學反應增大。
還任選地，在釬焊步驟前使用保護氣體，防止金屬氧化物形成。例如，在高溫真空熔爐釬焊中，優選使用惰性氣體幫助降低在暴露的表面上金屬氧化物的形成。該惰性氣體不必具有還原效果，其防止金屬氧化物的形成就足夠了。但是，優選使用選自還原性的氣體例如H2，代替惰性氣體。如果使用還原氣體，通過與惰性氣體的還原組分的化學反應，除去存在的任何金屬氧化物。反應的程度通常取決于金屬氧化物的鍵焓(boad enthalpy)和惰性氣體的干燥性。
提供下面的實施例來解釋本發明的一些實施方式。它們并不是要以任何方式限制本發明。
實施例1在該實施例中，使用預燒結的釬焊材料預制品和金屬合金基材，模擬渦輪機部件的修理。將來自Howmet Castings的商品名FSX414的市購的1英寸×1英寸的空腔研磨成合金基材。預燒結的預制品是從AerospaceInternational Materials公司市購的商品名X40/D15的釬焊合金。作為預制品得到的釬焊合金具有以下尺寸4英寸×英寸×60密耳(mil)。圖1解釋了釬焊預制品到FSX414基材的過程。在機械加工前，FSX414基材在2100°F下暴露于氫氣中大約2小時。另外，將糊劑(paste)施加到點焊的預制品和基材之間形成的焊縫中。然后，逐步加熱基材和預制品，從大約室溫升至大約2100°F，并冷卻至室溫。得自Praxair公司的所涂釬料填料金屬糊劑包含分布在粘合劑中的釬焊合金組合物，具有90∶10的金屬對粘合劑比例。在或大約釬焊溫度下，粘合劑蒸發，留下釬焊合金熔化并進一步密封釬焊的預制品和基材之間的焊縫。冷卻時，檢查修理的基材。圖3描述的顯微照片為釬焊步驟后的基材，和研磨使基材恢復到原始尺寸后的基材。在研磨后，基材在1800°F熔爐中暴露500循環。提供了對比基材(witness substrate)以比較。
實施例2在該實施例中，一部分噴嘴除去了，并進行如實施例1的釬焊步驟。在釬焊后，該表面機械加工為其原始尺寸。圖3是噴嘴部分的平面圖，并確定了替換部分的位置。顯微照片觀察清楚地表明孔基本未受釬焊步驟的影響。
實施例3在該實施例中，在室溫和1500°F下測量了抗拉強度。測試結構尺寸如圖4所示。FSX414合金作為基體金屬。釬焊合金是X40/D15合金。按照實施例1中定義的釬焊步驟而形成釬焊連接。對具有和不具有釬焊連接(母體部件自身和按測試結構的尺寸配置的形狀)的測試結構進行對比。在Instron型號1125的螺旋驅動架(screw driven frame)中，以0.02英寸/分鐘測量抗拉強度。結果如表1所示，其清楚地表明與母體材料自身相比，釬焊材料的抗拉強度、屈服應力和延伸率大致相同或更高。結果解釋了與母體結構相比，釬焊連接提供了結構相當或更好的結構穩固性。
權利要求
1.一種修理渦輪機部件的方法，包括將釬焊材料的預制品鋪到渦輪機部件的表面，其中所述表面包含損壞的部分；將釬焊材料預制品固定到所述表面上；加熱所述渦輪機部件至在釬焊材料和渦輪機部件間形成有效釬焊連接的溫度。
2.根據權利要求1的方法，還包括機械加工渦輪機部件，以將渦輪機部件恢復到原始尺寸。
3.根據前述權利要求中任意一項的方法，還包括將預制品點焊到渦輪機部件之前，用惰性氣體保護渦輪機部件。
4.根據前述權利要求中任意一項的方法，還包括將預制品點焊到渦輪機部件之前，用還原氣體保護渦輪機部件。
5.根據權利要求4的方法，其中所述還原氣體是氫氣。
6.根據前述權利要求中任意一項的方法，其中所述加熱渦輪機部件包括溫度逐步加熱至高于釬焊材料的熔化溫度并低于渦輪機部件的熔化溫度。
7.根據前述權利要求中任意一項的方法，其中所述釬焊材料包含兩種或多種金屬的合金或超級合金。
8.根據前述權利要求中任意一項的方法，其中所述加熱渦輪機部件包括真空和惰性氣氛。
9.根據前述權利要求中任意一項的方法，其中所述將預制品固定到表面上包含點焊。
10.使用前述權利要求中任意一項的方法的修理過的渦輪機部件。
全文摘要
一種修理渦輪機部件的方法，包含將釬焊材料的預制品罩面到渦輪機部件的表面，其中該表面包含損壞的部分；將釬焊材料預制品固定到表面上；加熱渦輪機部件至在釬焊材料和渦輪機部件間形成有效的釬焊連接的溫度。還公開了使用該方法修理的渦輪機部件。
文檔編號F01D25/00GK1572406SQ20041004926
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月7日 優先權日2003年6月13日
發明者帕扎揚納·R·薩布拉馬尼安, 詹姆斯·A·魯德, 勞倫特·克里特格尼 申請人:通用電氣公司