CN108060946A - 用于修复超合金部件的螺纹试件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于修复超合金部件的螺纹试件。具体而言，本发明公开了一种用于修复部件(210)的试件(202,222)。试件(202,222)包括构造成与部件(210)的损坏区域(200)中的内螺纹开口(206)配合的外螺纹本体(204)。部件(210)和/或试件(202,222)可包括超合金。螺纹布置将拉伸应力转变成剪切应力，其允许修复表现出与超合金一样好或更好的材料特性。还公开了一种使用钎焊来使用试件(202,222)修复部件(210)的方法以及使用试件(202,222)的涡轮机(100)部件(210)。

Description

用于修复超合金部件的螺纹试件
技术领域
本公开大体上涉及工业机器部件修复，且更具体地，涉及用于修复超合金部件的螺纹试件。
背景技术
工业机器部件暴露于可随时间导致损坏的多种多样的极端应力和环境。例如，涡轮机中的热气路径(HGP)构件(例如涡轮叶片和喷嘴的)例如在涡轮叶片的前缘、后缘或圆角处暴露于极端应力和环境。常规地，损坏的工业部件(例如HGP构件)通过移除损坏的区域(优选经由加工)、然后利用称为试件的替换件替换损坏的区域来修复。移除的区域和试件具有设计成优化修复区域的强度的线性几何特征，例如设计成适应拉伸应力。试件的材料的物理性能与它们置于其中的HGP构件的材料大体上相似或更好。焊接材料也理论上具有与HGP构件相似或相同的材料性能。因此，焊接接头表现出与HGP构件和试件相似的性能。然而，涡轮机技术中的进步导致了使用更先进的材料，例如像高伽马prime(γ')超合金的超合金，其不能使用常规技术修复。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种用于修复部件的试件，该试件包括：外螺纹本体，其构造成与部件的损坏区域中的内螺纹开口配合。
本公开的第二方面提供了一种修复部件的方法，该方法包括：使部件的损坏区域通过在其中形成内螺纹开口而移除；和将外螺纹试件***到内螺纹开口中；以及将外螺纹试件钎焊至内螺纹开口。
本公开的第三方面提供了一种涡轮机部件，包括：超合金；超合金中的内螺纹开口；以及与内螺纹开口配合的外螺纹试件。
技术方案1. 一种用于修复部件的试件，所述试件包括：
构造成与所述部件的损坏区域中的内螺纹开口配合的外螺纹本体。
技术方案2. 根据技术方案1所述的试件，其中，所述试件和所述部件包括超合金。
技术方案3. 根据技术方案1所述的试件，其中，所述试件还包括在所述外螺纹本体的至少一部分与所述内螺纹开口之间的钎焊材料。
技术方案4. 根据技术方案1所述的试件，其中，所述试件还包括沿着外螺纹本体和所述内螺纹开口之间的朝外的接合处的至少一部分延伸的钎焊材料。
技术方案5. 一种修复部件的方法，所述方法包括：
使所述部件的损坏区域通过在其中形成内螺纹开口而移除；
将外螺纹试件***所述内螺纹开口中；和
将外螺纹试件钎焊至所述内螺纹开口。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述钎焊包括在所述***之前将所述钎焊材料应用到所述外螺纹试件和所述内螺纹开口中的至少一者。
技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述钎焊包括沿着在所述外螺纹试件和所述内螺纹开口之间的朝外的接合处应用所述钎焊材料。
技术方案8. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述试件和所述部件包括超合金。
技术方案9. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述方法还包括移除所述外螺纹试件从所述部件中的内螺纹开口向外延伸的部分。
技术方案10. 一种涡轮机部件，包括：
超合金；
所述超合金中的内螺纹开口；和
与所述内螺纹开口配合的外螺纹试件。
技术方案11. 根据技术方案10所述的涡轮机部件，其中，所述试件包括所述超合金。
技术方案12. 根据技术方案10所述的涡轮机部分，其中，所述涡轮机部件还包括在所述外螺纹本体的至少一部分和所述内螺纹开口之间的钎焊材料。
技术方案13. 根据技术方案10所述的涡轮机部件，其中，所述涡轮机部件还包括沿着外螺纹本体和所述内螺纹开口之间的朝外的接合处延伸的钎焊材料。
本公开的示范性方面设计为解决本文描述的问题和/或未论述的其他问题。
附图说明
从结合附图得到的本公开的各个方面的以下详细描述将更容易地理解本公开的这些和其他特征，附图描绘了本公开的各种实施例，其中：
图1示出了涡轮机形式的示范性工业机器的截面图。
图2示出了图1的涡轮机的放大截面区域。
图3和图4分别示出了涡轮叶片和涡轮喷嘴形式的示范性工业部件的透视图。
图5示出了根据各种实施例的用于部件的损坏区域的外螺纹试件的透视图。
图6示出了根据各种实施例的部件的损坏区域中的内螺纹开口的截面图。
图7示出了根据各种实施例的部件中的内螺纹开口中的外螺纹试件的透视图。
图8示出了根据各种实施例的部件中的内螺纹开口中的外螺纹试件的另一透视图。
要注意的是，本公开的附图不是按比例的。附图意在仅描绘本公开的典型方面，且因此不应认为是限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间类似的元件。
部件清单
涡轮机 100
压缩机 102
燃烧器 104
燃烧区域 106
燃料喷嘴组件 108
涡轮组件 110
转子 112
固定壳体 122
叶片 132
内平台 134
外末梢护罩 136
根部 140
燕尾部 142
转子轮 144
柄部 146
凹形压力侧PS外壁 152
相对的凸形吸力侧SS外壁 154
外侧末梢 160
喷嘴 170
凹形压力侧PS外侧壁 178
相对的凸形吸力侧SS外侧壁 180
损坏区域 200
本体 204
内螺纹开口 206
部件 210
机构 212
部分 222
朝外的接合处 224
marM 247
GTD 444
涡轮 110,111
静叶 120,126,170
叶片 124,126,132
外平台 128,172
内平台 130,174
平台 148,172,174
翼型件 150,176
侧壁 156,158,178,180
边缘 156,158,182,184
试件 202,222。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述本公开，当参考和描述燃气涡轮内的相关机器构件时，将变得需要选择某些术语。在这样做的时候，如果可能的话，共同的行业术语将以符合其公认含义的方式使用和采用。除非另外说明，否则该术语应给出与本申请的上下文和所附权利要求的范围一致的宽泛解释。本领域普通技术人员将理解，通常可使用若干不同或重复的用语来指特定构件。在本文中可描述为单个部件的内容可包括多个构件并在另一上下文中引用为由多个构件组成。备选地，本文中可描述为包括多个构件的内容可在其他地方称为单个部件。
图1示出了示范性工业机器的示意图，其部件可根据本公开的教导来修复。在示例中，机器包括燃烧或燃气涡轮***形式的涡轮机100。涡轮机100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域106和燃料喷嘴组件108。涡轮机100还包括涡轮110和共同的压缩机/涡轮轴112(有时称为转子112)。在一个实施例中，燃烧涡轮***是MS7001FB发动机，有时称之为7FB发动机，其为从南卡罗来纳州格林维尔的通用电气公司市售的。本公开不限于任何一个特定的工业机器，也不限于任何特定的燃烧涡轮***，并且可结合多种多样的其他工业机器来应用。此外，本公开不限于任何特定的涡轮机，并且可应用于例如蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机、涡轮风扇等。
在操作中，空气流过压缩机102并且压缩空气供应到燃烧器104。具体地，压缩空气供应到与燃烧器104集成的燃料喷嘴组件108。燃料喷嘴组件108与燃烧区域106流动连通。燃料喷嘴组件108也与燃料源(图1中未示出)流动连通，并将燃料和空气引导至燃烧区域106。燃烧器104使燃料点燃并燃烧。燃烧器104与涡轮组件110流体连通，由于涡轮组件，气体流热能转化为机械旋转能。涡轮组件110包括可旋转地联接到转子112并驱动转子112的涡轮111。压缩机102也可旋转地联接到转子112。在示范性实施例中，存在多个燃烧器106和燃料喷嘴组件108。
图2示出了可与图1中的燃气涡轮***一起使用的涡轮机100(图1)的示范性涡轮组件110的放大截面图。涡轮组件110的涡轮111包括成排的喷嘴或静叶120，其联接到涡轮机100的固定壳体122并且与成排的旋转叶片124轴向地相邻。喷嘴或静叶126可通过径向外平台128和径向内平台130保持在涡轮组件110中。涡轮组件110中的成排叶片124包括联接到转子112并与转子一起旋转的旋转叶片132。旋转叶片132可包括联接到转子112的径向内平台134(在叶片的根部处)和径向外末梢护罩136(在叶片的末梢处)。除非另外说明，如本文使用的用语“叶片”或“热气体路径构件”应共同称为固定静叶或叶片126和旋转叶片132。
图3和图4示出了涡轮机的示范性热气体路径构件，其中可采用本公开的教导。图3示出了本公开的实施例可在其中采用的类型的涡轮转子叶片132的透视图。涡轮转子叶片132包括根部140，转子叶片132通过该根部140附接到转子112(图2)。根部140可包括构造成用于安装在转子112(图2)的转子轮144(图2)的周边中的对应燕尾槽中的燕尾部142。根部140还可包括在燕尾部142和平台148之间延伸的柄部146，平台148设置在翼型件150和根部140的接合处并且限定通过涡轮组件110的流动路径的内侧边界的部分。应当理解，翼型件150是转子叶片132的截取工作流体流并且引起转子轮144(图2)旋转的有效构件。可以看出，转子叶片132的翼型件150包括分别在相对的前缘156和后缘158之间轴向延伸的凹形压力侧(PS)外壁152和周向或侧向相对的凸形吸力侧(SS)外壁154。侧壁156和158也在径向方向上从平台148延伸到外侧末梢160。
图4示出了本公开的实施例可在其中采用的类型的固定静叶170的透视图。固定静叶170包括外平台172，固定静叶170通过该平台附接到涡轮机100的固定壳体122(图2)。外平台172可包括任何现在已知或以后开发的用于安装在壳体中的相应安装部中的安装构造。固定静叶170还可包括用于在相邻的涡轮转子叶片132(图3)平台148(图3)之间定位的内平台174。平台172,174限定通过涡轮组件110(图2)的流路的外侧和内侧边界的相应部分。应当理解，翼型件176是固定静叶170的截取工作流体流并将其导向涡轮转子叶片132(图3)的有效构件。可以看出，固定静叶170的翼型件176包括分别在相对的前缘182和后缘184之间轴向延伸的凹形压力侧(PS)外侧壁178和周向或侧向相对的凸形吸力侧(SS)外侧壁180。侧壁178和180也在径向方向上从平台172延伸到平台174。本文所述的公开的实施例可应用于任何形式的工业机器部件，例如涡轮转子叶片132和/或固定静叶170。应理解的是，叶片132或静叶170的其他特征(这里未描述，例如但不限于内部冷却结构、切口形状、外壁角度/形状等)可对于特定应用(即，转子叶片或静叶)进行定制。
本公开的实施例提供了用于修复工业机器的部件的试件，该部件例如为涡轮机100(图1)的部件，例如叶片132或喷嘴170(图3，图4)(在本文中共同地称为“部件210”)。如本领域所理解的那样，当部件损坏时，移除损坏的区域，并且将称为试件的更换部件固定到位以修复损坏。如图3和图4中所示，叶片132或喷嘴170可包括损坏区域200，根据本公开的实施例的试件可应用于该损坏区域。损坏区域200可包括现在已知或以后发现的任何种类的损坏，例如但不限于：裂缝、表面粗糙度、凹陷、擦伤等。
参考图5，示出了根据本公开的实施例的用于修复部件210的试件202。尽管不限于超级合金，但是当部件210包括超级合金时，本公开的教导是特别有利的。如本文所用，“超合金”是指与常规合金相比具有众多优异的物理特性的合金，例如但不限于：高机械强度、高热蠕变抗性、高抗腐蚀性或抗氧化性以及良好的表面稳定性。超合金示例可包括但不限于：像Rene 108的Rene合金、CM247、哈斯特洛依合金、沃斯帕洛伊合金、海恩斯合金、因科内尔合金、因科洛伊合金、MP98T、TMS合金、CMSX单晶合金。在一个实施例中，本公开的教导可对于其特别有利的超合金是具有高伽马prime(γ')值的那些超合金。“伽马prime”(γ')是镍基合金中的主要强化相。示例性的高γ'超合金包括但不限于：Rene 108、N5、GTD 444、MarM 247和IN 738。
超合金提供多种多样优异的物理特性，但不适用于例如焊接这样的常规修复技术。更具体地说，对于这些超合金材料，使试件常规焊接到部件210中的位置中是不够的，因为焊接不会导致具有部件和试件的同样价值的超合金性能的结构。此外，焊接可导致部件210的额外的损坏，例如裂缝。常规地，常规IGT合金部件中的裂缝会利用钎焊和/或焊接填充，其大部分在拉伸应力下放置钎焊材料和/或焊接。这种类型的修复对于常规的IGT合金部件大体上是足够的，因为修复过程产生与常规合金的物理性能类似的物理性能。然而，用于超级合金的常规焊接不能经受得住修复区域中的应力，并且可导致对部件和/或修复区域的额外损坏。
为了解决这种情况，与传统的修复试件相反，如图5中所示，试件202包括外螺纹本体204，其构造成与部件210(例如，叶片132或喷嘴170)的损坏区域200中的内螺纹开口206配合。试件202可包括与部件210相同的超合金或另一种超合金。
在根据本公开的实施例的一种修复部件210的方法中，通过形成内螺纹开口206从部件210移除损坏区域200。该过程可使用任何现在已知或以后开发的技术来执行，例如在损坏区域200镗孔且对由此产生的孔攻丝，例如使用商用的钻孔攻丝机。可使用任何现在已知或以后开发的用于在杆件上形成螺纹的技术来形成试件202，例如使用模组在杆中加工螺纹、增材制造等。如图7和8中所示，外螺纹试件202然后可***内螺纹开口206中，例如通过将试件202旋转到开口206中以将本体204拧入其中。试件202的本体204和/或开口206上的螺纹的深度和/或重复可定制以基于一定数目的因素来产生期望的机械性能，该因素例如但不限于：损坏区域200的尺寸、试件的尺寸202、开口206的尺寸、部件210或试件202的材料以及所使用的钎焊材料。试件202还可包括任何现在已知或以后开发的机构212或允许工具旋转试件，该工具包括但不限于：螺丝起子头(图5)，螺栓头(图8)，用于手转的粗糙外部等。试件202可在***之前纵向地尺寸设置成匹配开口206。备选地，如图8中所示，可移除外螺纹试件202在***之后从部件210中的内螺纹开口206向外延伸的部分222。移除额外的试件222可通过任何现在已知或以后开发的技术，例如剪切、研磨、切割和/或线EDM切割。试件202可与被修复的部件210的材料相同，和/或可使用另一种材料，包括但不限于：单晶N5、DSR-108、MarM247、GTD111、GTD 444、GTD262，这取决于所需的性能。
外螺纹试件202也可钎焊至内螺纹开口206。钎焊材料可包括适合于部件210和/或试件202的超合金的任何现在已知或以后开发的钎焊材料，例如但不限于，纯钎焊材料BNi-2、BNi-5、BNi-9、DF4B、D15或高熔点/低熔点混合物，例如MarM 247/D15 50/50比例。钎焊可采取多种形式，并且钎焊应用于其上的试件202和开口206的部分可变化，例如一些或所有表面。在一个实施例中，如图7中所示，钎焊材料可在***之前应用到外螺纹试件202和内螺纹开口206中的至少一者。也就是说，钎焊材料可应用到外螺纹试件202的外部和/或内螺纹开口206的内部，且然后可螺纹地联接试件202和开口206。随后，可执行钎焊热处理以将部件钎焊到位。备选地，如图8中所示，钎焊可包括仅沿在外螺纹试件202和内螺纹开口206之间的朝外的接合处224应用钎焊材料。因此，可使用提供修复区域所需的材料特性必需的任何量的钎焊材料。
修复区域也可处理成任何种类的现在已知或以后开发的精加工步骤(例如，研磨、退火等)。图3和图4示出了包括根据本公开的教导的修复区域(即，包括试件202)的涡轮机部件210。虽然部件210上的特定位置示出为修复的，但修复可应用于部件210上的几乎任何位置中。
带有内螺纹开口206的外螺纹试件202将拉伸应力转变成剪切应力。也就是说，试件202和开口206产生处于剪切而不是张力下的多个表面，这允许修复具有与部件210的超合金同样好或优于其的材料性能(例如，抗拉强度、低周疲劳(LCF)抗性和抗蠕变性等)。此外，试件202和开口206之间形成的钎焊接头在剪切应力下可比超合金材料更强。在任何情况下，常规的不可修复的超合金部件(例如包括Rene 108的那些)可被修复并恢复使用。此外，在可修复的超合金部件损坏的情况下，可使用由具有优于部件210的超合金的特性的超合金制成的试件202来为部件提供改进的材料特性。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，且不意在限制本公开。如本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文另外明确指示。将进一步理解，在该说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合的存在或添加。“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。
如本文在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个例如“大约”、“大致”和“大概”的用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。这里以及说明书和权利要求各处，范围限制可组合和/或互换，此范围是确定的且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。应用于特定值的范围的“大约”应用于两个值，且除非另外取决于测量值的仪器的精度，可表示所述值(多个值)的+/- 10％。
下面的权利要求中的所有器件或步骤加功能元件的相应结构、材料、动作和等同物意在包括如特别要求保护的用于执行与其他要求保护的元件相组合的功能的任何结构、材料或动作。本公开的描述为了图示和描述的目的而提出，但并不意在穷举或限于所公开的形式的公开内容。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员是显而易见的。选择和描述实施例以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解本公开，带有各种修改的各种实施例适合于构想的特定用途。

Claims (10)

1.一种用于修复部件(210)的试件(202,222)，所述试件(202,222)包括：
构造成与所述部件(210)的损坏区域(200)中的内螺纹开口(206)配合的外螺纹本体(204)。
2.根据权利要求1所述的试件(202,222)，其特征在于，所述试件(202,222)和所述部件(210)包括超合金。
3.根据权利要求1所述的试件(202,222)，其特征在于，所述试件还包括在所述外螺纹本体(204)的至少一部分(222)与所述内螺纹开口(206)之间的钎焊材料。
4.根据权利要求1所述的试件(202,222)，其特征在于，所述试件还包括沿着外螺纹本体(204)和所述内螺纹开口(206)之间的朝外的接合处(224)的至少一部分(222)延伸的钎焊材料。
5.一种修复部件(210)的方法，所述方法包括：
使所述部件(210)的损坏区域(200)通过在其中形成内螺纹开口(206)而移除；
将外螺纹试件(202,222)***所述内螺纹开口(206)中；和
将外螺纹试件(202,222)钎焊至所述内螺纹开口(206)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钎焊包括在所述***之前将所述钎焊材料应用到所述外螺纹试件(202,222)和所述内螺纹开口(206)中的至少一者。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钎焊包括沿着在所述外螺纹试件(202,222)和所述内螺纹开口(206)之间的朝外的接合处(224)应用所述钎焊材料。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述试件(202,222)和所述部件(210)包括超合金。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括移除所述外螺纹试件(202,222)从所述部件(210)中的内螺纹开口向外延伸的部分(222)。
10.一种涡轮机(100)部件(210)，包括：
超合金；
所述超合金中的内螺纹开口(206)；和
与所述内螺纹开口(206)配合的外螺纹试件(202,222)。
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