使用粉末焊劑和金屬的激光微細熔覆的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請為2011年1月13日提交的在審的美國專利申請?zhí)?3/005,656的部分繼 續(xù)申請（公開號US 2012/0181255 Al)，將其在此引入作為參考。
技術領域
[0002] 本發(fā)明大體涉及金屬接合領域，更具體涉及焊接包覆組件（clad buildup)和超級 合金材料的修復。
【背景技術】
[0003] 焊接工藝根據(jù)焊接材料的類型而有顯著差異。一些材料更易于在多種條件下焊 接，而且其它材料需要特殊工藝以實現(xiàn)結構合理的接合而不使周圍的基底材料劣化。
[0004] 常規(guī)的電弧焊接通常使用自耗電極作為進料材料。為了對焊池中熔融材料提供 對于氣氛的防護，當焊接許多合金（包括，例如鋼、不銹鋼和鎳基合金）時可使用惰性覆蓋 氣體或焊劑材料（flux material)。惰性和組合的惰性和活性氣體工藝包括氣體鶴電弧焊 接（GTAW)(也稱為鎢惰性氣體（TIG))和氣體金屬電弧焊接（GMW)(也稱為金屬惰性氣體 (MIG)和金屬活性氣體（MG))。焊劑保護的工藝包括埋弧焊接（SAW)(其中通常添加焊劑）、 藥芯焊絲電弧焊（FCAW)(其中焊劑包含在電極的核中）、和保護金屬極電弧焊（SMAW)(其中 焊劑被涂覆在填料電極的外部）。
[0005] 使用能量束作為熱源用于焊接也是已知的。例如，激光能量已被用來使預先放置 的不銹鋼粉末熔化在碳鋼基底上，其中使用粉末焊劑材料提供熔體池的防護。該焊劑粉末 可與不銹鋼粉末混合或作為單獨的覆蓋層施加。就本發(fā)明者的知識而言，在焊接超級合金 材料時還未使用焊劑材料。
[0006] 應理解超級合金材料是最難以焊接的材料之一，這是由于它們對焊接凝固裂紋和 應變時效裂紋（strain age cracking)的敏感性。在此使用術語"超級合金"，是因為其在 本領域經常使用；即，一種高度耐腐蝕和抗氧化的合金，其具有優(yōu)異的機械強度和高溫抗蠕 變性。超級合金通常包括高的鎳或鈷含量。超級合金的實例包括以以下商品名和商標銷售 的合金：Hastelloy、Inconel 合金（例如 IN 738、IN 792、IN 939)、Rene 合金（例如 Rene 陽、1^116 80、1^116 142)、他71168合金、]\&^]\^厘 247、〇厘 247^：、〇263、718、父-7504〇￥ 768、 282、X45、PWA 1483 和 CMSX (例如 CMSX-4)單晶合金。
[0007] -些超級合金材料的焊接修復已成功實現(xiàn)，其通過預加熱該材料至非常高的溫度 (例如至高于1600° F或870°C)來顯著增加修復過程中材料的延性。該技術稱為熱箱焊 接或高溫超級合金焊接（SWET)的焊接修復，且其通常使用手動GTAW方法實現(xiàn)。然而，熱箱 焊接受限于難以維持均勻組分工藝表面溫度和難以維持完全的惰性氣體防護，以及在如此 極端的溫度下對靠近組件工作的操作人員施加的身體困難。
[0008] 可使用冷卻板來進行一些超級合金材料焊接應用以限制基底材料的加熱；從而限 制基底熱影響和引起開裂問題的應力的存在。然而，對于許多其中部件的幾何形狀不利于 使用冷卻板的修復應用來說，該技術并不具有實用性。
[0009] 圖6為闡明多種合金的相對可焊性作為其鋁和鈦含量的函數(shù)的常規(guī)示圖。合金 如InconeP IN718具有濃度相對較低的這些元素，因此具有相對較低的γ相含量（gamma prime content)，這些合金認為是相對可焊接的，盡管該焊接通常限制于組件的低應力區(qū) 域。合金如Inconelκ IN939具有濃度相對較高的這些元素，其通常被認為是不可焊接的， 或僅可使用上述特殊方法焊接，這些方法增加材料的溫度/延性和最小化該方法的熱輸 入。虛線80表示可焊性區(qū)域識別的上邊界。該線80在縱坐標與3重量％鋁交叉且在橫坐 標與6重量％鈦交叉?？珊感詤^(qū)域之外的合金被認識到是非常難以或不可能使用已知的方 法焊接的，且具有最高鋁含量的合金通常被發(fā)現(xiàn)是最難以焊接的，如箭頭所示。
[0010] 也已知使用選擇性激光熔化（SLM)或選擇性激光燒結（SLS)以將超級合金粉末顆 粒的薄層熔化在超級合金基底上。該熔體池在激光加熱過程中通過施加惰性氣體如氬氣而 屏蔽該氣氛。這些方法易于夾雜（trap)附著在沉積的材料層中的顆粒的表面上的氧化物 (例如鋁和鉻的氧化物），導致與夾雜氧化物相關的多孔性、摻入物和其它缺陷。通常使用 處理后的熱等靜壓（HIP)來瓦解這些空隙、摻入物和裂縫，以改善所沉積的涂層的性質。由 于需要預先放置粉末，這些方法的應用還受限于水平表面。
[0011] 激光微細恪覆（Laser microcladding)為能3D使用（3D_capable)的方法，其通過 使用激光束將小的材料薄層沉積至表面以熔化被導向表面的粉末流。該粉末通過氣體射流 被推向表面，且當該粉末為鋼或合金材料時，該氣體為氬或其它惰性氣體，其防護熔融合金 以避免大氣中的氧。激光微細熔覆受限于其低沉積速率，如1至6cm3/hr的數(shù)量級。而且， 因為該防護性的氬氣防護物易于在包覆材料完全冷卻前消散，從而表面氧化和氮化可在沉 積物表面出現(xiàn)，其在需要多層包覆材料以實現(xiàn)所需的包覆厚度時是有問題的。
[0012] 對于一些非可焊性區(qū)域中的超級合金材料，沒有已知的商業(yè)可接受的焊接或修復 工藝。而且，隨著新的和合金含量更高的超級合金被持續(xù)開發(fā)，對開發(fā)用于超級合金材料的 商業(yè)可行的接合工藝的挑戰(zhàn)持續(xù)增長。
[0013] 附圖簡述
[0014] 本發(fā)明在以下參考附圖中進行解釋，附圖示出了 ：
[0015] 圖1示出使用多層粉末的包覆方法。
[0016] 圖2示出使用混合層粉末的包覆方法。
[0017] 圖3示出使用藥芯填充焊絲（a cored filler wire)和冷金屬電弧焊接噴燈（cold metal arc welding torch)的包覆方法。
[0018] 圖4示出使用藥芯填充焊絲和能量束的包覆方法。
[0019] 圖5示出能量束的疊復型式。
[0020] 圖6為現(xiàn)有技術的圖，示出了多種超級合金的相對可焊性。
[0021] 圖7示出通過激光微細熔覆方法使用粉末焊劑材料所進行的超級合金包層 (cladding)的實施。
[0022] 發(fā)明詳述
[0023] 為了方便讀者，應注意本文的圖1-5示出了本文所述的本發(fā)明技術的多個方面和 應用，且以下圖7的描述特別涉及本發(fā)明技術用于激光微細熔覆的應用。
[0024] 本發(fā)明者已開發(fā)了材料接合方法，其可成功用于包覆最難以焊接的超級合金材 料。盡管焊接超級合金材料時先前并未使用焊劑材料，本發(fā)明方法的實施方案有利地在激 光微細熔覆方法中使用粉末焊劑材料。該粉末焊劑材料有效提供光束能量誘捕、雜質清洗、 氣氛屏蔽、焊縫成形和冷卻溫度控制，以實現(xiàn)超級合金材料的無裂縫結合，而無需高溫熱箱 焊接或使用冷卻板或使用惰性保護氣體。盡管本發(fā)明的多個元素在焊接工業(yè)中已知達幾十 年，本發(fā)明者創(chuàng)新地開發(fā)了一種超級合金包覆方法的步驟組合，其克服了這些材料已知的 包覆方法的長期存在的限制。
[0025] 圖1示出一種方法，其中將超級合金材料的包層10在室溫下沉積在超級合金基底 材料12上，而不對基底材料12進行任何的預加熱或不適用冷卻板。該基底材料12可例如 形成氣輪機葉片的一部分，且在一些實施方案中，該包覆方法可以是修復程序的一部分。粒 狀的粉末層14被預先放置在基底12上，且激光束16穿過粉末層14以熔化粉末和形成被 熔渣層18覆蓋的包層10。該包層10和熔渣18由粉末層14形成，該粉末層14包括被粉末 焊劑材料層22覆蓋的粉末超級合金材料層20。
[0026] 焊劑材料22和所得熔渣層18提供多種功能，其有利于防止包層10和下面的基底 材料12的開裂。首先，它們用于防護熔融材料區(qū)域和固化的（但仍熱的）包覆材料10對 抗激光束16下游區(qū)域的氣氛。該熔渣漂浮至表面以將熔融或熱的金屬從該氣氛中分離，且 在一些實施方案中可配制該焊劑以產生保護氣體，由此避免或最小化昂貴的惰性氣體的使 用。第二，熔渣18作為覆蓋層（blanket)使得固化的材料緩慢且均勻冷卻，從而減少殘留 應力，其會促進焊接后再加熱或應變時效開裂（strain age cracking)。第三，恪澄18有 助于使熔融金屬池成形以保持其接近所需的1/3高度/寬度比。第四，焊劑材料22提供了 清潔作用以去除痕量雜質如硫和磷，其會促進焊接凝固開裂。該清潔包括使金屬粉末脫氧。 由于該焊劑粉末緊密接觸該金屬粉末，從而其在完成該功能方面特別有效。最后，焊劑材料 22可提供能量吸收和誘捕功能以更有效將激光束16轉化為熱能，從而便于精確地控制熱 輸入，例如在1-2%內，且使得在該過程中緊密控制材料溫度。此外，可配制該焊劑以補償 在加工過程中損失的揮發(fā)元素或主動將未由金屬粉末本身提供的元素添加至沉積物中?？?之，對于迄今為止認為只能用熱箱方法或通過使用冷卻板才