使用具有碳結(jié)構(gòu)的釬焊材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，尤其是涉及使用包含碳結(jié)構(gòu)的釬焊材料以用于基底增強(qiáng)或基底連接的方法，基底為例如高溫合金和鈦基基底。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)是本領(lǐng)域公知的。燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域中正在不斷追求的是增強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱效率。已完成的一種方式是通過耐溫材料的不斷發(fā)展，或可以在高溫下長時(shí)間保持其結(jié)構(gòu)完整性的材料。例如，已經(jīng)開發(fā)出可承受更高工作溫度的單晶(SX)合金。相信這是部分歸因于一種事實(shí)，即由于缺少晶界，單晶結(jié)構(gòu)比多晶渦輪葉片具有承受更高溫度下蠕變的能力。晶界是可能引起蠕變發(fā)生的很多缺陷和破壞機(jī)理起始的微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域。例如，這些定向凝固單晶材料晶界的缺少降低了蠕變的可能性。
[0003]釬焊是用來涂覆、修復(fù)、堆焊或連接部件如高溫合金部件的常用方法。通常，釬焊涉及在低于基礎(chǔ)部件液相線溫度的溫度下熔化釬焊材料，然后使該材料凝固，與該基礎(chǔ)部件成為一體。釬焊的一個(gè)限制是最終釬焊材料(下文中稱為“釬體(brazement)”)通常比待釬焊的部件弱得多。因此，釬焊不能完全滿足所有場合，例如，修復(fù)部件中最高應(yīng)力區(qū)域。例如，這個(gè)問題使用SX材料的強(qiáng)化(如，覆蓋、修復(fù)或堆焊)和連接提高。當(dāng)多晶高溫合金被用作釬焊材料以增強(qiáng)或連接SX材料時(shí)，釬體通常在與基礎(chǔ)SX部件相同方向上不結(jié)晶。這將會(huì)產(chǎn)生一種比基咄部件更弱的釬體。而且，在釬焊材料中使用SX材料連接或修復(fù)SX材料會(huì)有問題，因?yàn)檫@樣的釬焊過程高度集中，需要極其嚴(yán)格的過程控制。
[0004]除SX材料外，鈦基材料，如TiAl材料，也越來越多地應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)中，尤其是低壓渦輪葉片。與相當(dāng)?shù)腘i基合金材料相比，Ti材料通常僅有一半致密度，卻顯示了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性。但是，由于釬焊材料和鈦基部件表面之間的脆性接觸，用Ti基材料通過釬焊的增強(qiáng)或連接也會(huì)變得非常有挑戰(zhàn)。通常，Ti基基底的脆性致使其很難在釬焊材料和Ti基基底之間形成堅(jiān)固界面。
[0005]而且，盡管上述材料具有改進(jìn)的熱特性，但燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)境還是非常苛刻。因此，燃?xì)廨啓C(jī)部件的損壞或惡化還在發(fā)生。舉例來說，由于熱循環(huán)或熱機(jī)械疲勞，部件表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，或者部件受外來物體和腐蝕流體的沖擊而被侵蝕。此外，這些部件在開始工作前的制造過程中可能甚至被損壞。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)部件的費(fèi)用持續(xù)增高，損壞部件或退化部件的修復(fù)要優(yōu)于部件的更換。因此，需要新技術(shù)以提高這些改進(jìn)材料的修復(fù)和增強(qiáng)。
【附圖說明】
[0006]結(jié)合所示附圖本發(fā)明在接下來的描述中被解釋:
[0007]圖1示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，包括置于兩基底之間的碳結(jié)構(gòu)的釬焊材料橫截面圖。
[0008]圖2示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，包括填充在基底中的缺陷的碳結(jié)構(gòu)的釬焊材料橫截面圖。
[0009]圖3示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，包括碳結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的釬焊材料橫截面圖。
[0010]圖4A-4B示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，熔化表面基底區(qū)域來修復(fù)基底中的缺陷。
[0011]圖5A-5B示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，熔化表面基底區(qū)域來連接兩個(gè)基底。
[0012]圖6A-6B示例根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，按照基底的基底自然缺陷表面輪廓熔化基底表面層，形成最終釬焊結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明人已開發(fā)了新穎的釬焊材料和相關(guān)方法，其提供一種用于增強(qiáng)(如覆蓋、修復(fù)或堆焊)基底或連接基底的改進(jìn)方案。該材料和方法都可以使用金屬和非金屬基底，包括鈦基材料和定向凝固(DX)高溫合金如單晶(SX)高溫合金。因?yàn)楸疚乃龅牟牧虾头椒梢允褂酶鞣N類型的材料，僅一種連接方法需要被確認(rèn)可用于多個(gè)不同基底材料。這會(huì)顯著節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。另外，本文所述的材料和方法有利地在釬焊材料中使用碳結(jié)構(gòu)。碳結(jié)構(gòu)在釬焊中不熔化，因此，會(huì)提供結(jié)構(gòu)網(wǎng)，可提高最終釬體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，尤其是釬焊材料和基底之間的界面處。
[0014]參考圖1，顯示了置于兩基底12、14之間并與他們的表面接觸的改進(jìn)的釬焊材料10，基底12、14通過釬焊材料10連接。在所示的實(shí)施例中，釬焊材料10包括多個(gè)基礎(chǔ)材料16的填料顆粒(下文中為釬焊填料16)。另外，釬焊材料10包括多個(gè)碳結(jié)構(gòu)18，下面將會(huì)詳細(xì)描述。圖2示例了本文所述釬焊材料10的另一應(yīng)用。如圖所示，所示釬焊材料10填充在基礎(chǔ)基底22上的缺陷20如裂紋內(nèi)。
[0015]用在本發(fā)明中的基礎(chǔ)基底(如，任何一個(gè)或多個(gè)基底12、14或22)沒有限制。在某些實(shí)施例中，基礎(chǔ)基底包括鈦基部件，如鈦鋁(TiAl)基材料或鈦鋼合金。在一個(gè)實(shí)施例中，TiAl為γ-TiAl。在另一實(shí)施例中，基礎(chǔ)基底包括合金材料，如高溫合金材料。高溫合金通常涉及高溫下(如> 1000°C )顯示良好的機(jī)械強(qiáng)度和高抗蠕變性的合金。另外，高溫合金通常具有良好表面穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性。在一個(gè)實(shí)施例中，高溫合金包括一種或多種鎳、鈷、或鎳-鐵作為高溫合金的基礎(chǔ)合金元素。在某些實(shí)施例中，高溫合金材料包括定向凝固(DX)合金如單晶(SX)高溫合金。示例性的高溫合金包括但不局限于Hastelloy、Inconel (如 IN100、ΙΝΘΟΟ、IN7I3)、Waspaloy、Rene 合金(如 Rene 41、Rene 80、Rene %、Rene N5) ,Haynes 合金、Incoloy、MP98T、TMS 合金和 CMSX(如 CMSX-4)單晶合金。通常，基礎(chǔ)基底可包括從連接技術(shù)如釬焊或焊接技術(shù)中獲益的任何材料。
[0016]釬焊填料16可具有與基礎(chǔ)基底類似的組成，如與基礎(chǔ)基底具有類似組成的高溫合金。通過這種方式，釬焊填料16與基礎(chǔ)基底具有冶金相容性或其他方面的相容性。在某些實(shí)施例中，釬焊填料16在載體(未顯示)中懸浮。選取的用于釬焊材料10、基礎(chǔ)基底、釬焊填料16和/或任何溶劑/載體的材料具有本領(lǐng)域公知的增強(qiáng)或連接部件的化學(xué)組成。用于釬焊填料16的其他材料選擇可根據(jù)特殊應(yīng)用需求確定。
[0017]釬焊材料10還包括多個(gè)碳結(jié)構(gòu)18，其為增強(qiáng)位點(diǎn)或連接位點(diǎn)增添顯著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。因此，舉例來說，在修復(fù)單晶部件情況下，完成釬焊過程之后，包括碳結(jié)構(gòu)18的釬焊材料10 (此時(shí)以釬體形式)，由于網(wǎng)狀碳結(jié)構(gòu)18遍布在釬焊材料10中，與現(xiàn)有技術(shù)的多晶釬焊材料相比，具有顯著提高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在某些實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18大體上分布均勻。在其它實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18分布不均勻，可在熔化/冷卻之后進(jìn)一步提高釬焊材料10的機(jī)械強(qiáng)度。另外，因?yàn)樘冀Y(jié)構(gòu)18也穩(wěn)定了鈦基基底和釬焊材料10之間的界面，碳結(jié)構(gòu)18在釬焊材料10中的出現(xiàn)改進(jìn)了鈦基材料的增強(qiáng)或連接。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括一個(gè)或多個(gè)富勒稀(fullerene)結(jié)構(gòu)。富勒稀為不同尺寸的整個(gè)由碳組成的分子，其形式為中空球體、橢圓體或管狀。在一個(gè)特殊實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括由球殼狀碳分子結(jié)構(gòu)族形成的碳納米管。碳納米管已知具有極高的機(jī)械強(qiáng)度和最高達(dá)3000°C的熔點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，碳納米管是圓柱體形，至少一個(gè)端部蓋有半球形巴基球(buckball)結(jié)構(gòu)。碳納米管可以是分散、嵌入或以其他方式包括在釬焊材料10內(nèi)的單壁或多壁納米管內(nèi)。碳納米管可以使用本領(lǐng)域任何已知的方法制造，包括但不局限于碳弧方法、電弧放電、激光汽化、激光燒蝕或沉積方法，如化學(xué)氣相沉積(CVP)。
[0019]在另一實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括碳納米紗，如在ACS Nano，2013，7(2)，第1446-1453頁中描述的高捻雙螺旋碳納米管紗。近來，研宄者發(fā)現(xiàn)碳納米管可以通過控制的過捻(over-twisting)工藝自組裝成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)。碳結(jié)構(gòu)相對于其他碳納米紗提供了增強(qiáng)的彈性。有利地，當(dāng)需要額外增強(qiáng)時(shí)，相比于單獨(dú)的各個(gè)顆粒而言，納米紗提供更長的增強(qiáng)碳結(jié)構(gòu)的網(wǎng)。
[0020]在另一實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括碳納米芽(nanobuds)。碳納米芽是另一種碳同素異形體，其中類富勒烯“芽”共價(jià)連接在相應(yīng)碳納米管外側(cè)壁上。在一個(gè)特定實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括圓柱狀碳納米管，其具有一個(gè)或多個(gè)連接于其上的球形碳結(jié)構(gòu)以形成碳納米芽結(jié)構(gòu)。
[0021]在另一實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18可包括石墨烯結(jié)構(gòu)。石墨烯也是碳的同素異形體，其中碳原子以規(guī)則正六邊形排列。通常，石墨烯是礦物石墨的一個(gè)原子厚的層。在另一實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18包括類金剛石材料，如由在其上具有類金剛石覆層的顆粒，如覆有本領(lǐng)域已知的類金剛石覆層的硅(Si)顆粒。
[0022]碳結(jié)構(gòu)18可包括相對均勻尺寸分布或可包括相同或不同材料的不同尺寸碳結(jié)構(gòu)的混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)包括第一尺寸的第一碳結(jié)構(gòu)和小于第一尺寸的第二尺寸的第二碳結(jié)構(gòu)。例如，碳結(jié)構(gòu)18可包括碳納米管和石墨烯結(jié)構(gòu)的混合物，或碳納米管和納米紗的混合物。不同尺寸的碳結(jié)構(gòu)將釬焊材料10穩(wěn)定在不同尺度上，并對抗不同破壞機(jī)理。在具有小和大碳結(jié)構(gòu)混合物的實(shí)施例中，小碳結(jié)構(gòu)的最大尺寸為I微米或更小，大碳結(jié)構(gòu)的最大尺寸大于I微米。在具有相對均勻尺寸分布的實(shí)施例中，碳結(jié)構(gòu)18可包括最長尺寸為1nm到30 μ m，在特定實(shí)施例中，例如從10nm至10 μπι的碳納米管。
[0023]可在釬焊材料10中提供任何合適量的碳結(jié)構(gòu)18，從而為釬焊材料10提供所需的結(jié)構(gòu)性能。在一個(gè)實(shí)施例中，提供的碳結(jié)構(gòu)18的重量百分比(wt% )為釬焊材料10的0.01-90wt%，在特定實(shí)施例中為0.01-5wt%。
[0024]釬焊材料10也可包括其他添加物，如本領(lǐng)域已知的熔點(diǎn)抑制劑。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，釬焊材料10不含任何熔點(diǎn)抑制劑，而是包含多個(gè)納米尺寸顆粒24，其與釬焊填料16具有類似或相同組成。例如美國專利N0.7416108所述，發(fā)明人認(rèn)識到在釬焊材料混合物中使用納米尺寸顆粒的優(yōu)點(diǎn)，從而消除或減少熔點(diǎn)達(dá)到期望熔點(diǎn)溫度所需抑制劑的量。美國專利N0.7416108的公開內(nèi)容全部引入本文中作為參考。在某些實(shí)施例中，1_100體積％ (vol.% )的釬焊填料16都可為納米尺寸。本文中使用的術(shù)語“納米尺寸”意于指代具有最長尺寸為1000納米或更少的顆粒。
[0025]另外，理解為釬焊材料10可以是任何所需的形式，如本領(lǐng)域已知的粉末、淤漿、糊、帶等。進(jìn)一步，使用溶劑/載體，如去離子水、有機(jī)溶劑(如乙醇和丙醇)、無機(jī)溶劑(如HC1)等，釬焊材料10顆?？梢愿傻幕蛞匀橐夯蚍稚Ⅲw形式提供。當(dāng)其為粉末或淤漿形式時(shí)，釬焊材料10可與適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑/載體混合，如可購自Wall Comonoy Corp的“s_gel”。也可以理解，盡管本文中使用術(shù)語“釬焊材料”，但釬焊材料的使用不局限于釬焊工藝，還可以在其他連接技術(shù)中使用，如焊接等。
[0026]在某些實(shí)施例中，在釬焊前，可能需要在待連接或增強(qiáng)的基底上的位點(diǎn)處或附近熔化基底(如12、14、22)相對薄的表