專利名稱：修理渦輪機(jī)部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(fā)明涉及修理渦輪機(jī)部件的方法，并涉及修理過的渦輪機(jī)部件。
背景技術(shù)：
功率產(chǎn)生裝置的某些部件，例如渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在裝置的熱氣體通道中操作。在氣體渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)部分中，部件經(jīng)常經(jīng)受極端的溫度和燃燒氣體中存在的污染物，該污染物產(chǎn)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(huán)境下操作的結(jié)果，渦輪機(jī)部件的暴露部分易發(fā)生退化。不同形式的退化可以包括但不限于例如在渦輪機(jī)部件的翼面和側(cè)壁表面的氧化效應(yīng)、裂縫產(chǎn)生和/或腐蝕和磨損。這些類型的退化可能導(dǎo)致渦輪機(jī)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(fā)電工業(yè)中，修理昂貴的發(fā)動(dòng)機(jī)部件比替換它們變得更經(jīng)濟(jì)。修理和恢復(fù)損壞的部分防止了災(zāi)難性的故障，提高了整個(gè)氣體渦輪機(jī)的效率，并降低了操作成本。為提供充分的修理和恢復(fù)，該工藝應(yīng)該能夠?qū)⒈砻婊謴?fù)到其原始的尺寸，同時(shí)提供結(jié)構(gòu)上牢固的結(jié)構(gòu)。而且，修理的周期應(yīng)該最短。為了進(jìn)行修理和恢復(fù)，典型地例如通過研磨、切割、機(jī)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(jié)是重要的考慮因素。理想的是，填料材料應(yīng)該提供與母材金屬相似的物理和機(jī)械性能。另外，由于填充材料和渦輪機(jī)部件將要面對苛刻的操作條件，希望填料材料表現(xiàn)出充分的耐腐蝕性和耐環(huán)境性能。也希望修理渦輪機(jī)部件的工藝不損壞超出修理的部分的周圍和延伸區(qū)域。
目前的修理工藝典型地包括單個(gè)裂縫(如果可見)的焊接修理或?qū)⑿虏牧蠘悠附拥匠p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?nèi)刍腿酆显谝黄鸲鴮⑿虏牧系臉悠B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(qū)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?yàn)楹附訜崾菑?qiáng)烈的，將其均勻地施加到很寬的區(qū)域是不切實(shí)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(jī)部件顯著的變形，這是因?yàn)橛煞蔷鶆蚣屑訜嵋鸬拇┻^渦輪機(jī)部件的嚴(yán)重的熱梯度；焊接工藝可以有害地鎖定內(nèi)應(yīng)力(lock in internalstress)；焊接工藝可以導(dǎo)致次級開裂(secondary crack)；焊接工藝難以修理臨近渦輪機(jī)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(dāng)多的時(shí)間和人工來實(shí)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(shí)踐的一部分，在特定的條件下可能需要預(yù)熱步驟。預(yù)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(jīng)冷卻后出現(xiàn)，并通常從焊接的焊邊或其它焊接缺陷發(fā)展。這樣的裂縫難以發(fā)現(xiàn)，并且特別當(dāng)焊接位于高應(yīng)力區(qū)域時(shí)，可能對渦輪機(jī)部件的使用壽命有害。來自預(yù)熱的升高的溫度增加了氫的擴(kuò)散，并將氫烘焙到焊接外。預(yù)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(qū)域中的延展性。當(dāng)然，預(yù)熱也顯著增加了渦輪機(jī)部件的修理開銷和時(shí)間。
而且，在焊接工藝引起變形的這些情況下，渦輪機(jī)部件可能需要進(jìn)行機(jī)械力和/或熱處理，以消除變形引起的應(yīng)力。渦輪機(jī)部件是嚴(yán)格規(guī)范的，而且在修理和恢復(fù)完成后，保持原始的形狀和原始的規(guī)格是重要的。
由此，存在改進(jìn)對損壞的渦輪機(jī)部件的修理和恢復(fù)工藝的需要。

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


圖1為修理渦輪機(jī)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(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)的平面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及修理渦輪機(jī)部件損壞部分的釬焊方法。該方法通常包括將釬焊材料預(yù)制品鋪到渦輪機(jī)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(yù)制品點(diǎn)焊到所述表面上；以及加熱渦輪機(jī)部件至在釬焊材料和渦輪機(jī)部件間形成有效釬焊連接的溫度。該修理方法優(yōu)選還包含機(jī)械加工經(jīng)點(diǎn)焊的釬焊材料，使渦輪機(jī)部件恢復(fù)其原始的尺寸。
根據(jù)另一實(shí)施方式，釬焊方法包含從渦輪機(jī)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(yù)制品插入凹陷部分，其中該至少一種預(yù)制品的側(cè)向尺寸與凹陷部分的側(cè)向尺寸相等；點(diǎn)焊該至少一種預(yù)制品到該凹陷部分；以及加熱渦輪機(jī)部件到在釬焊材料和渦輪機(jī)部件間足夠形成釬焊連接的溫度?？梢约尤胪瑫r(shí)機(jī)械加工的或單獨(dú)制造的其它預(yù)制品，以提供完全填充凹陷的足夠的厚度。優(yōu)選稍微過量填充的預(yù)制品焊著在凹陷部分，然后對其進(jìn)行機(jī)械加工，以便渦輪機(jī)部件恢復(fù)至其原始的尺寸。
現(xiàn)在參考圖1，解釋了實(shí)例性的工藝流程。該工藝流程包括渦輪機(jī)部件的冶金學(xué)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(yù)制品，以便具有足夠的區(qū)域來完全覆蓋損壞部分。取決于渦輪機(jī)的功能和操作條件，渦輪機(jī)部件可以由多種材料制成。可以制造氣體渦輪機(jī)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(jī)部件的金屬相容。
預(yù)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?yàn)榍‘?dāng)量的合金填充了損壞區(qū)域，這通常導(dǎo)致不合格部分的減少。預(yù)制品優(yōu)選通過使釬焊粉末燒結(jié)成最符合每種應(yīng)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(yù)制品。合適的預(yù)制品可從Aerospace InternationalMaterials公司購買。
合適的制造預(yù)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(zhì)取決于冶金學(xué)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(jīng)連接區(qū)域和/或裂縫而不形成有害的冶金學(xué)化合物。熔體行為也基于冶金學(xué)組成。因?yàn)榇蟛糠肘F焊材料是合金，它們通常不象純金屬那樣熔化，即在一個(gè)溫度下從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，例外的是那些在熔化時(shí)形成低共熔物(eutectics)的金屬合金組成。在冶金學(xué)術(shù)語中，低共熔釬焊材料具有同樣的熔點(diǎn)(固相線)和流動(dòng)點(diǎn)(液相線)。
然后將釬焊材料預(yù)制品點(diǎn)焊到表面上，以允許進(jìn)一步處理渦輪機(jī)部件以進(jìn)行損壞部分的修理。電阻焊接等可以用于將釬焊材料預(yù)制品點(diǎn)焊到表面上。點(diǎn)焊量優(yōu)選保持最小，以便防止渦輪機(jī)部件的變形損壞。
包含經(jīng)點(diǎn)焊預(yù)制品的渦輪機(jī)部件然后進(jìn)行釬焊工藝，以在損壞部分形成釬焊連接。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，釬焊過程在熔爐中進(jìn)行。優(yōu)選熔爐配備真空和氣體容積(gas capabilities)。真空釬焊優(yōu)選在大約10-3～10-6毫巴的壓力和高于600°F的溫度下進(jìn)行，其進(jìn)一步有助于防止金屬部件的氧化。壓力更優(yōu)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(yōu)選在預(yù)定的時(shí)間期間逐步增加，接著逐步冷卻以形成釬焊連接(braze joint)。應(yīng)該指出，與焊接不同，釬焊不熔化渦輪機(jī)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(diǎn)。但是選擇釬焊材料，即合金組成，以便在比渦輪機(jī)部件的基體金屬低的溫度下熔化。釬焊材料的熔點(diǎn)優(yōu)選小于大約25℃，更優(yōu)選小于大約50℃，甚至更優(yōu)選小于100℃，最優(yōu)選小于大約200℃。釬焊材料在熔化時(shí)，優(yōu)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(yù)制品和渦輪機(jī)部件形成的接觸面內(nèi)。在進(jìn)一步機(jī)械加工和冷卻過程中，在渦輪機(jī)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(yōu)選將表面機(jī)械加工為其適當(dāng)?shù)耐庑巍?yōu)選表面機(jī)械加工為渦輪機(jī)部件規(guī)定的原始尺寸。雖然任選，當(dāng)認(rèn)為在表面上的階梯高度差(step height difference)是渦輪機(jī)部件的缺陷時(shí)，可能需要機(jī)械加工。優(yōu)選，機(jī)械加工過程不過度升高渦輪機(jī)部件的溫度。
在可選擇的實(shí)施方式中，損壞部分從渦輪機(jī)部件除去，以形成渦輪機(jī)部件的凹陷。優(yōu)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(shí)施，例如通過冶金學(xué)分析并確定渦輪機(jī)部件的損壞部分，可以使用研磨工藝從渦輪機(jī)部件除去損壞部分。然后釬焊材料的一種或多種預(yù)制品切成除去部分的側(cè)向尺寸，并點(diǎn)焊進(jìn)凹陷中。在點(diǎn)焊的預(yù)制品和渦輪機(jī)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(huán)，以在釬焊材料和渦輪機(jī)部件間形成釬焊連接，例如渦輪機(jī)部件進(jìn)行如圖2所示的加熱處理。
任選地，渦輪機(jī)部件首先進(jìn)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(jié)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(jié)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(yōu)選在升溫下進(jìn)行，促進(jìn)與各種清洗方法相聯(lián)系的化學(xué)反應(yīng)增大。
還任選地，在釬焊步驟前使用保護(hù)氣體，防止金屬氧化物形成。例如，在高溫真空熔爐釬焊中，優(yōu)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(yōu)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(xué)反應(yīng)，除去存在的任何金屬氧化物。反應(yīng)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(shí)施例來解釋本發(fā)明的一些實(shí)施方式。它們并不是要以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例1在該實(shí)施例中，使用預(yù)燒結(jié)的釬焊材料預(yù)制品和金屬合金基材，模擬渦輪機(jī)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(yù)燒結(jié)的預(yù)制品是從AerospaceInternational Materials公司市購的商品名X40/D15的釬焊合金。作為預(yù)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(yù)制品到FSX414基材的過程。在機(jī)械加工前，F(xiàn)SX414基材在2100°F下暴露于氫氣中大約2小時(shí)。另外，將糊劑(paste)施加到點(diǎn)焊的預(yù)制品和基材之間形成的焊縫中。然后，逐步加熱基材和預(yù)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(fā)，留下釬焊合金熔化并進(jìn)一步密封釬焊的預(yù)制品和基材之間的焊縫。冷卻時(shí)，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(fù)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(huán)。提供了對比基材(witness substrate)以比較。
實(shí)施例2在該實(shí)施例中，一部分噴嘴除去了，并進(jìn)行如實(shí)施例1的釬焊步驟。在釬焊后，該表面機(jī)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(shí)施例3在該實(shí)施例中，在室溫和1500°F下測量了抗拉強(qiáng)度。測試結(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)的尺寸配置的形狀)的測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。在Instron型號1125的螺旋驅(qū)動(dòng)架(screw driven frame)中，以0.02英寸/分鐘測量抗拉強(qiáng)度。結(jié)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(qiáng)度、屈服應(yīng)力和延伸率大致相同或更高。結(jié)果解釋了與母體結(jié)構(gòu)相比，釬焊連接提供了結(jié)構(gòu)相當(dāng)或更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。
權(quán)利要求
1.一種修理渦輪機(jī)部件的方法，包括將釬焊材料的預(yù)制品鋪到渦輪機(jī)部件的表面，其中所述表面包含損壞的部分；將釬焊材料預(yù)制品固定到所述表面上；加熱所述渦輪機(jī)部件至在釬焊材料和渦輪機(jī)部件間形成有效釬焊連接的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括機(jī)械加工渦輪機(jī)部件，以將渦輪機(jī)部件恢復(fù)到原始尺寸。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，還包括將預(yù)制品點(diǎn)焊到渦輪機(jī)部件之前，用惰性氣體保護(hù)渦輪機(jī)部件。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，還包括將預(yù)制品點(diǎn)焊到渦輪機(jī)部件之前，用還原氣體保護(hù)渦輪機(jī)部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述還原氣體是氫氣。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其中所述加熱渦輪機(jī)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(jī)部件的熔化溫度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)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(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其中所述加熱渦輪機(jī)部件包括真空和惰性氣氛。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其中所述將預(yù)制品固定到表面上包含點(diǎn)焊。
10.使用前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法的修理過的渦輪機(jī)部件。
全文摘要
一種修理渦輪機(jī)部件的方法，包含將釬焊材料的預(yù)制品罩面到渦輪機(jī)部件的表面，其中該表面包含損壞的部分；將釬焊材料預(yù)制品固定到表面上；加熱渦輪機(jī)部件至在釬焊材料和渦輪機(jī)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(jī)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(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者帕扎揚(yáng)納·R·薩布拉馬尼安, 詹姆斯·A·魯?shù)? 勞倫特·克里特格尼 申請人:通用電氣公司