專利名稱：高鎳金屬合金的等離子弧焊修補(bǔ)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及高鎳金屬合金的等離子弧焊修補(bǔ)，并且更具體地涉及由IN-100材料制成的薄截面部件的焊接修補(bǔ)。
背景技術(shù)：
焊接修補(bǔ)含有低鋁低鈦含量的鎳基超合金是相對(duì)簡(jiǎn)單的。然而，當(dāng)鋁和鈦含量百分比增加時(shí)，焊接變得更加困難。當(dāng)鋁和鈦含量增加時(shí)，所述材料的延展性成比例地降低。低的延展性導(dǎo)致當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝時(shí)出現(xiàn)材料開裂。
整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子在高性能燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)中日益得到應(yīng)用。它們的使用是由對(duì)改進(jìn)性能和效率的需求驅(qū)動(dòng)的。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子具有通過機(jī)械連接比如在輪盤的邊緣形成的燕尾槽保持的翼片。對(duì)于整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子，所述翼片和輪盤通常由一塊連續(xù)金屬制成，并且該塊金屬被加工成最終尺寸。通過整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)來源于它們用與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子相比更少的輪盤質(zhì)量保持翼片的能力，以及來源于壓縮空氣穿過葉片和輪盤之間的間隙泄漏的降低。
整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子的使用，盡管性能改進(jìn)，但是一個(gè)主要缺點(diǎn)是，一直以來缺少修補(bǔ)于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中超出可參合極限而損壞的翼片的可靠方法。當(dāng)翼片超出可參合極限被損壞時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)子不得不停止服役并且由新的整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子替換。就原材料和勞動(dòng)的花費(fèi)而言，這是成本非常高的。
由IN-100材料或者其它具有高鋁和/或高鈦含量的鎳基超合金制成的整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子一直難以焊接修補(bǔ)，如果可能修補(bǔ)的話，因?yàn)樗鼈児逃械牡脱诱剐詴?huì)導(dǎo)致所述材料在焊接操作過程中或者焊后熱處理過程中的開裂。
在下述公開內(nèi)容中描述了一種方法，該方法克服了焊接修補(bǔ)由鎳基超合金制成的整體裝有葉片的翼片的困難。

發(fā)明內(nèi)容
按照本公開的一方面，提供一種用于焊接修補(bǔ)由IN-100材料制成的翼片的方法。所述方法包括通過機(jī)加工翼片去除翼片被損壞的部分，而得到相當(dāng)平滑的表面。呈粉末狀的IN-100材料被輸送到等離子弧焊設(shè)備。通過焊接設(shè)備以雙向模式沿著翼片被損壞的部分堆積多道IN-100焊帶，以消除在焊帶兩端處隨著停止和引發(fā)等離子弧引起的熱瞬變。
本公開的另一方面，提供一種用于焊接修補(bǔ)由鎳基超合金材料制成的翼片的方法。所述方法包括去除翼片被損壞的部分。粉末狀鎳基合金材料被輸送到等離子弧焊設(shè)備。采用焊接設(shè)備以雙向模式沿著翼片被損壞的部分堆焊多道焊帶，以消除在焊帶兩端處隨著停止和引發(fā)等離子弧引起的熱瞬變。
按照本公開的另一方面，提供一種用于焊接修補(bǔ)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)中由IN-100材料制成的整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子的方法。所述方法包括去除轉(zhuǎn)子被損壞的部分。粉末狀I(lǐng)N-100材料被輸送到等離子弧焊設(shè)備。當(dāng)沿著轉(zhuǎn)子被損壞的部分堆焊第一道焊帶時(shí)，焊接設(shè)備在第一方向移動(dòng)。然后當(dāng)靠近第一道焊帶堆焊第二道焊帶時(shí)，焊接設(shè)備在第二方向移動(dòng)。所述第一和第二方向是雙向地相互反向的。
當(dāng)聯(lián)系相應(yīng)附圖閱讀了下述被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式的說明后，本發(fā)明的其它應(yīng)用對(duì)于那些本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將變得明顯。


圖1是等離子弧焊設(shè)備的示意圖；圖2是整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子的部分透視圖，其具有從中伸出的被損壞翼片；圖3是圖2中所示的翼片在損壞部分已經(jīng)被加工后的透視圖；圖4是具有多道被應(yīng)用到損壞部分的焊帶的圖2中翼片的透視圖；圖5是圖2中翼片在焊帶上進(jìn)行加工操作的透視圖；圖6是成品翼片的透視圖；和圖7是表示用于修補(bǔ)由高硬化成分含量的鎳基材料制成的部件的方法流程圖。
雖然下述公開內(nèi)容易于做出各種改進(jìn)和替換結(jié)構(gòu)，其具體的示意性實(shí)施例已經(jīng)表示在了附圖中并且在下面進(jìn)行詳細(xì)說明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，不能將本公開內(nèi)容限定為公開的具體形式，相反，本發(fā)明的意圖應(yīng)覆蓋所有那些落入由權(quán)利要求限定的本公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)的改進(jìn)、替換結(jié)構(gòu)和等同物。
具體實(shí)施例方式
本公開提供一種用于焊接修補(bǔ)由低延展性、高硬化成分的鎳基超合金比如IN-100或者類似材料制成的部件的方法。IN-100是真空冶煉熔模鑄造的鎳基合金，被推薦應(yīng)用大約1850-1900的高溫場(chǎng)合。IN-100是由國際鎳業(yè)公司開發(fā)的。所述材料成分包括鉻8.0-11.0％，鈷13.0-17.0％，鉬2.0-4.0％，釩0.70-1.20％，鈦4.50-5.00％，鋁5.0-6.0％，碳0.15-0.20％，硼0.01-0.02％，鋯0.03-0.09％，鐵至多1.0％，錳至多0.20％，硅至多0.20％，硫至多0.015％，其余為鎳。在本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施例中，所示的部件是在整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子上形成的翼片，然而，具有類似尺寸的、由IN-100或者類似用在比如壓縮機(jī)定子葉片、擴(kuò)壓器導(dǎo)向葉片等相對(duì)高溫場(chǎng)合的材料制成的部件也是在考慮之內(nèi)的。
此處所述的方法有利地克服了具有最低百分比的硬化成分比如鋁和鈦的高鎳超合金所固有的焊接修補(bǔ)問題。這些硬化成分引起鎳基材料具有低的延展性并且因此導(dǎo)致其在典型的焊接修補(bǔ)操作過程中或者在后續(xù)的焊后熱處理中易于開裂。本發(fā)明所采用的焊接設(shè)備可以是在工業(yè)中通常應(yīng)用的任何一種，然而，對(duì)于比如IN-100的材料，因?yàn)樵摬牧显跇?biāo)準(zhǔn)外界條件下易碎的特性，是很難將其拉制成絲、條或者棒的。因此，修補(bǔ)方法將典型地包括如后面所述的使用粉末原料的等離子弧焊設(shè)備或者微等離子弧焊設(shè)備的使用。
整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子能由IN-100材料制成以符合在高性能燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度要求。由于那些相對(duì)高溫成分，比如那些在燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)部分使用的成分，IN-100具有優(yōu)良的特性，然而，翼片具有在焊接修補(bǔ)操作過程中或者在焊后熱處理過程中開裂的傾向。從一類具有相當(dāng)高百分比硬化材料比如鋁和鈦的高鎳超合金中開發(fā)出IN-100。在IN-100中的鋁含量超過重量百分比的5％，鈦含量大約為重量百分比的5.5％。這些硬化成分的百分比含量使IN-100大大超過焊接修補(bǔ)可接受的成分極限。典型地，鋁含量大于3％或者鈦含量大于6％的具有更高硬化成分含量的鎳基合金是非常難以焊接的，原因是由這樣的材料成分導(dǎo)致的低延展性材料的脆性特性。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，一般表示的是等離子弧焊設(shè)備10。焊接電源供應(yīng)12因操作被連接到等離子弧焊設(shè)備10以向其提供電力。粉末供應(yīng)裝置14通過載氣管道16向噴嘴焊炬18輸送粉末狀金屬比如IN-100。所述噴嘴焊炬18包括保護(hù)氣體蓋20和圍繞噴嘴焊炬18外圍的保護(hù)氣體噴嘴22。焊接電源供應(yīng)12經(jīng)過電纜24被電連接到電極26。載氣管道16運(yùn)輸粉末裝材料到穿過噴嘴焊炬18伸向噴嘴頂端30的粉末通道28。當(dāng)粉末裝材料在噴嘴頂端30噴出粉末通道28時(shí)，電極26形成穿過粉末材料的等離子弧32。等離子弧32加熱粉末材料并且熔化在撞擊點(diǎn)處的工件36的一部分。等離子弧32引起粉末材料液化并形成在工件36上的堆焊或者焊帶34。
保護(hù)氣體38通過保護(hù)氣體噴嘴22被輸送以提供圍繞等離子弧32的惰性氣氛。正如那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的，保護(hù)氣體防止堆焊金屬34的氧化和雜質(zhì)。可替換地，能在惰性氣體凈化箱(沒有畫出)內(nèi)執(zhí)行焊接作業(yè)，此時(shí)焊接設(shè)備10和工件36被惰性保護(hù)氣體例如氬氣完全包圍。
散熱片40可被放置在待焊接的工件36邊緣的下面，以提供可控的環(huán)境，促進(jìn)工件36的一致傳熱。散熱片40可以由各種材料例如銅、鋼或者石墨制成。在焊接過程中，當(dāng)被放置在遠(yuǎn)離待焊接工件36邊緣一段距離比如大約0.200英寸時(shí)，散熱片40已經(jīng)表現(xiàn)出令人滿意地傳熱。雖然在一些情況下發(fā)現(xiàn)散熱片40對(duì)于焊接工藝是有利的，但在沒有使用散熱片40而執(zhí)行焊接修補(bǔ)也是可能的，或者說使散熱片40與工件36緊密接觸是最有利的應(yīng)用。
圖2-6表示焊接修補(bǔ)薄截面部件的一個(gè)實(shí)施例。在此處所使用的，“薄”被限定為至多為大約0.25英寸，雖然其它的尺寸一定是可能的。圖2表示整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子50的一部分，其中翼片52與輪盤54一體形成。為了容易說明，輪盤54被部分剖開。整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子50典型地由單獨(dú)的一塊金屬制成。在傳統(tǒng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子布置中，當(dāng)翼片被損壞時(shí)，翼片能從輪盤去除并由新的翼片替換。然而，當(dāng)整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子50上的翼片超出預(yù)定損壞極限時(shí)，翼片必須被修補(bǔ)，或者必須更換整個(gè)整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子50，這將花費(fèi)昂貴的材料和人工成本。
如圖2所示，翼片中損壞的部分56能用合適的設(shè)備進(jìn)行加工，例如磨床，以形成如圖3所示的基本上直線加工的邊緣58。圖4表示正在施加焊接線或者焊帶60以堆焊翼片52的等離子弧焊設(shè)備10，此處翼片52是以前損壞的。為了利于說明，焊接設(shè)備10是比實(shí)際使用中可能應(yīng)用的位置更遠(yuǎn)離翼片52進(jìn)行描述的。實(shí)際上，應(yīng)當(dāng)理解，焊接設(shè)備10上的焊炬將非?？拷砥?2，例如大約0.2英寸，雖然其它距離是可行的。每一個(gè)焊帶60是通過等離子弧焊設(shè)備10的一個(gè)行程形成的。當(dāng)焊接設(shè)備10在對(duì)應(yīng)箭頭70的第一方向運(yùn)行時(shí)，第一道焊帶62堆焊在翼片52上。通過立即反轉(zhuǎn)到達(dá)翼片端點(diǎn)處的焊接設(shè)備，使該設(shè)備在對(duì)應(yīng)箭頭72的方向，即在和施加第一焊帶62的方向相對(duì)的方向運(yùn)行，將第二焊帶64堆焊在第一焊帶62之上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種等離子弧焊設(shè)備的連續(xù)雙向運(yùn)動(dòng)在由IN-100制成的翼片52中得到無裂紋的焊帶。焊帶施加的連續(xù)雙向模式消除了焊帶兩端處的熱瞬變現(xiàn)象。此外，連續(xù)的焊帶應(yīng)當(dāng)以兩個(gè)行程之間沒有停留的連續(xù)模式施加。通常如本領(lǐng)域中技術(shù)人員熟知的，等離子弧焊設(shè)備10能用多軸定位系統(tǒng)進(jìn)行電的控制。可選擇地，等離子弧焊設(shè)備可以手工操作，當(dāng)特定的應(yīng)用使設(shè)備本身要這樣處理時(shí)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，在翼片52已經(jīng)用焊接材料60被完全堆焊到大約原始高度74并且適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚聿僮鹘Y(jié)束后，焊接材料60能用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行加工，比如磨具76(grinding bit)或者類似工具。翼片52被加工到如圖6所示的最終尺寸，并且在針對(duì)具體應(yīng)用的任何其它適當(dāng)處理比如加工后的應(yīng)力釋放、施加鍍層和噴丸處理完成后，準(zhǔn)備操作使用。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7，本公開內(nèi)容采用的方法能用來焊接修補(bǔ)任何高硬化成分含量的鎳基超合金，而沒有在所述材料中產(chǎn)生裂紋。所述方法對(duì)于修補(bǔ)復(fù)雜形狀比如整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子上的翼片是特別有利的。在操作中，損壞的部件被加工以去除該部件中損壞的部分，提供用于施加焊帶金屬的相對(duì)平滑的表面(塊圖80)。當(dāng)向部件施加焊帶金屬時(shí)，焊接設(shè)備以連續(xù)雙向的模式運(yùn)行(塊圖82)。焊接材料被冷卻(塊圖84)并且被適當(dāng)?shù)責(zé)崽幚?塊圖86)。然后所述部件被最終加工(塊圖88)，并且在其它要應(yīng)用的操作之后準(zhǔn)備被放置回正常服務(wù)。
雖然前面的內(nèi)容提供了本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的法律范圍是由本專利最后提出的權(quán)利要求限定的。詳細(xì)的說明應(yīng)當(dāng)只被看作示例性的，并且因?yàn)槊枋雒恳粋€(gè)可能的實(shí)施例是不切實(shí)際的，如果可能的話，所以沒有描述本發(fā)明的每一個(gè)可能的實(shí)施例。無論利用現(xiàn)在的技術(shù)還是利用在本專利申請(qǐng)日之后發(fā)展的技術(shù)，無數(shù)個(gè)可選擇的實(shí)施例都能被實(shí)施，這些實(shí)施例依舊會(huì)落入限定本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于焊接修補(bǔ)由鎳基合金材料制成的翼片的方法，包括下列步驟去除翼片中損壞的部分；向等離子弧焊設(shè)備輸送粉末鎳基合金材料；和用所述焊接設(shè)備以連續(xù)雙向模式沿著翼片損壞的部分堆焊多道鎳基合金焊帶。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在接連發(fā)生的雙向焊道之間沒有停留。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述翼片位于旋轉(zhuǎn)的部件上。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中旋轉(zhuǎn)的部件是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中翼片位于靜止部件上。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中靜止部件是壓縮機(jī)定子。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括用多軸定位系統(tǒng)電控制所述焊接設(shè)備。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括手動(dòng)控制焊接設(shè)備。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供一個(gè)用作散熱片的冷卻塊。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括將冷卻塊放置在距離焊接表面大約0.200英寸的位置。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括冷卻焊帶材料。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括熱處理焊帶材料。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)需要的規(guī)格加工焊帶材料。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中鎳基合金是IN-100。
15.一種用于焊接修補(bǔ)由鎳基超合金材料制成的翼片的方法，包括下列步驟去除翼片中損壞的部分；向等離子弧焊設(shè)備輸送粉末鎳基合金材料；和用所述焊接設(shè)備以雙向模式沿著翼片損壞的部分堆焊多道焊帶。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中在接連發(fā)生的雙向焊道之間沒有停留。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中鎳基材料包括至少占重量6％的鈦。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中鎳基材料包括至少占重量3％的鋁。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中鎳基材料包括大約占重量50％的鎳。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述翼片位于旋轉(zhuǎn)部件上。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中旋轉(zhuǎn)部件是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其中翼片位于靜止部件上。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中靜止部件是壓縮機(jī)定子。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括用多軸定位系統(tǒng)電控制所述焊接設(shè)備。
25.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括手動(dòng)控制焊接設(shè)備。
26.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括提供一個(gè)用作散熱片的冷卻塊。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括將冷卻塊放置在距離焊接表面大約0.200英寸的位置。
28.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括冷卻焊帶材料。
29.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括熱處理焊帶材料。
30.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括根據(jù)需要的規(guī)格加工焊帶材料。
31.一種用于焊接修補(bǔ)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)中由IN-100材料制成的整體裝有葉片的轉(zhuǎn)子的方法，包括下列步驟去除轉(zhuǎn)子損壞的部分；向等離子弧焊設(shè)備輸送粉末IN-100材料；在第一方向移動(dòng)所述焊接設(shè)備，同時(shí)在轉(zhuǎn)子損壞的部分上堆焊第一焊帶；和在第二方向移動(dòng)所述設(shè)備，同時(shí)靠近第一焊帶堆焊第二焊帶，其中第一和第二方向是彼此雙向相對(duì)的。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中在接連發(fā)生的雙向焊道之間沒有停留。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于焊接修補(bǔ)由鎳基超合金材料制成的翼片的方法。所述方法包括通過加工翼片去除翼片損壞的部分而得到相對(duì)平滑的表面。然后粉末合金材料，比如IN－100被輸送到等離子弧焊設(shè)備。通過所述焊接設(shè)備沿著翼片損壞的部分以連續(xù)的雙向模式堆焊多道焊帶，以消除焊帶端點(diǎn)處的急劇的熱瞬變現(xiàn)象，于是降低了引起在敏感合金比如IN－100內(nèi)開裂的熱應(yīng)力。
文檔編號(hào)B23K10/02GK1868654SQ20061006734
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月3日
發(fā)明者W·林, R·A·斯通, G·J·拉森, J·馬茨 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司