通过激光束焊接将一个或多个层熔覆在基板上来制造或修复超耐热合金基板，比如涡轮叶片或轮叶。激光光能传递到焊接填充材料和下面的基板，以保证填料熔化和适当的基板表面润湿，以用于良好的熔合。能量传递维持在危害基板热退化的水平之下。当激光束和基板沿平移路径相对彼此移动时，通过改变能量传递率来补偿局部基板形貌变化而均匀地维持到填料和基板的光能传递。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】具有表面形貌能量传递补偿的超耐热合金激光熔覆相关申请的交叉引用本申请通过引用结合了与其同时提交的指定序列号为13/611144的题名“LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUT1N APPARATUS” 的代理人案号为2012P09234US的共有的共同未决美国专利技术专利申请。
本专利技术涉及通过激光束焊接来恪覆(cladding)超耐热合金部件比如运转退化的涡轮叶片和轮叶的方法。更具体地，本专利技术方法沿焊接平移路径将一个或多个填充材料层焊接到基板，并调节激光能量以补偿局部基板形貌(topology)变化，从而促进沿所述路径的均匀或有意修改的能量传递率。
技术介绍
燃气轮机或其它超耐热合金部件的“结构”修复一般被认为是用匹配的合金材料更换受损材料，并获得与原始制造部件规格(例如，原始规格的至少70%极限抗张强度)相近的属性(比如强度)。例如，优选地对经受表面裂纹的涡轮叶片执行结构修复，使得减少进一步破裂的风险，并且使叶片恢复原始材料结构和尺寸规格。由于成品叶片材料的冶金属性，对用于制造涡轮部件(比如涡轮叶片)的镍和钴基超耐热合金材料的修复是有挑战性的。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理期间得以加强，这使得它们难以进行后续结构焊接。例如，具有多于6%的聚合铝或钛含量的超耐热合金(比如CM247合金)在受到高温焊接时比低铝-钛含量的X-750合金更易受到应变时效裂纹的影响。当前使用的用于超耐热合金结构制作或修复的焊接工艺通常涉及在焊接准备之后基本上熔化基底以及完全熔化焊接杆或添加的其它填充材料。当用具有相同或类似合金的填充金属焊接由这种材料构成的叶片时，叶片在随后热处理工艺期间易受到焊缝内或附近的凝固(又名熔析)裂纹和/或应变时效(又名再热)裂纹的影响，随后热处理工艺意在使超耐热合金恢复原始强度和与新部件相当的其它材料属性。试图在不会使下面的超耐热合金基板热退化的情况下熔化超耐热合金填充材料的一个已知的超耐热合金连接和修复方法是激光束焊接，还称为激光束微熔覆。与超耐热合金基板兼容或相同的超耐热合金填充材料(通常粉状填料)在熔覆工艺期间预先定位在基板表面上或喷涂在表面上。由固定的光纤激光器(即，除了相对平移，激光和基板在激光束施加期间具有固定的相对取向)产生的聚焦的激光光能的“点”区域液化填充材料，并充分地加热基板表面，以促进填料和基板材料的良好聚结，填充材料随后作为熔覆的沉积层凝固在基板表面上。与其它已知的传统焊接工艺相比，激光束微熔覆是更低热输入工艺，在熔化基板范围内具有比较好的控制和快速凝固，降低了导致先前所述凝固裂纹的倾向。在激光焊接/熔覆期间到超耐热合金基板的更低热输入还使残余应力最小，否则，易于受到先前所述焊后热处理时效应变裂纹的影响。尽管激光熔覆焊缝具有优于传统形成的焊缝的结构优点，但是与可由任何单次通过施加的熔覆沉积物填充的相比，实际制造和修复现实要求更大的熔覆表面面积和/或体积覆盖率。为了满足给超耐热合金部件添加体积的需求，基板上的激光熔覆沉积物可由相邻凝固的恪覆通过(clad passes)的一或二维阵列形成。可施加多个激光焊接恪覆通过和层，以构建表面尺寸体积。创建激光熔覆沉积物阵列通常在受热的区域材料中在沉积材料和下面的基板中导致微裂纹和缺陷。一些缺陷与未熔合(LoF)有关，未熔合在存在不充分的局部激光光能热输入时是普遍的。如图1所示，示例性超耐热合金涡轮叶片20具有叶片主体22。原始一体的铸造顶盖和排气管(squealer)(未示出)通常在运转时受到损坏和侵蚀，并要求清理去除剩余物，以在主体22顶部获得返工平面23。新的分离顶盖24由新的匹配铸造材料机加工，并放置在返工平面23上。然后，叶片20要求利用一定体积的超耐热合金填料沿着且直到顶盖侧26右侧对损失部分28进行结构修复填充，以恢复顶盖的原始结构尺寸，并在返工平面23上熔合顶盖侧26和叶片主体22两者。独立施加的激光熔覆沉积物或通过31-36的二维填料焊缝阵列30由已知的激光熔覆方法形成。在单个沉积物(例如31等)之后，激光束聚焦位置和基板表面相对彼此移动，形成以焊接下一沉积物(例如31等)O从图1所注意到，焊缝阵列30在每个焊接通过的角部处呈现未熔合(LoF)。LoF由叶片20基板表面形貌中的一个或多个局部变化的组合引起，基板表面形貌变化要求激光光能传递对应地变化，以维持期望的熔合，包括:非对称散热属性；减小的功率密度；以及表面反射率。图2示意性示出局部表面形貌40变化。先前施加的凝固激光熔覆沉积物50具有由高点52和与基板表面42接触的边缘54定界的弯曲表面。沉积物50表示额外的散热材料，当下一激光熔覆沉积物以抵接关系形成而创建连续的焊缝线时，额外的散热材料必须与下面的基板40—起加热。另外，弯曲表面52-54扩散下一邻接沉积物的激光束能量传递，并减少每单位面积内的局部功率密度(例如，瓦特)。潜在地，弯曲表面52-54还改变局部激光光学反射率，局部激光光学反射率可由非均匀的填充粉末分布，例如远离弯曲表面散射、添加额外的反射率变化来构成。当以与现有沉积物50处于邻接、覆盖关系施加下一激光熔覆沉积物60时，新的激光聚焦区域上的共同均匀施加的功率和/或填充粉末分布不会施加足够的局部熔合能量，在覆盖的区域52-54中导致低于期望的焊缝。为了补偿覆盖区域52-54中的“最坏情况”未熔合，在形成沉积物60时由激光施加的热能量的总体均匀性增加超过良好地熔化基板40至先前沉积物边缘54右侧所需的。这导致裂纹敏感基板材料40的过熔化、过加热和过应力(不必要地引起随后的热裂纹和/或应变时效裂纹)。通常期望在新近制造或修复的运转退化的超耐热合金部件(比如涡轮叶片或轮叶)中构建超耐热合金材料尺寸体积。当使用已知的激光熔覆方法时，多个通过层施加在先前沉积的多个通过层上，以创建所需的构建体积。具有固定光学系统的激光微熔覆要求多个通过，以完成典型的修复构建，因为要修复的总体区域的尺寸相对于聚焦处的束直径较大。每个通过覆盖涉及的挑战性是，确保在每个构建层内获得完全熔合，利用先前施加的下层实现完全熔合。通常，在已知的固定光学系统激光熔覆工艺中，焊接凝固晶体取向倾向于在第一新施加层中从垂直于基板偏移，并倾向于在随后施加的熔覆层中以倾斜增加的角度偏移。微裂纹通常在内层结晶取向中的这种偏移时发生。因此，本领域中需要一种用于熔覆比如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的结构属性退化的情况下，利用期望的局部熔合沿平移路径促进均匀焊缝。本领域中还需要一种用于将多层熔覆到比如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板的结构属性退化的情况下，在每个施加的层内利用期望的局部熔合沿平移路径促进形成连续焊缝。本领域中存在的另一需求是一种用于熔覆比如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件的激光焊接方法，其在不使部件基板或下面的先前施加熔覆层的结构属性退化的情况下，在施加层内利用期望的局部熔合促进多维和/或多层中的均匀焊缝。本领域中又需要一种通过施加多个激光熔覆层来构建比如涡轮轮叶和叶片的超耐热合金部件的表面的激光焊接方法，其维持从基板穿过每个连续层的外延晶粒生长，以减本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于熔覆超耐热合金部件的方法，包括：将填充材料引入到部件超耐热合金基板表面上；将激光束聚焦在填充材料和基板上；将光能从激光传递到填充材料和基板，这将填充材料作为填充层熔合到基板，而不会导致基板的热退化；以及使所述基板和激光束相对彼此移动，同时维持均匀的能量传递。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：GJ布鲁克，A卡梅尔，BW希恩，
申请(专利权)人：西门子能量股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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