CN102837134B - 制造构件的方法和成品构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造构件的方法和成品构件。公开了一种制造构件的方法和成品构件。该方法包括对构件熔敷材料，以及操纵材料而形成边界区和填料区，以获得期望的属性。构件包括边界区和填料区，从而具有期望的属性。

Description

制造构件的方法和成品构件
技术领域
本发明涉及成品构件和制造成品构件的工艺。具体而言，本发明涉及用于焊接的工艺和焊接构件。
背景技术
燃气轮机中的工作温度在热方面和化学方面都是不友好的。通过发展铁基、镍基和钴基超合金以及使用保护超合金不受氧化、热腐蚀等的环境涂层，已经实现了高温能力的提高。
在燃气轮机的压缩机部分中，大气空气被压缩到大气压的10-25倍，并且在过程中以绝热的方式被加热到700℉-1250℉(371℃-677℃)工艺。这个受加热和压缩的空气被引导到燃烧器中，在燃烧器中空气与燃料混合。燃料被点燃，并且燃烧过程将气体加热到非常高的温度，超过3000℉(1650℃)。这些热气穿过涡轮，在涡轮中，固定到旋转涡轮盘上的翼型件抽取能量，以驱动附连的产生电功率的发电机。为了改进涡轮的运行效率，已经使燃烧温度升高。当然，在燃烧温度升高时，必须采取措施来防止为这些热的燃烧气体形成流径的材料发生热退化。
使用焊接工艺来制造许多热气路径构件。这样的构件中的或这样的构件的周围的焊接接头具有提高的抗应变时效开裂性是合乎需要的，从而扩大构件的工作范围和/或延长构件的使用寿命。
不遭受上面的缺点中的一个或多个的焊接构件和焊接构件的工艺在本领域中将是合乎需要的。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种制造构件的方法包括：将第一熔融材料施用物熔敷到表面上，以形成至少部分地固化的层；操纵该至少部分地固化的层的至少一部分，以形成边界区；以及将第二熔融材料施用物熔敷到边界区，以形成填料区。
在另一个示例性实施例中，一种制造构件的方法包括：将第一材料熔敷到构件的裂纹敏感性熔合边界的至少一部分上；操纵材料，以形成边界区；以及将第二材料熔敷到边界区上。边界区在裂纹敏感性熔合边界内提供抗应变时效开裂性。
在另一个示例性实施例中，一种焊接构件包括至少部分地定位在裂纹敏感性熔合边界上的边界区，以及至少部分地定位在边界区上的填料区。边界区在裂纹敏感性熔合边界内提供抗应变时效开裂性。
附图说明
图1是根据本公开的示例性构件的示意图。
图2是具有根据本公开的示例性工艺而施用的熔融材料的示例性构件的简图。
图3是根据本公开的示例性工艺的材料的示例性熔化过程的简图。
图4是具有根据本公开的示例性工艺而施用到边界区的熔融材料的示例性构件的简图。
图5是根据本公开的示例性工艺而施用到边界区的材料的示例性熔化过程的简图。
图6是具有根据本公开的示例性工艺而施用的熔融材料的示例性构件的简图。
图7是根据本公开的示例性工艺的材料的示例性熔化过程的简图。
图8是曲线图，其示出了示例性构件与在没有根据本公开施用和操纵熔融材料的情况下制造的构件相比的铝分布。
图9是曲线图，其示出了示例性构件与在没有根据本公开施用和操纵熔融材料的情况下制造的构件相比的钛分布。
具体实施方式
提供了一种成品构件和制造构件的工艺。由于高的预热输入或非常低的热输入的原因，本公开的实施例具有降低的应力水平，具有抵抗应变时效开裂的过渡堆焊，对裂纹的形成具有提高的抵抗力，具有较低的基体金属稀释性，容许修理和浇铸缺陷，以及它们的组合。
图1显示了通过示例性工艺制造而成的示例性构件100。构件100是焊接构件，并且包括边界区205，边界区205由至少部分地定位在基体金属105的裂纹敏感性熔合边界104上的边界施用物层102(参见图3)和至少部分地定位在边界区205上的填料区106形成。边界区205在裂纹敏感性熔合边界104内提供抗应变时效开裂性。如本文所用，用语“裂纹敏感性熔合边界”指的是例如由于铸造稀释作用的原因而与其它区相比具有加强的开裂敏感性的构件的区域。例如，如图1中显示的那样，在一个实施例中，裂纹敏感性熔合边界104在形成于构件100的半圆形或半球形腔体110内的等腰三角形108的基部101下面延伸。在一个实施例中，裂纹敏感性熔合边界104在腔体110的下部部分112内达例如腔体110的深度的大约1/3，以及/或者不在腔体110的上部部分114内。如将理解的那样，在一些实施例中，腔体110包括备选的几何构造，包括(但不限于)不是半圆形或半球形的弯曲的几何构造、类似通道的几何构造、直线式几何构造、复杂的几何构造(例如涡轮构件，诸如叶片、喷嘴、护罩和其它复杂的构件)或任何其它适当的几何构造。
如图2和3中显示的那样，根据示例性工艺，通过这样的方式来制造构件100，即，将熔融材料202熔敷(例如预滴)到构件100的表面204的至少一部分上，以及然后操纵(例如涂、抹(butter)或以别的方式操纵)熔融材料202，以形成边界施用物层102，以及然后形成边界区205(参见图4)。在一个实施例中，与焊枪208和焊条209结合起来施用熔融材料202。根据本公开的焊接由任何适当的焊接机构/工艺执行，包括(但不限于)等离子焊接工艺、弧焊工艺、激光或脉冲焊接工艺、钨电极惰性气体保护焊接工艺、其它适当的焊接工艺、或它们的组合。
焊条209是能够被焊枪208熔化的一种或多种合金。焊条209能够呈能够被焊枪208熔化的条或任何其它适当的形状(诸如扭曲的条)。在一个实施例中，根据工艺来熔敷熔融材料202会提高对熔体池紊流的抵抗力，提高对基体金属105稀释的抵抗力，减少使用的热输入，提高对熔析和应变时效开裂的抵抗力，降低对在焊接之后所使用的热处理的依赖，以及/或者取代该热处理，以及它们的组合。在一个实施例中，在不对基体金属105进行局部熔化的情况下施用熔融材料202。
基体金属105和/或熔融材料202包含超合金材料。一种适当的超合金材料是具有高达大约15重量%的铬、高达大约10重量%的钴、高达大约4重量%的钨、高达大约2重量%的钼、高达大约5重量%的钛、高达大约3重量%的铝和高达大约3重量%的钽的镍基合金。在一个实施例中，超合金材料具有大约14重量%的铬、大约9.5重量%的钴、大约3.8重量%的钨、大约1.5重量%的钼、大约4.9重量%的钛、大约3.0重量%的铝、大约0.1重量%的碳、大约0.01重量%的硼、大约2.8重量%的钽以及其余为镍的组分。
一种适当的超合金材料是具有高达大约10重量%的铬、高达大约8重量%的钴、高达大约4重量%的钛、高达大约5重量%的铝、高达大约6重量%的钨和高达大约5重量%的钽的镍基合金。在一个实施例中，超合金材料具有大约9.75重量%的铬、大约7.5重量%的钴、大约3.5重量%的钛、大约4.2重量%的铝、大约6.0重量%的钨、大约1.5重量%的钼、大约4.8重量%的钽、大约0.08重量%的碳、大约0.009重量%的锆、大约0.009重量%的硼以及其余为镍的组分。
一种适当的超合金材料是具有高达大约8重量%的钴、高达大约7重量%的铬、高达大约6重量%的钽、高达大约7重量%的铝、高达大约5重量%的钨、高达大约3重量%的铼和高达大约2重量%的钼的镍基合金。在一个实施例中，超合金材料具有大约7.5重量%的钴、大约7.0重量%的铬、大约6.5重量%的钽、大约6.2重量%的铝、大约5.0重量%的钨、大约3.0重量%的铼、大约1.5重量%的钼、大约0.15重量%的铪、大约0.05重量%的碳、大约0.004重量%的硼、大约0.01重量%的钇以及其余为镍的组分。
一种适当的超合金材料是具有高达大约10重量%的铬、高达大约8重量%的钴、高达大约5重量%的铝、高达大约4重量%的钛、高达大约2重量%的钼、高达大约6重量%的钨和高达大约5重量%的钽的镍基合金。在一个实施例中，超合金材料具有大约9.75重量%的铬、大约7.5重量%的钴、大约4.2重量%的铝、大约3.5重量%的钛、大约1.5重量%的钼、大约6.0重量%的钨、大约4.8重量%的钽、大约0.5重量%的铌、大约0.15重量%的铪、大约0.05重量%的碳、大约0.004重量%的硼以及其余为镍的组分。
一种适当的超合金材料是具有高达大约10重量%的钴、高达大约8重量%的铬、高达大约10重量%的钨、高达大约6重量%的铝、高达大约3重量%的钽和高达大约2重量%的铪的镍基合金。在一个实施例中，超合金材料具有大约9.5重量%的钴、大约8.0重量%的铬、大约9.5重量%的钨、大约0.5重量%的钼、大约5.5重量%的铝、大约0.8重量%的钛、大约3.0重量%的钽、大约0.1重量%的锆、大约1.0重量%的碳、大约0.15重量%的铪以及其余为镍的组分。
超合金材料能够抵抗预先确定的温度，例如，燃气轮机中的热气路径的温度。例如，在一个实施例中，超合金材料的第一部分耐受在第一/较高的温度以上的热，例如，大约1000℉、大约1250℉、大约1500℉、大约2000℉或大约2200℉，而超合金材料的第二部分则耐受在第二/较低的温度以上的热，例如，介于800℉和1250℉之间、大约800℉、大约1000℉、大约1250℉、大约1500℉或大约2000℉。
参照图2-3，在预先确定的范围的电流内施用熔融材料202，例如，介于大约5A和大约40A之间、介于大约5A和大约10A之间，或介于大约30A和大约40A之间。在一个实施例中，熔融材料202的组分与基体金属105相同。在另一个实施例中，熔融材料202的组分与基体金属105不同。在这个实施例中，熔融材料202和基体金属105是选自上面论述的组分的超合金。
用预先确定的大小施用熔融材料202。预先确定的大小以焊条209的尺寸为基础。例如，在施用之后，熔融材料202大体形成直径为焊条209的直径的大约1.5倍至2.0倍的球体。在一个实施例中，焊条的直径大约介于千分之15英寸和千分之45英寸之间，或介于大约千分之25英寸和千分之35英寸之间，或为大约千分之30英寸。在另一个实施例中，不管施用工艺，熔融材料202单独地形成为具有预先确定的大小的球体或其它微粒。
在一个实施例中，预先确定的大小以包括能够覆盖裂纹敏感性熔合边界104的大部分或全部的熔融材料202的量为基础。在一个实施例中，预先确定的大小以待形成的层的数量为基础。例如，在一个实施例中，所施用的熔融材料202的预先确定的大小基本等于腔体110的预先确定的容积。在又一个实施例中，预先确定的容积是在裂纹敏感性熔合边界104附近的腔体110的容积。
在接触基体金属105之后，边界施用物层102至少部分地固化。在至少部分地固化之后，散布、抹或以别的方式操纵和/或熔敷边界施用物层102，以形成边界区205(参见图1和4)。例如，在一个实施例中，抹边界区205，以覆盖基体金属105的裂纹敏感性熔合边界104的全部或至少一部分。然后在边界区205上形成填料区206。
参照图4-7，施用熔融材料202，以形成一个或多个熔融材料施用物层207，直到填料区206形成为止。该一个或多个熔融材料施用物层207包括与基体金属105相同的材料、与边界区205中的熔融材料202相同的材料、任何适当的超合金(包括上面公开的那些)或它们的任何组合。
在一个实施例中，通过将熔融材料202的第一施用物熔敷到基体金属105的腔体110内的表面上来形成构件100，其中，熔融材料202的第一施用物至少部分地固化(参见图2)。在一个实施例中，熔融材料202完全固化。该方法继续熔化部分地固化的材料的至少一部分。然后操纵这个部分，以形成边界区205(参见图3)。可包含或可不包含与熔融材料202的第一施用物相同的组分的熔融材料202的第二施用物然后熔敷到边界区205上作为第一熔融材料施用物层207(参见图4)。然后操纵第一熔融材料施用物层207，以形成填料区206(参见图5)。在另外的实施例中，可包含或可不包含与熔融材料202的第一施用物和/或熔融材料202的第二施用物相同的组分的熔融材料202的第三施用物然后熔敷到填料区206上作为第二熔融材料施用物层207(参见图6)。然后操纵第二熔融材料施用物层207，以进一步形成填料区206(参见7)。在一个实施例中，对物填料区206施用可包含或可不包含与熔融材料202的第一施用物、熔融材料202的第二施用物、熔融材料202的第三施用物、基体金属105相同的组分或任何其它适当的组分的表面层211，从而形成构件100(参见图1)。同样，可施用和操纵第四、第五、第六或更多数量的熔融材料施用物层207，以进一步形成填料区206。
参照图8和9，在一个实施例中，基体金属包含大约8.0重量%至大约8.7重量%的铬、大约9.0重量%至大约10.0重量%的钴、大约5.25重量%至大约5.75%的铝、大约0.60重量%至大约0.90重量%的钛、9.30重量%至大约9.70重量%的钨、大约0.40重量%至大约0.60重量%的钼、大约2.80重量%至大约3.30重量%的钽以及其余为镍的组分，而熔融材料202(形成边界区205和/或熔融材料施用物层(一个或多个)207)包含大约19.0重量%至大约21.0重量%的铬、大约19.0重量%至大约21.0重量%的钴、大约0.30重量%至大约0.60重量%的铝、大约1.90重量%至大约2.40重量%的钛、大约5.60重量%至大约6.10重量%的钼、大约2.40重量%至大约2.80重量%的钽+铝以及其余为镍的组分。在这个实施例中，对应于本公开的铝分布802在边界区205和/或熔融材料施用物层(一个或多个)207内低于第一非滴式焊接工艺的铝分布804或第二非滴式焊接工艺的铝分布806。类似地，示例性铝分布802在边界区205和/或熔融材料施用物层(一个或多个)207内低于第一非滴式焊接工艺的铝分布804或第二非滴式焊接工艺的铝分布806。类似地，示例性钛分布902在边界区205和/或熔融材料施用物层(一个或多个)207内高于第一非滴式焊接工艺的钛分布904或第二非滴式焊接工艺的钛分布906。
虽然已经参照优选实施例来描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可作出各种改变，并且等效物可代替本发明的元件，而不偏离本发明的范围。另外，可作出许多修改，以使特定的情形或材料适于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意图的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种制造构件的方法，包括：
将第一熔融材料施用物熔敷到表面上，以形成部分地固化的层；
操纵所述部分地固化层的至少一部分，以形成边界区，所述构件包括裂纹敏感性熔合边界，所述边界区填充所述构件中的腔体的容积的1/3；以及
将第二熔融材料施用物熔敷到所述边界区上，以形成填料区。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一熔融材料施用物包含与所述第二熔融材料施用物基本相同的组分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一熔融材料施用物包含与所述第二熔融材料施用物不同的组分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在操纵所述部分地固化层的所述部分以形成所述边界区之前，熔化所述部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界区在所述构件的裂纹敏感性熔合边界内提供抗应变时效开裂性。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界区覆盖整个裂纹敏感性熔合边界。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界区覆盖所述裂纹敏感性熔合边界的至少一部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界区和所述填料区中的一个或多个包含选自下者组成的组的镍基超合金：
15重量%的铬、10重量%的钴、4重量%的钨、2重量%的钼、5重量%的钛、3重量%的铝和0.1重量%的碳、0.01重量%的硼、3重量%的钽以及其余为镍的合成物；
10重量%的铬、8重量%的钴、4重量%的钛、5重量%的铝、6重量%的钨、1.5重量%的钼、5重量%的钽、0.08重量%的碳、0.009重量%的锆、0.009重量%的硼以及其余为镍的合成物；
8重量%的钴、7重量%的铬、6重量%的钽、7重量%的铝、5重量%的钨、3重量%的铼、2重量%的钼、0.15重量%的铪、0.05重量%的碳、0.004重量%的硼、0.01重量%的钇以及其余为镍的合成物；
10重量%的铬、8重量%的钴、5重量%的铝、4重量%的钛、2重量%的钼、6重量%的钨、5重量%的钽、0.5重量%的铌、0.15重量%的铪、0.05重量%的碳、0.004重量%的硼以及其余为镍的合成物；以及
9.5重量%的钴、8.0重量%的铬、9.5重量%的钨、0.5重量%的钼、5.5重量%的铝、0.8重量%的钛、3.0重量%的钽、0.1重量%的锆、1.0重量%的碳、0.15重量%的铪以及其余为镍的合成物。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预先确定的范围的电流内施用所述第一熔融材料施用物，所述预先确定的范围介于5A和40A之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括操纵所述第二熔融材料施用物，以进一步形成所述填料区。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括熔敷第三熔融材料施用物，以进一步形成所述填料区。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括操纵所述第三熔融材料施用物，以进一步形成所述填料区。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括对所述填料区施用表面层。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在熔敷所述第一熔融材料之前处理所述表面，所述处理选自由下者组成的组：预热、固溶热处理、过时效处理和它们的组合。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一熔融材料由气体保护钨极弧焊设备或等离子弧焊设备形成。
16.一种制造构件的方法，包括：
将第一材料熔敷到所述构件的裂纹敏感性熔合边界的至少一部分上；
操纵由所述第一材料形成的部分地固化的层的至少一部分，以形成边界区，所述边界区填充所述构件中的腔体的容积的1/3；以及
将第二材料熔敷到所述边界区上；
其中，所述边界区在所述裂纹敏感性熔合边界内提供抗应变时效开裂性。
17. 一种采用如权利要求1所述的制造构件的方法制成的焊接构件，包括：
至少部分地定位在裂纹敏感性熔合边界上的边界区；以及
至少部分地定位在所述边界区上的填料区；
其中，所述边界区在所述裂纹敏感性熔合边界内提供抗应变时效开裂性。
18.根据权利要求17所述的构件，其特征在于，所述边界区和所述填料区中的一个或多个包含选自下者组成的组的镍基超合金：
14重量%的铬、9.5重量%的钴、3.8重量%的钨、1.5重量%的钼、4.9重量%的钛、3.0重量%的铝、0.1重量%的碳、0.01重量%的硼、2.8重量%的钽以及其余为镍的合成物；
9.75重量%的铬、7.5重量%的钴、3.5重量%的钛、4.2重量%的铝、6.0重量%的钨、1.5重量%的钼、4.8重量%的钽、0.08重量%的碳、0.009重量%的锆、0.009重量%的硼以及其余为镍的合成物；
7.5重量%的钴、7.0重量%的铬、6.5重量%的钽、6.2重量%的铝、5.0重量%的钨、3.0重量%的铼、1.5重量%的钼、0.15重量%的铪、0.05重量%的碳、0.004重量%的硼、0.01重量%的钇以及其余为镍的合成物；
9.75重量%的铬、7.5重量%的钴、4.2重量%的铝、3.5重量%的钛、1.5重量%的钼、6.0重量%的钨、4.8重量%的钽、0.5重量%的铌、0.15重量%的铪、0.05重量%的碳、0.004重量%的硼以及其余为镍的合成物；以及
9.5重量%的钴、8.0重量%的铬、9.5重量%的钨、0.5重量%的钼、5.5重量%的铝、0.8重量%的钛、3.0重量%的钽、0.1重量%的锆、1.0重量%的碳、0.15重量%的铪以及其余为镍的合成物。
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