CN105358289A - 超合金部件的局部修复 - Google Patents

Abstract

一种用于修复钎焊的燃气涡轮发动机密封件(142)的损坏部分(144)无需去除和更换整个密封件来的方法。所述损坏部分被去除以露出下面的超合金材料的修复表面(146)，并且新的密封结构(148)通过添加制造工艺形成，其使用激光束(124)熔化包括超合金材料(116ˊ)和焊剂材料(116”)的粉末(116)。焊剂材料在熔化的超合金材料上方形成熔渣保护层(132)，从而允许新的密封结构可以直接形成到下面的超合金材料上，而无需中间的钎焊层。

Description

超合金部件的局部修复

本申请是2013年8月1日提交的未决美国专利申请号13/956431(代理人案卷编号2013P03470US)的继续申请，该未决美国专利申请13/956431是2013年1月31日提交的未决美国专利申请号为13/755098(代理人案卷编号为2012P28301US)的部分继续申请案，该未决美国专利申请13/755098又是2013年1月13日提交的美国专利申请号为13/005656(代理人案卷编号为2010P13119US，并且公开号为US2012/0181255A1)的部分继续申请。

技术领域

本发明一般涉及金属接合领域，并且更具体涉及用于修复由超合金材料制成的部件的方法。

背景技术

取决于被焊接材料的类型，焊接工艺变化很大。一些材料在各种条件下更容易焊接，而其他材料需要特殊处理，以便实现结构完好的接合，而不使周围基底材料退化。

普通电弧焊通常利用自耗电极作为供给材料。为了给焊池内的熔化材料提供大气保护，惰性保护气体或焊剂材料当焊接许多合金包括例如钢、不锈钢以及镍基合金时可以被使用。惰性以及组合的惰性和活性气体工艺包括气体保护钨极电弧焊(GTAW)(也称为钨惰性气体(TIG))和气体保护金属极电弧焊(GMAW)(也称为金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。焊剂受保护的工艺包括其中焊剂被常规供给的埋弧焊(SAW)，其中焊剂被包括在电极芯中的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，和其中焊剂被涂覆在填充材料电极外部的自动保护金属极电弧焊(SMAW)。

利用能量束作为热源进行焊接也是已知的。例如，激光能量已经被用于熔化预放置的不锈钢粉末到碳钢基底上，其中粉末状焊剂材料提供熔池的屏蔽。焊剂粉末可以与不锈钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。以本发明人的知识，当焊接超合金材料时，焊剂材料没有被使用。

应该认识到，由于其对焊接凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，超合金材料是最难焊接的材料之一。术语“超合金”在本文中被使用，因为它是本领域通常使用的；即在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变性的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超合金通常包括高的镍或钴含量。超合金的例子包括以商标和品牌名：哈氏合金，铬镍铁合金(例如IN738，IN792，IN939)，雷内合金(例如ReneN5，Rene80，Rene142)，海恩斯合金，MarM，CM247LC，C263，718，X-750，ECY768，282，X45，PWA1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金出售的合金。

一些超合金材料的焊接修复已通过预热材料到非常高的温度(例如达高于1600°F或870℃)，以便在修复过程中显著增加材料的延展性被成功完成。这种技术被称为热匣焊接或在升高温度超合金焊接(SWET)的焊接修复，它通常使用手动GTAW工艺完成。然而，热匣焊接受到保持均匀的部件处理表面温度的困难和保持完整的惰性气体保护的困难，以及强加在于这种极端的温度下在部件附近工作的操作者上的身体困难的限制。

一些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板，以限制基底材料的加热来进行；从而限制基底热效应的出现和引起裂纹问题的应力。然而，这种技术对于许多零件的几何结构不便于使用冷却板的修复应用是不实际的。

图6是一个常规的图，其示出了作为其铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性。合金，诸如铬镍铁合金IN718，具有相对较低的这些元素的浓度，并必然具有相对较低的γ'含量，该合金被认为是相对可焊接的，虽然这种焊接通常被限制于部件的低应力区域。合金，例如铬镍铁合金IN939具有相对较高的这些元素的浓度，该合金通常不被认为是可焊接的，或仅能使用上面讨论的特殊步骤被焊接，所述特殊步骤增加了材料的温度/延展性并使工艺的热输入最小化。虚线80表示焊接性区域的认可的上边界。线80与竖直轴上的3wt％的铝相交，与水平轴上6wt％的钛相交。焊接性区域以外的合金被认为是使用已知工艺非常困难或不可能进行焊接的，并且具有最高铝含量的合金一般被发现是最难以焊接的，如由箭头所表示的。

还已知的是，利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)将超合金粉末颗粒的薄层熔化到超合金基底上。在激光加热过程中，通过施加惰性气体，例如氩气，将熔池从大气屏蔽。这些工艺倾向于捕获氧化物(例如铝和铬的氧化物)，它们附着在沉积材料层内的颗粒表面上，造成多孔性、夹杂物，和与被捕获的氧化物相关联的其他缺陷。后处理热等静压(HIP)经常被用来使这些空隙、夹杂物和裂纹坍塌，以便改善沉积涂层的特性。由于预先放置的粉末的要求，这些方法的应用还仅限于水平表面。

激光微熔覆是有3D能力的过程，其通过使用激光束熔化朝向表面指引的粉末流将小的、薄的材料层沉积到表面上。该粉末通过气体喷射流朝向表面推进，并且当粉末是钢或合金材料时，气体是从大气中的氧气屏蔽熔化合金的氩气或其它惰性气体。激光微熔覆由其低沉积速率，例如在1至6立方厘米每小时的量级限制。此外，因为保护氩气屏蔽趋于在熔覆材料被完全冷却之前消散，表面氧化和氮化可能会发生在沉积表面上，当多个熔覆材料层是必需的以实现期望的熔覆厚度时，这是有问题的。

对于在非焊接性区域中的一些超合金材料，没有已知的商业上可接受的焊接或修复工艺。此外，由于新的和更高的合金含量的超合金持续被开发，开发用于超合金材料的商业上可行的接合工艺所面临的挑战继续增大。

附图说明

本发明鉴于附图在下面的说明书中进行说明，所述附图示出：

图1示出了使用多层粉末的熔覆工艺。

图2示出了使用混合层粉末的熔覆工艺。

图3示出了使用有芯填充丝和冷金属电弧焊焊枪的熔覆工艺。

图4示出了使用有芯填充丝和能量束的熔覆工艺。

图5示出了能量束的重叠模式。

图6是现有技术的图，其示出了各种超合金的相对焊接性。

图7示出了通过激光微熔覆工艺利用粉末状焊剂材料的超合金熔覆的应用。

图8是根据本发明的各方面的添加制造工艺的示意图。

图9A示出了如本领域已知的损坏的燃气轮机轮叶蜂窝状密封件。

图9B示出了图9A的蜂窝状密封件，其中损坏部分被去除。

图9C示出了在已被修复之后，图9A的蜂窝状密封件。

图10是图9C的修复的蜂窝状密封件的局部侧剖视图。

具体实施方式

应当注意，为了读者的方便性。本文的图1-5和7示出了本文描述的发明技术的各个方面和应用，并且以下的图8，图9A-9C和图10的描述特别涉及到当前要求保护的用于超合金部件的修复的本发明的技术的使用。

本发明人已开发了一种材料接合工艺，其可成功地用于熔覆、接合和修复最难以焊接的超合金材料。虽然以前在焊接超合金材料时，焊剂材料未被使用，但是本发明的工艺实施例在激光微熔覆过程期间，有利地施加粉末状焊剂材料。粉末状焊剂材料有效地提供光束能量捕获、杂质清洁、大气屏蔽、焊缝成形和冷却温度控制，以便实现超合金材料的无裂纹接合，而无需高温热匣焊接或冷却板的使用或惰性保护气体的使用。虽然本发明的各种元件在焊接行业已被知悉几十年，本发明人已经创新地开发了用于超合金添加制造工艺的组合步骤，其解决了用于这些材料的已知选择性激光熔化和烧结工艺的长期存在的限制。

图1示出了超合金材料的熔覆层10在环境室温下正被沉积在超合金基底材料12上，而没有基底材料12的任何预热或冷却板的使用的工艺。基底材料12例如可以形成燃气涡轮发动机叶片的部分，并且在一些实施例中熔覆工艺可以是修复程序的部分。粒子粉末层14被预置在基底12上，并且激光束16跨粉末层14穿过以熔化粉末并形成被熔渣层18覆盖的熔覆层10。熔覆层10和熔渣18由粉末层14形成，该粉末层包括由粉末状焊剂材料层22覆盖的粉末状合金材料层20。

焊剂材料22和所得到的熔渣层18提供了许多有利于防止熔覆层10和下面的基底材料12开裂的功能。首先，它们用于在激光束16的下游区域从大气屏蔽熔化材料和凝固(但仍然是热的)熔覆材料10两个区域。熔渣浮到表面，以从大气中分离熔化金属或热金属，并且焊剂可被配制以在一些实施例中产生保护气体，从而避免或最小化昂贵的惰性气体的使用。第二，熔渣18用作允许凝固材料缓慢而均匀地冷却的覆盖层(blanket)，从而减少可能有助于焊后再热或者应变时效裂纹的残余应力。第三，熔渣18有助于成形熔化金属池，以保持它接近所期望的三分之一的高度/宽度比。第四，焊剂材料22提供清洁效果，用于除去有助于焊接凝固裂纹的痕量杂质，例如硫和磷。这种清洁包括金属粉末的脱氧。因为焊剂粉末与金属粉末的紧密接触，这对实现此功能特别有效。最后，该焊剂材料22可提供能量吸收和捕获功能，以更有效地将激光束16转换成热能，从而有利于在该过程中热量输入的精确控制，例如在1-2％内，和所得到的材料温度的严格控制。另外，焊剂可以被配制以在处理过程中补偿挥发元素的损失或积极促进否则由金属粉末本身提供的元素沉积。总之，这些工艺步骤对迄今被认为仅可使用热匣工艺或通过冷却板的使用接合的材料，在室温下产生在超合金基底上的超合金熔覆层的无裂纹沉积。

图2示出另一个实施例，其中超合金材料熔覆层30正被沉积到超合金基底材料32上，其在本实施例中被示为具有多个柱状晶粒34的定向结晶材料。在本实施例中，粉末层36被预置或供给到基底材料32的表面上，作为包括粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40的混合物的均匀层。粉末层36的厚度在一些实施例中可以是一至几个毫米，而不是典型的在已知选择性激光熔化和烧结工艺情况下的几分之一毫米。典型的现有技术粉末状焊剂材料具有例如范围从0.5至2毫米的颗粒尺寸。然而，粉末状合金材料38可具有从0.02至0.04毫米或0.02至0.08毫米或其内的其他子范围的颗粒尺寸范围(筛孔尺寸范围)。在筛孔尺寸范围内的这种差异可以在图1所示的实施例中很好地工作，其中材料构成单独的层；然而，在图2所示的实施例中，对于粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40，有利的是，具有重叠的筛孔尺寸范围或具有相同的筛孔尺寸范围，以便在熔化过程期间促进粉末的混合和供给并提供改善的焊剂覆盖范围。

在图2的实施例中，能量束42是具有大致矩形横截面形状的二极管激光束，但是其它已知类型的能量束，例如电子束、等离子束、一个或多个圆形激光束、扫描激光束(扫描一维、两维或三维)、集成的激光束等，也可以被使用。对于具有相对大的待熔覆面积的实施例，诸如用于修复燃气涡轮发动机叶片的尖端，矩形形状可以是特别有利的。由二极管激光器所产生的宽面积束有助于减少焊接热输入、热影响区、来自基底的稀释和残余应力，所有这些都降低正常与超合金修复相关联的裂纹效果的倾向。用来产生宽面积激光照射的光学条件和硬件光学器件可以包括但不限于：激光束的散焦；在焦点产生矩形能源的二极管激光器的使用；用于在焦点产生矩形能源的集成光学器件，诸如拼接镜面的使用；一个或多个维度中的激光束扫描(光栅扫描)；和可变光束直径(例如对于精细工作在焦点0.5毫米变化至对于不太精细的工作在焦点2.0毫米)的聚焦光学器件的使用。光学器件和/或基底的运动可以被编程，如在选择性激光熔化或烧结工艺中一样，以建立自定义形状层沉积。该工艺相比于已知激光熔化或烧结工艺的优点包括：在每个处理层的高沉积率和厚沉积；遍布热沉积金属的改进的屏蔽，而不需要惰性气体；焊剂将提高否则会导致凝固裂纹的组成的沉积的清洁；焊剂将提高激光束的吸收并最小化回到处理设备的反射；熔渣的形成将成形并支撑沉积，保存热量，减慢冷却速度，从而减小否则在焊后热处理过程中有助于应变时效(再加热)裂纹的残余应力；焊剂可以弥补元素损失或添加合金元素；并且粉末和焊剂预置或供给可有效地选择性地进行，因为沉积厚度大大减少了整个部件构造所涉及的时间。

图2的实施例还示出了基合金供给材料44的使用。供给材料44可以是呈丝或条的形式，其被朝向基底32供给或振荡，并被激光束42熔化以对熔池做出贡献。如果需要，供给材料可被(例如电)预热，以减少从激光束所需的总能量。虽然将一些超合金材料形成为丝或条的形式很困难或不可能，诸如纯镍或镍-铬或镍-铬-钴之类的材料以那些形式是容易得到的。在图2所示的实施例中，基合金供给材料44、粉末状合金材料38和粉末状熔剂材料40被有利地选择，使得熔覆材料层30具有期望的超合金材料组成。填充材料可以仅是限定了期望的超合金材料的元素的组成的元素的可挤压子集，并且粉末状金属材料包括在填充材料中补充元素以使限定期望的超合金材料的元素的组成完整的元素。填充材料和粉末状金属材料在熔池内被结合以形成期望的超合金材料30的修复表面。如图1所示，该工艺产生了保护、成形和热绝缘熔覆材料层30的熔渣层46。

图3示出了一个实施例，其中超合金材料层50使用冷金属电弧焊焊枪54被沉积到超合金基底52上。焊枪54被用于供给和熔化填充材料56，所述填充材料56具有包括填充有粉末状材料59的中空金属护套57的有芯丝或条状材料的形式。粉末状材料59可以包括粉末状金属合金和/或焊剂材料。有利的是，金属护套57由可以方便地形成为中空形状的材料，诸如镍或镍铬或镍-铬-钴形成，并且粉末状材料59被选择为使得当填充材料56被熔化时，期望的超合金组成被形成。护套含有足够的镍(或钴)，以获得期望的超合金组成，从而护套对粉末状芯材的固固比可以被保持在例如3：2的比例。电弧的热量熔化填充材料56，并形成被熔渣层58覆盖的期望的超合金材料层50。粉末状焊剂材料可以在填充材料56中被提供(例如芯体积的25％)，或它可以被预先放置或沉积到基底52的表面(未示出-见图2)，或两者都有。在各种实施例中，焊剂可以是导电的(电渣)或不导电的(埋弧焊)，并且它可以是化学中性的或添加的。如前，填充材料可以被预热以降低在这种情况下从冷金属电弧焊枪所需要的过程能量。焊剂的使用会提供屏蔽，从而减少或消除对通常在冷金属电弧法中所需要的惰性或部分惰性气体的需要。

图4示出了一个实施例，其中超合金材料层60使用用于熔化填充材料66的诸如激光束64之类的能量束，被沉积到超合金基底62上。如以上参照图3所述，填充材料66包括金属护套68，其由可方便地形成中空形状的材料，诸如镍或镍铬或镍-铬-钴形成，并且粉末状材料70被选择为使得当填充材料66被激光束64熔化时，期望的超合金组成被形成。粉末状材料70可以包括粉末状焊剂以及合金元素。激光束64的热量熔化填充材料66，并形成被熔渣层72覆盖的期望的超合金材料层60。如前，填充材料可被预热以降低在这种情况下从激光束所需的过程能量。

填充材料56，66的一个实施例被配制如下，以沉积合金247材料：

–护套固体体积大约是总金属固体体积的60％，并且是纯镍；

-芯金属粉末体积为包括足够铬、钴、钼、钨、铝、钛、钽、碳、硼、锆和铪的总金属固体体积的约40％；使得当被一起熔化并与来自于护套的纯镍混合时，产生合金247组成，其标称重量百分比为铬8.3，钴10，钼0.7，钨10，铝5.5，钛1，钽3，碳0.14，硼0.015，锆0.05和铪1.5；并且

-芯焊剂粉末体积表示额外的、在很大程度上为非金属的丝体积，其尺寸可能大约等于金属粉末体积并且包括35/30/35比例的氧化铝、氟化物和硅酸盐。焊剂的筛孔尺寸范围使得在芯金属粉末内均匀地分布。

对于其中熔化的热量是由电弧提供的实施例，通常在焊剂或保护气体中提供二氧化碳，以维持电弧稳定性。然而，在熔化过程期间二氧化碳将与钛起反应，并且部分钛将作为蒸汽或氧化物被损失。本发明工艺允许被包含在填充材料中的钛的量，超过在沉积的超合金组成中所期望的钛的量，以补偿这一损失。对于上述合金247的例子，包括在芯金属粉末中的钛的量可以从1％提高到3％。

根据本文所描述的工艺用于超合金材料的修复工艺可包括准备待修复的超合金材料表面，该表面通过根据需要研磨以除去缺陷，清洁表面，然后将含有焊剂材料的粉末状材料层预放置或供给到表面上，然后使能量束跨表面穿过以熔化粉末和表面的上层为具有浮动熔渣层的熔池，然后使熔池和熔渣凝固来准备。熔化用来在基底的表面愈合任何表面缺陷，在典型地通过已知的机械和/或化学工艺除去熔渣时留下更新的表面。粉末状材料可以仅是焊剂材料，或对于其中超合金熔覆材料层被期望的实施例，粉末状材料可包含金属粉末，其作为单独的层被放置在粉末状焊剂材料层下方，或者与粉末状焊剂材料混合，或与焊剂材料结合成复合颗粒，使得熔化物在表面上形成熔覆材料层。可选地，供给材料可以条或丝的形式被引入熔池内。粉末状金属和供给材料(如果有的话)，以及来自焊剂材料的可以是中性的或添加的任何金属贡献，在熔池内被结合，以产生具有期望的超合金材料的组成的熔覆层。在一些实施例中，镍、镍-铬、镍-铬-钴或其它方便挤压的金属的供给材料被与适当的合金金属粉末结合，以在熔覆层内产生期望的超合金组成，从而避免将期望的超合金材料形成丝或条形式的问题。

虽然基底的预加热对于获得可接受的结果不一定是必须的，在一些实施例中在熔化步骤之前，可能希望将热施加到超合金基底和/或供给材料和/或粉末，以便提高基底材料的延展性和/或降低否则熔化填充材料所需的束能量。一些超合金基底的延展性改善在高于合金的熔点的约80％的温度被实现。类似地，冷却夹具可以可选地用于特定的应用，其结合能量束的精确热输入可以最小化作为熔化工艺的结果在材料中产生的应力。此外，本发明否定了对惰性保护气体的需要，虽然如果优选的话，补充保护气体可在一些应用中使用。在一些实施例中，如果填充材料4被使用，其可以被预加热。

可以被使用的焊剂材料包括市售焊剂，如那些以名称LincolnweldP2007，BohlerSoudokayNiCrW-412，ESABOK10.16或10.90，特种金属NT100，OerlikonOP76，Sandvik50SW或SAS1销售的焊剂。焊剂颗粒可以在使用前被研磨到期望的较小筛孔尺寸范围。通常可被用于高温应用，例如燃气涡轮发动机的任何当前可用的铁、镍或钴基超合金，可使用本发明的工艺被接合、修复或涂覆，所述超合金包括上述那些合金。

其他变型通过供给材料而不是能量束或结合能量束为熔化提供了热量。例如，图2的丝或条状供给材料44可被通电以在粉末和焊剂层下方创建电弧，丝是以挤压形式容易获得的材料(即不是超合金材料)，并且粉末包括其他在结合的熔池中形成期望的超合金组成所必需的合金元素。可替代地，粉末和焊剂可以被选择为导电的，以便促进电渣焊过程有效形成超合金熔覆材料层。在又一个实施例中，与超合金粉末材料混合的焊剂粉末可以采用可选地具有冷却夹具的传统等离子弧熔覆设备，被供给到超合金基底。在各种实施例中，基底、供给材料和/或粉末可被预热。由于使用能量束(±1-2％)比使用电极(±10-15％)，热量输入的精确程度更高，可以期望的是对于总热量输入的一半以上利用能量束。束能量可以导致埋弧焊或电渣工艺，以使用来自基板的最小稀释启动初始的熔池，之后埋弧焊或电渣贡献可以增加沉积量，而没有显著的进一步的基底冲击，从而最小化稀释效应。

根据各种实施例，混合的埋弧焊焊剂和合金247粉末被预置为从2.5至5.5毫米的深度并被证实在最终焊后热处理之后实现无裂纹激光熔覆沉积。从0.6达到2千瓦的镱光纤激光功率水平已被与振镜扫描光学器件一起使用，以在125毫米/分钟的量级的传输速度使熔池沉积宽度从3至10毫米。裂纹的不存在已经通过染料渗透测试和沉积截面的金相检验得到证实。应当理解的是，合金247是已知最难焊接的超合金之一，如图6所示，从而证明本发明对整个范围的超合金组成的可操作性，所述超合金组成包括那些铝含量大于3wt％(重量)的超合金组成。

应该理解的是，当修复超合金基底时，使用粉末状焊剂材料的优点被实现，而无论添加熔覆材料是否被沉积。在超合金基底中的表面裂纹可以通过使用粉末状焊剂材料覆盖表面，然后加热该表面和焊剂材料以形成具有浮动熔渣层的熔池被修复。在于熔渣层的保护下的熔池凝固时，无裂纹的清洁表面将被形成。

激光能量可以通过使用具有大致为矩形的能量密度的二极管激光器跨表面积被施加。可替代地，当圆形激光束沿基底向前移动时，可以来回光栅扫描该圆形激光束，以实现区域的能量分布。图5示出用于一个实施例的光栅扫描模式，其中具有光斑直径D的大致圆形光束被从第一位置74移动到第二位置74'，然后移动到第三位置74＂等等。在方向改变的其位置处，光束直径模式的重叠量O优选处于D的25-90％之间，以便提供材料的最佳加热和熔化。可替代地，两个能量束可以同时被光栅扫描以获得跨表面积的期望的能量分布，光束模式之间的重叠处于各个光束直径的25-90％的范围内。

图7示出了利用粉末状焊剂材料的激光微熔覆过程。一个或多个喷嘴90a，90b被用于朝向基底94引导含有推进剂气体和粉末状材料的喷射流92。基底可以是或不是超合金材料，但是有利地可以是位于超出由图6中的线80划界的焊接性区域之外的材料。在喷射流92中的粉末状材料可包括被熔化时需要从空气中被保护的任何合金材料93a，并且有利地可以包含位于超出由图6中的线80划界的焊接性区域之外的粉末状合金材料。由于粉末状材料被朝向基底94的表面推进，其被诸如激光束96之类的能量束熔化以形成熔池98。粉末状材料还包括粉末状焊剂材料93b，其与粉末状合金材料93a一起熔化，然后分离和凝固，以在该过程跨基底94的表面穿过时，在熔覆合金材料层102上方形成熔渣层100。在材料使用任何已知的方法已被冷却之后，熔渣100被除去。粉末状焊剂材料93b提供所有在上面的图1-4所示的工艺中有助于它的优点。而且，因为粉末状焊剂材料93b在处理点，即在熔池本身内提供了屏蔽和脱氧作用，推进剂气体可以是传统的惰性气体，如氩气，或它可以是不太昂贵的氮气或空气。

如以上关于图1-4所描述的，喷射流92中的粉末状焊剂93b和粉末状合金材料93a可以具有重叠的筛孔尺寸范围或可以被形成为复合颗粒。因为不需要预先放置粉末，图7的工艺可以被应用到非水平表面上，并且可以进一步与多轴工具结合使用以将熔覆应用到三维表面，例如沿燃气轮机燃烧器的过渡锥体的内表面应用。在一个实施例中，图7的工艺可以被用于施加到硬面或用于海洋应用的不锈钢的耐腐蚀材料。焊剂93b与合金93a可以从相同的喷嘴被供给，或者可以从单独的喷嘴90b，90a独立地供给。

图7的工艺克服了传统的用于超合金材料沉积的激光微熔覆的局限性，因为使用标准的焊后热处理可以实现较高的沉积速率(例如在无焊剂添加的情况下使沉积速率加倍)，而没有裂纹。激光二极管或激光束的光栅扫描，如图5所示，可以促进这种高沉积速率。

图8示出了根据本发明的一个实施例的添加制造工艺，例如选择性激光烧结或选择性激光熔化，在此统称为选择性激光加热。添加制造装置110包括粉末供给部112和制作部114。粉末供给部112包含粉末体积116，其被诸如辊118之类的粉末供给和分配装置选择性地移动至制作部114，所述粉末供给和分配装置跨制作部114的制作粉末床120的顶部表面输送预定厚度的未处理粉末116。扫描***122然后以编程模式跨制作粉末床120的表面部分选择性地扫描诸如激光束124之类的能量束，以选择性地加热(熔化，局部熔化或烧结)和凝固粉末区域，从而形成部件126的一部分。输送活塞128然后向上运动，使附加粉末116对辊118可用，制作活塞130向下移动，以使制作粉末床120接收另一层粉末116，并且该过程采用激光束124的分度模式被重复，以有效形成期望的部件的形状。

采用涉及超合金材料的现有技术的选择性激光加热过程，粉末状超合金材料在惰性保护气体下被加热，以便保护熔化或部分熔化的粉末116免于与空气接触。与此相反，在图8所示的本发明的实施例中，利用粉末状超合金材料116'加粉末状焊剂116"作为粉末116，因此加热不必(虽然可以可选地)在惰性保护气体下进行，因为熔化的焊剂提供从空气的必要屏蔽。粉末116可以是粉末状合金116'和粉末状焊剂116"的混合物，或者它可以是合金和焊剂的复合颗粒，如上所述。为了提高该工艺的精度，粉末116可以是细筛孔的，例如20至100微米，而焊剂粒子116"的筛孔尺寸范围可以与合金粒子116'的筛孔尺寸范围重叠或相同。这种颗粒的小尺寸产生每单位体积的大表面积，并且因此产生在合金粒子表面上形成的有问题的氧化物的大的潜能。复合颗粒可通过使用焊剂材料涂覆合金颗粒最小化这个问题。此外，熔化的焊剂将提供清洁作用，以通过形成保护气体，并通过与氧化物和其它污染物的反应和使它们浮动到其中它们形成容易去除的熔渣132的表面来减少熔体缺陷。在下一粉末层116被移动到制作粉末床120中之前，熔渣132被从各熔化层除去。用于去除熔渣的装置在2013年1月31日同时提交的美国专利申请号13/755157(代理人案卷编号2012P27618US)中被描述，其通过引用并入本文。

焊剂116"用作光阱以协助激光能量的吸收，并且所得到的熔渣132减慢冷却速度并包含过程能量。在一些实施例中，焊剂116"可被配制成有助于沉积化学过程。尽管不是必需的，它可能有利于在加热步骤之前加热粉末116和/或部件126。后处理热等静压也不是必须的，但是可在一些实施例中使用。完整的部件126的焊后热处理可以以低的再热裂纹风险被实施，即使对于如上关于图6所述的在焊接性区域外的超合金也是如此。

图8所示的工艺对原始设备制造或零件的快速成型是有用的。另外，该工艺也可以用于部件修复应用，诸如用于在燃气涡轮发动机叶片上形成替换叶片尖端，或用于修复在已经被从用于翻修的服务中去除的燃气涡轮发动机轮叶上的蜂窝状密封件。本发明消除了对惰性保护气体的需要，为紧密度公差控制提供了精确的激光加工，为在选择性激光加热过程中所用的细合金粉末上的氧化物这一长期存在的问题提供了解决方案，并且允许具有超出先前已知的焊接性区域外的组成的超合金的无裂纹沉积。

图9A是燃气涡轮发动机轮叶140的护罩的下侧的局部视图，其示出了作为抵靠相对的旋转轴密封构件的密封件的蜂窝状结构142。蜂窝状结构142典型地由非常薄(70-130μm)镍基超合金箔制成，该超合金箔被钎焊到轮叶140的护罩的下侧。轮叶140已被从发动机的维修中去除，并且具有局部损坏部分144，其中蜂窝状结构142已经通过机械和/或热负荷而退化。损坏部分144允许增大的轴冷却空气的流渗入到热气体路径中，从而不利地影响发动机的效率。这样的轮叶传统上在工厂环境中通过完全除去蜂窝状密封件并在其位置重新钎焊新的蜂窝被修复。由于修复成本高，如果损坏部分144不是太昂贵，损坏的轮叶140可以被保持使用，不管效率的损失。

图9B示出了在损坏部分144已经通过任何已知方法，例如研磨，被除去以露出修复表面146之后的图9A的叶片140。被除去以创建修复表面146的材料的量优选为足以除去所有损坏的材料，但也可以小于整个蜂窝状密封件。在各种实施例中，材料去除的深度范围可为仅包括蜂窝材料高度的一部分，或蜂窝材料的整个高度，或蜂窝材料的整个高度加上钎焊层，或完全进入下面的轮叶护罩的基超合金材料。修复表面146是利用上述工艺建立新蜂窝状结构的基础，例如诸如图1，4，7和8所示。图9C示出了轮叶140，其具有代替先前去除的损坏部分144形成的新蜂窝状结构148。

为了形成新的蜂窝状结构148，修复表面146被包括超合金材料116'和焊剂材料116"的粉末116覆盖(如图8)。能量束124然后以预定的模式被施加到粉末以熔化粉末的选定部分，以形成接合至修复表面146并被熔渣层132覆盖的超合金材料的图案化的第一层。熔渣132被从超合金材料的第一层中除去，并且附加量的粉末116然后被用于覆盖超合金材料的第一层。能量束124被以预定模式再次施加以形成接合至第一层并被另一熔渣层132覆盖的超合金材料的第二层132。使用粉末覆盖、施加热能，并除去熔渣的步骤被重复直到超合金材料层形成代替损坏部分144的新的蜂窝状结构148。这些步骤可以方便地在工厂现场完成，而不是在制造环境完成，这是因为它们可以在环境温度下被完成，并且轮叶140然后被返回在燃气涡轮发动机中服务。

有利的是，这种修复工艺可以使用已知的视觉和3轴控制***自动完成，使得即使是小的修复也可以在部件上被实施，其否则在现有技术工艺下被返回服务而没有修复。此外，在图6中识别的很难焊接的超合金材料可以直接被施加到护罩的下面的超合金材料，而不需要相对较弱的钎焊材料的中间层。图10是图9C的修复的轮叶140的局部侧面剖视图，示出了具有通过本文所述的方法所形成的壁150的新的蜂窝状结构148，其基本上与护罩152的下面的超合金材料成一体，而没有任何如在本领域中所使用的中间钎焊层。

应当理解的是，粉末状材料的使用有利于功能梯度材料的沉积，其中沉积材料的组成随时间和空间变化。例如，如果图8的部件126是燃气轮机轮叶，轮叶的平台部分可以是第一组成，并且轮叶的翼面部分可以是不同的第二组成。在其他实施方案中，合金组成可以从产品的内壁变化至外壁，或从产品内变化至靠近其表面。该合金组成可以响应于预期的需要不同的机械或抗腐蚀特性的操作条件，并且考虑材料的成本而改变。

尽管本发明的各种实施例已被示出和描述，但是很明显，这些实施例仅通过示例的方式被提供。许多变化、改变和替换可以被作出而不脱离本发明。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

从服务中去除燃气轮机热气路径部件；

去除所述部件的损坏部分以露出修复表面；

使用包括超合金材料和焊剂材料的粉末覆盖所述修复表面；

施加能量束到所述粉末以熔化所述粉末的选定部分，以形成接合到所述修复表面并被熔渣层覆盖的图案化的超合金材料的第一层；

从所述超合金材料的第一层去除所述熔渣层；

使用附加量的所述粉末至少覆盖所述超合金材料的第一层；

施加所述能量束到所述附加量的所述粉末，以形成接合至所述第一层并被另一熔渣层覆盖的超合金材料的第二层；

去除所述另一熔渣层；

重复所述覆盖、所述施加和所述去除步骤，直到所述超合金材料层形成所述部件的新的部分，以替换所述损坏部分；和

使所述部件恢复服务。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件是燃气轮机轮叶，并且所述损坏部分是蜂窝状密封件。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述部件是燃气轮机叶片，并且所述损坏部分是叶片尖端密封件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述去除所述部件的损坏部分的步骤包括去除超合金密封构件的一部分和下面的钎焊层以露出所述修复表面作为所述部件的超合金基底；和

形成所述新的部分，作为直接沉积到所述超合金基底上的新的超合金密封构件，而没有中间钎焊层。

5.一种燃气涡轮发动机部件，所述燃气涡轮发动机部件通过权利要求4所述的方法被形成。

6.一种方法，包括：

去除燃气涡轮发动机部件的密封件的损坏部分；

通过以下方式形成所述密封件的新的部分来代替所述损坏部分：

选择性地加热包括超合金材料和焊剂材料的粉末的连续层的相应区域，以形成被熔渣覆盖的沉积的超合金材料的相应层；和

在加热下一连续层之前，从每个层去除所述熔渣。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述粉末包括混合的超合金颗粒和焊剂颗粒。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述合金颗粒的筛孔尺寸范围与所述焊剂颗粒的筛孔尺寸范围重叠。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述粉末包括所述超合金材料和所述焊剂材料的复合颗粒。

10.根据权利要求6所述的方法，其中在被去除之前，所述密封件的所述损坏部分通过钎焊被接合至所述部件，并且所述密封件的所述新的部分被接合至所述部件而无需任何中间钎焊材料。