本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪的技術(shù)。其涉及用于通過焊接來修理渦輪構(gòu)件(特別是渦輪葉片)的方法。

現(xiàn)有技術(shù)

典型的燃?xì)鉁u輪葉片(這種葉片10的示例在圖1中示出)包括翼型件11，其從軸12在徑向方向上延伸且結(jié)束于葉片末梢14。軸12下方是用于將葉片10安裝在轉(zhuǎn)子(未示出)的相應(yīng)凹槽中的根部區(qū)段13(葉片的基座)。葉片末梢14的部分冠有頂板14'和緣(凹槽14'')。那些末梢特征通常稱作凹槽狀末梢且設(shè)計成使末梢泄露流盡可能小，當(dāng)末梢腔用作冷卻系統(tǒng)時保護葉片末梢免于高溫泄露氣體的完全沖擊，且保護葉片不受偶然的摩擦。葉片末梢14的另外的特征是所謂的信孔15(細(xì)節(jié)見下文)。

燃?xì)鉁u輪構(gòu)件(諸如渦輪葉片)通常由鎳基合金制成。此類合金的精密鑄造廣泛地用作基本成形技術(shù)過程。精密鑄造具有一些典型的技術(shù)相關(guān)的限制，其必須早已在由此過程制造的構(gòu)件的設(shè)計期間考慮。構(gòu)件由精密鑄造完成的用于可制造性的一些設(shè)計特征可能降低總體構(gòu)件壽命，例如，具有這些設(shè)計要素，其具有對氧化壽命的負(fù)作用或?qū)е陆档偷母咧芷趬勖虻椭芷趬勖?/p>

典型示例是插入件、封閉板或信孔，它們封閉構(gòu)件(這里是渦輪葉片)中的鑄造相關(guān)的開口，以便確保正確的內(nèi)部冷卻通路。對于精密鑄造，需要這些開口以用于陶瓷芯通過化學(xué)溶出/刻蝕過程的移除。在新部分制造過程鏈期間，這些開口(信孔)隨后通過在封閉板中釬焊封閉。在服務(wù)期間，這些位置顯著受損，且該部分在拆卸之后通常顯示高度的損壞。

對于此構(gòu)件的修復(fù)和第二壽命周期，原始設(shè)計的恢復(fù)是必要的。這目前包括釬焊的信孔的替換，但隨后觀察到高脫落率。

為了再釬焊新信孔，由于材料和機械完整性原因需要一定量的健康基材(這意思是沒有已經(jīng)受之前釬焊影響的材料)。此限制在修復(fù)期間導(dǎo)致一定的脫落率(碎屑)。例如，信孔上方的貫穿裂紋是此碎屑的原因。此外，需要信孔下方的一定壁厚的修理以便避免釬焊腐蝕，其也導(dǎo)致脫落。另外，電極在EDM(電火花加工)期間的錯誤定位也可能導(dǎo)致碎屑，例如在信孔未完全腐蝕掉、頂板太薄等的情況下。

除了描述的和眾所周知的對渦輪末梢的再釬焊，也可能使用標(biāo)準(zhǔn)焊接策略以用于封閉構(gòu)件，例如僅通過焊接填料封閉移除的信孔的鑄造孔。但此方法造成非最佳內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)且導(dǎo)致焊接相關(guān)的缺陷(像反吸和孔隙、焊接修理的氣孔和裂紋)，其在對于機械完整性原因的可允許質(zhì)量限制之外。

作為用于葉片末梢的封閉的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，通常執(zhí)行末梢帽焊接，如例如在文獻(xiàn)EP2071124A2、WO2013/169747A1或WO2013/169754A1中描述的以及在圖2a、圖2b和圖2c(主要從現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)WO2013/169754A中取得)中示出的：

新封閉板或末梢帽48放置在之前研磨或加工的(修理表面46)葉片末梢(圖2a)上方且在適當(dāng)?shù)奈恢煤附?圖2b)，例如利用不同焊接填料。葉片相關(guān)的內(nèi)腔34的封閉由封閉板/末梢帽48自身實現(xiàn)。根據(jù)圖2c，完成的組件結(jié)構(gòu)包括葉片自身，帶有壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁22、24，新末梢帽48和一個或若干焊接元件，例如焊接接頭54、周邊部分56和替換凹槽狀末梢62。這是用于這種情況的典型修理途徑，其中葉片末梢需要到其內(nèi)腔34中的完全或部分開口(冷卻空氣側(cè))。

存在三個接合材料對接部(葉片、末梢帽和焊接)，其為不利條件，因為各個對接部通常是缺陷來源。缺點且因此是標(biāo)準(zhǔn)“末梢帽”途徑的限制通常包括在圖1c中標(biāo)記“C”的區(qū)域中的顯著焊接缺陷，且通常在葉片、焊接填料和末梢帽之間不充分結(jié)合。

現(xiàn)有技術(shù)中也已知將修理范圍保持在內(nèi)腔之外(受限的修理)。

利用更加塑性和兼容性的焊接填料的焊接或通過葉片、末梢帽和焊接填料之間的特殊幾何結(jié)構(gòu)增加接合長度可帶來一些改進。但另外，對于葉片接近臨界區(qū)域C的局部壁厚較低的情況，這從機械完整性觀點可能不足夠。

本發(fā)明的概要

本發(fā)明的目的是提供用于磨損構(gòu)件(特別是燃?xì)鉁u輪葉片)的修理的帶有改進質(zhì)量的有效方法。應(yīng)達(dá)到最佳內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以及缺陷降低至僅可允許的程度。

根據(jù)獨立權(quán)利要求1，用于修理精密鑄造的渦輪葉片的方法包括以下步驟，渦輪葉片包括：帶有壓力側(cè)和帶有壁厚的吸力側(cè)以及內(nèi)部冷卻通道的翼型件，具有帶有頂板和凹槽以及至少一個信孔的末梢頂?shù)哪┥?，信孔在新部分制造期間通過釬焊封閉，其中信孔區(qū)域在葉片的第一壽命周期中的操作期間損壞。

a)與合適的末梢頂一起移除損壞的信孔區(qū)域；然后

b)通過焊接將翼型件的壓力側(cè)和吸力側(cè)堆積至足夠高度；然后

c)CNC加工翼型件至頂板的底側(cè)的高度；然后

d)電火花加工(EDM)焊接堆積的內(nèi)部輪廓，其包括內(nèi)腔的精確開口幾何結(jié)構(gòu)以用于封閉板的結(jié)合；然后

e)將精確配合的封閉板插入到步驟d)中加工的開口中且通過點焊固定封閉板；然后

f)基于需要的性質(zhì)選擇焊接填料且完全過焊封閉板，使得封閉板自身重熔且被吸收到主要由選擇的焊接填料形成的液態(tài)焊池中，從而堆積頂板；然后

g)焊接凹槽狀末梢；且最終

h)通過研磨恢復(fù)葉片的內(nèi)部輪廓和外部輪廓。

本申請的核心是將封閉板放置到葉片開口的腔中，而不是將其放置在加工水平上方。在最終組件結(jié)構(gòu)中，此封閉板不用作葉片的封閉元件，但其僅為隨后的過焊過程的過程輔助。

封閉板具有焊池固定的功能，避免在臨界區(qū)域“C”中液態(tài)焊池凝固帶有顯著幾何結(jié)構(gòu)缺陷(稱作“反吸”或“底切”)。封閉板自身重熔且被吸收到主要由選擇的焊接填料形成的液態(tài)焊池中。焊接之后，葉片的封閉通過焊接自身而不是通過任何“外來”末梢帽實現(xiàn)。作為優(yōu)點，這允許將接合材料對接部的數(shù)目從三個(葉片、末梢帽和焊接)限制為兩個(葉片和焊接，包括熔化的封閉板)。因為各個對接部通常是缺陷來源，這是優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)過程的顯著進步。

在優(yōu)選的實施例中，步驟a)中的移除包括將損壞的信孔區(qū)域完全加工或研磨掉，包括來自新部分制造的釬焊影響區(qū)域以及來自葉片的第一壽命周期期間的操作的局部損壞。切除部的深度優(yōu)選達(dá)到現(xiàn)在的信孔下方5mm，且用于切除部的開口角度在帶有半徑R3的100°到120°的范圍中。

在一個實施例中，步驟b)中的堆積包括沿堆積帶有增加壁厚的壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的焊接堆積，使得步驟e)中點焊的封閉板的水平處的壁厚相比步驟a)中加工/研磨的葉片的水平處較高。在將壁厚從之前服務(wù)的厚度加厚至等于在此區(qū)域新產(chǎn)生設(shè)計標(biāo)稱壁厚的2倍的厚度的情況下其是有利的，因為然后可達(dá)到臨界區(qū)域“C”朝葉片的中間的移位，其意味著遠(yuǎn)離負(fù)載承受側(cè)壁。這具有的優(yōu)點在于，封閉板的尺寸縮小(對焊池有受限的影響)，且葉片和凹槽狀末梢之間的結(jié)合的質(zhì)量通過減少焊接缺陷而增加。

其它優(yōu)選的實施例在另外的從屬權(quán)利要求中描述，例如，當(dāng)帶有用于激光束的光學(xué)掃描器的自動激光焊接用于在過程期間調(diào)節(jié)焊道厚度且因此焊接堆積的局部壁厚時，修理的構(gòu)件具有極高的質(zhì)量且因此長久的第二壽命。

附圖的簡要描述

現(xiàn)在將借助于不同的實施例且參照附圖來更加仔細(xì)地闡釋本發(fā)明。

圖1在透視圖中示出了典型燃?xì)鉁u輪葉片的照片；

圖2a至圖2c示出了用于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的葉片末梢的封閉(末梢帽焊接)的若干步驟；

圖3示出了本發(fā)明的步驟a)之后的帶有移除的信孔和周圍材料(由圖中的圈識別)的之前服務(wù)的燃?xì)鉁u輪葉片的照片；

圖4示意性示出了帶有設(shè)計用于焊接的內(nèi)部輪廓的更好控制的量規(guī)的葉片的末梢；

圖5a至圖5b示意性示出了翼型件側(cè)壁中的一個通過焊接的堆積的實施例，帶有本發(fā)明的步驟b)之后的壁厚的增加；

圖6示出了本發(fā)明的步驟c)之后的翼型件的照片；

圖7示出了本發(fā)明的步驟e)和f)之后帶有利用插入的精確配合的封閉板、點焊板和完全過焊板以用于封閉腔的若干步驟的照片。

本發(fā)明的不同實施例的詳細(xì)描述

在優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)描述中，對附圖進行了參照，附圖形成其一部分且通過圖示示出，且不作為限制。將理解的是，可使用其它實施例且可作出改變而不脫離本發(fā)明的范圍。

作為示例，申請人的GT13E2葉片1(精密鑄造的新葉片10)具有兩個信孔15(在帶有末梢頂?shù)哪┥覅^(qū)域14中)，其封閉鑄造相關(guān)的鑄孔。在服務(wù)期間，這些位置顯著受損，且該部分在拆卸之后通常顯示高度的損壞。

對于這種構(gòu)件的修復(fù)和第二壽命周期，迄今進行了原始設(shè)計的恢復(fù)(包括釬焊的信孔15的替換)，其引起相對高的脫落率。根據(jù)本發(fā)明的主要觀點，在修復(fù)期間不恢復(fù)原始精密鑄造驅(qū)動的信孔15的設(shè)計特征，而是完全地移除且由特定焊接結(jié)構(gòu)替換。

根據(jù)獨立權(quán)利要求1，用于修理該精密鑄造的渦輪葉片10的公開的方法包括以下步驟：

a)與合適的末梢頂14'一起移除損壞的信孔15區(qū)域；然后

b)通過焊接將翼型件11的壓力側(cè)和吸力側(cè)22、24堆積至足夠高度；然后

c)CNC加工翼型件11至頂板14'的底側(cè)的高度；然后

d)電火花加工(EDM)焊接堆積的內(nèi)部輪廓，其包括內(nèi)腔34的精確開口幾何結(jié)構(gòu)以用于封閉板16的結(jié)合；然后

e)將精確配合的封閉板16插入到步驟d)中加工的開口中且通過點焊固定封閉板16；然后

f)基于需要的性質(zhì)選擇焊接填料54且完全過焊封閉板，使得封閉板16自身重熔且被吸收到主要由選擇的焊接填料54形成的液態(tài)焊池中，從而堆積頂板14'；然后

g)焊接末梢14的凹槽14''；且最終

h)通過研磨恢復(fù)葉片10的內(nèi)部輪廓和外部輪廓。

通過將損壞的信孔15區(qū)域完全研磨掉，移除來自第一壽命周期的操作局部損壞區(qū)域以及來自新部分制造的釬焊影響區(qū)域(見圖3)。在優(yōu)選的實施例中，切除部的深度達(dá)到原始信孔15下方5mm，且用于切除部的開口角度為帶有半徑R3的100°到120°。

第一步驟之后，翼型件11在壓力側(cè)24和吸力側(cè)22(以及此實施例中的中間壁)處焊接堆積。在本實施例中，焊接堆積利用沿堆積的增加壁厚w實現(xiàn)?？捎欣厥褂迷O(shè)計用于焊接的內(nèi)部輪廓的更好控制的量規(guī)(見圖4)。

封閉板水平下方的局部壁從值w1(其為研磨/加工的葉片的局部壁厚)到較高值w2(在封閉板16的水平處)的加厚使其可能將臨界區(qū)域“C”(見圖5)朝葉片10的中間移位，因此遠(yuǎn)離負(fù)載承受側(cè)壁。一方面，現(xiàn)在有可能縮小封閉板16的尺寸(對焊池有受限的影響)，且在另一方面，葉片10和上方的凹槽狀末梢14之間的結(jié)合的質(zhì)量通過減少焊接缺陷而增加。優(yōu)選的是，將壁厚從之前服務(wù)的厚度加厚至等于此區(qū)域中新產(chǎn)生設(shè)計標(biāo)稱壁厚的2倍的厚度。

步驟b)之后，其意思是在將翼型件側(cè)22、24焊接至足夠高度之后，將構(gòu)件CNC加工至頂板14'的底側(cè)的高度。CNC研磨的正確高度確保正確的局部壁厚w、正確的重量分布且因此用于頂末梢14的正確的負(fù)載情況(圖6)。

然后，電火花加工焊接堆積的內(nèi)部輪廓，其包括內(nèi)腔34的精確開口幾何結(jié)構(gòu)以用于隨后的封閉板16的結(jié)合。通過這樣做，可為了機械完整性原因而控制焊接填料54(重量=負(fù)載)的量以及焊接堆積的內(nèi)部輪廓。正確的內(nèi)部輪廓可通過EDM電極的形狀保證。

下一步驟是關(guān)鍵的-優(yōu)選地通過激光或水射流切割生產(chǎn)的精確配合的封閉板16點焊到由EDM過程產(chǎn)生的腔34中(見圖7a和圖7b)且之后整個封閉板16過焊(見圖7c)。在封閉焊接過程期間，此封閉板16作用為焊池固定，保證穩(wěn)定的焊池且因此包括焊接的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的受控的總體焊接過程。這具有的優(yōu)點是，諸如像幾何結(jié)構(gòu)的反吸、內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的邊緣處的尖缺口和/或裂紋的典型焊接缺陷最大限度減少。

用于封閉板16的材料有利地為哈司特鎳合金(Hastelloy)X、Haynes 230或類似的鎳基超合金。封閉板16的厚度優(yōu)選為1.0到1.8mm。封閉板16的尺寸對于各個構(gòu)件優(yōu)化。

相對于外部翼型件幾何結(jié)構(gòu)，存在優(yōu)選的2.0到4.0mm的向內(nèi)移位。封閉板16和葉片的加工部分之間的對接部設(shè)計在優(yōu)選的實施例中“抵靠配合”(見圖5a)或作為備選設(shè)計帶有架(見圖5a)。使用優(yōu)化用于高強度、高抗氧化性或高焊接性的若干不同焊接填料材料中的一者或組合是有利的。

可實現(xiàn)相比于頂板14'或凹槽14''末梢焊接帶有不同性質(zhì)的緩沖焊接。這取決于修理的構(gòu)件和其損壞模式。

焊接過程通過手動或自動的TIG(鎢極惰性氣體)焊接、MAG(金屬活性氣體)焊接或激光焊接(LMF-激光金屬成形)實現(xiàn)。優(yōu)選的是包括用于激光束的光學(xué)掃描器的自動激光焊接，帶有在過程期間調(diào)節(jié)焊道厚度且因此焊接堆積的局部壁厚的可能性。

過焊完整的封閉板16之后，凹槽狀末梢14'、14''另外根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)焊接。最終，葉片10的內(nèi)部(末梢腔)和外部(翼型件)輪廓通過研磨恢復(fù)，完成構(gòu)件的修理。

公開的焊接修理嵌入在包括恢復(fù)冷卻特征、再鉆冷卻孔、再涂布等的總體過程鏈中。

當(dāng)然，公開的過程不限于描述的實施例。其可用于其中在修理期間必須封閉腔的所有構(gòu)件。

參考標(biāo)號的清單

10 葉片，渦輪葉片

11 翼型件

12 軸

13 基座

14 葉片末梢

14' 頂板

14'' 凹槽

15 信孔

16 封閉板

18 翼型件外壁

22 壓力側(cè)壁

24 吸力側(cè)壁

34 內(nèi)腔

46 修理表面

48 封閉板/末梢帽

54 焊接接頭(焊接填料)

56 周邊部分

62 替換凹槽狀部分

w 壁厚

w1 加工的葉片的水平處的壁厚

w2 焊接的封閉板的水平處的壁厚。