[发明专利]用于超级合金涡轮机叶片的拼插件修补

说明书

优先权声明

本申请要求于2011年11月4日提交的名称为“Mechanical Engagement to Enable Structural Repair of Advanced Superalloys”的并且转让序列号为61/555,499的共同未决的美国临时专利申请的利益，该专利申请的全部内容通过引用而纳入本文。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及先进的超级合金零件的机械结构修补，并且更特别地，本发明涉及用在燃气涡轮机中的那种类型的超级合金材料涡轮机叶片铸件的机械结构修补，该修补通过使用拼插件来实现，使得修补后叶片的机械结构或材料属性不会明显降低。

2.背景技术

燃气涡轮机的超级合金零件的“结构”修补通常被认为是利用匹配的合金材料来替换受损材料，并且实现与原始制造零件规格接近的诸如强度的属性（例如，原始规格的百分之七十的极限拉伸强度）。相比而言，这些合金的“装饰性”修补被认为是利用结构属性规格更低的不匹配合金材料来替换不需要局部的原始结构性能的地方的受损材料，以便恢复修补后零件的原始轮廓的几何形状。装饰性修补的实例为填充位于涡轮机叶片翼面上的表面坑洼，以便恢复其原始空气动力学轮廓，在这里叶片的局部外部表面对于整个叶片的结构整体性并不紧要。装饰性修补经常通过利用抗氧化焊接或钎焊合金来实现，抗氧化焊接或钎焊合金的强度低于叶片本体超级合金基底，但延展性更高且应用温度更低，不会对超级合金基底的材料属性形成负面影响。

用于制造涡轮机零件（例如，铸造涡轮机叶片）的镍钴基超级合金材料的结构修补由于精整后的叶片材料的冶金属性而变得困难。精整后的涡轮机叶片合金典型地在铸造后热处理的过程中被增强，而这些热处理使其难以进行后续的结构焊接。例如，当诸如CM247的超级合金与相同或相似合金条进行焊接时，叶片在焊接附近区域内容易出现应变时效裂纹。通常，仅有的方案是报废这些需要进行结构修补的受损涡轮机叶片，这是因为以往的经验已经显示这种结构修补鲜少成功。因此，修补已经被限制为那些在过去已经得到验证通过装饰性焊接而成功执行的修补，该装饰性焊接采用更具延展性的焊条填料材料，但具有降低的结构强度。

发明内容

因此，本发明的目的是执行诸如涡轮机叶片的超级合金涡轮机零件的结构修补，这些涡轮机叶片包括具有中空内部部分的铸造涡轮机叶片。

本发明的另一个目的是提高执行诸如涡轮机叶片的超级合金涡轮机零件的成功结构修补的可能性，从而能够减少受损叶片的报废率，这些涡轮机叶片包括具有中空内部部分的铸造涡轮机叶片。

本发明的另一个目的是利用经验证的可重复修补技术和机器执行诸如涡轮机叶片的超级合金涡轮机零件的结构修补，这些涡轮机叶片包括具有中空内部部分的铸造涡轮机叶片，这些修补技术和机器不需要复杂的焊接或修补后的热处理过程。

这些目的以及其他目的根据本发明通过用于修补超级合金材料涡轮机叶片本体的方法而得以实现，该方法通过将受损部分替换为机械联锁的修补拼接件而进行。该机械联锁的修补拼接件恢复了修补后叶片的结构属性，而不会产生已知焊接修补方法中固有的额外修补损坏的风险。在本修补方法中，损坏被移除，从而形成凿出的凹口。修补拼接件由具有相似机械结构属性的相同材料形成，具有遵从对应的凹口轮廓的匹配的外轮廓。所述修补拼接件被插入并捕获在所述凹口之内，从而使所述叶片本体和修补拼接件被机械联锁。假定叶片本体和机械联锁的拼接件两者的机械属性相似，则修补后的叶片的整体机械结构属性相似于未损坏叶片的整体机械结构属性。所述修补拼接件被固定到所述叶片本体，从而使每一个的联锁的各个部分都不分离。局部固定以及随后的装饰性叶片表面修补可以用更软的低温应用钎焊和焊接合金执行，这些合金不会产生叶片损坏的额外的巨大风险。

本发明特征在于一种用于修补涡轮机叶片的方法，该方法通过移除涡轮机叶片本体的受损部分并且在其中形成凿出的凹口而实现，该凹口的轮廓由所述叶片本体限定。具有对应于凹口轮廓的匹配的外轮廓的修补拼接件被形成。所述修补拼接件被插入并捕获在所述凿出的凹口之内，从而形成一致的机械联锁的修补叶片。所述修补拼接件被固定到所述叶片本体从而防止其分离。