[发明专利]定向凝固合金的修补

说明书

本专利申请要求于2012年5月11日提交的美国临时专利申请61/645,800的权益。

技术领域

本发明总体上涉及材料领域，尤其涉及定向凝固合金的修补。

背景技术

为了实现高温、高应力机械应用(例如燃气涡轮发动机)，需要开发镍基和钴基高温高强合金。由这种合金制成的部件可以铸造为等轴结构(随机多晶结构)、柱晶结构(晶粒平行于主应力轴线形成)、或单晶结构(无晶界)。柱晶和单晶结构是通过在铸造过程中使熔融合金材料有方向性地凝固而形成的，对于某些应用，这种结构具有性能优势。

为了节省开支，可取的办法是对定向凝固高温合金部件进行修补，而不是整体更换。但是，修补这种材料比较困难，因为修补过程可能破坏下层晶体结构的方向性，从而削弱部件的强度。

美国专利US8,141,769揭示了一种定向凝固材料的修补工艺，其中，在不会使下层基底材料的晶体结构发生变化的足够低的温度下在修补区域中敷设焊料，并诱发温度梯度，从而在焊料材料中产生定向凝固晶粒结构。虽然这种工艺能保护下层晶粒结构，但是它仅限于宽度为1-1000微米的局部修补。而且，焊料中必须有低熔点成分，这限制了可用于进行修补的材料的选择。

美国专利US7,784,668揭示了一种使用预成形修补材料的方法，该材料熔化并凝固到定向凝固基底上，从而随基底材料晶粒择优结晶和取向。但是，由于熔融添加材料的流动性和表面张力的限制，必须限制预成形型材的厚度。为了实现较厚的修补，必须按一系列重复的步骤顺次地使用多块预成形型材，或者必须使用容器或模具来支撑处于熔融状态的修补材料。

对于燃气涡轮发动机的高温合金翼片，最常用的修补方法是通过焊接或熔敷工艺在翼片基材表面上递增地沉积多层修补材料。所选择的修补材料必须与基底材料相配，或者具有类似的高温特性。这种熔敷修补可通过利用金属丝作为焊补材料的气体保护钨极电弧焊(GTAW)来完成，对于热量较低的应用，可使用通常利用粉末材料作为焊补材料的微等离子体电弧焊(PAW)或激光焊(LBW)来完成。人们开发了此技术的多种变化形式，包括对基材进行焊前热处理调节、提高基材的预热温度、以及进行焊后热处理，例如高温等静压(HIPing)。但是，这种焊接过程不能复现下层基材的显微结构，因此不能产生与原部件中实现的材料性质相当的材料性质。

附图说明

下面将参照附图详述本发明。在附图中：

图1是采用现有技术的层敷工艺修补的定向凝固部件表面的显微照片；

图2是在现有技术的层敷修补过程中表面的熔池区的示意图；

图3是采用本发明的一个实施例的修补工艺修补的燃气涡轮叶片的示意图；

图4是图3所示的叶片的俯视图；

图5是表明基材熔化与移动速度和功率密度的关系的数据曲线图。

具体实施方式

图1是典型的现有技术焊接熔敷修补的结果的显微照片，其中示出了在定向凝固基底材料14的表面12上沉积的多层覆层区10。在覆层区10的最下部分16中，以黑线突出示出了基材晶粒的定向凝固外延。但是，这些晶粒在经过数层覆层之后终止，并被覆层区10的最上部分18覆盖，在最上部分18中发生了重结晶，并且晶粒不再定向凝固。本发明人认识到，这是在覆层过程中发生的局部凝固方向的结果。图2是说明这种发生方式的示意图。

图2是覆层材料的熔池20沿定向凝固基材24的表面22前进的剖面图。基材24的晶粒沿基材晶粒轴线26按大致垂直于表面22的方向生长，但是，由于熔池20的移动(在图2的示意图中是从左向右移动)，熔池材料沿凝固轴线28凝固的实际发生方向从基材晶粒的方向稍稍倾斜一个角度A。如果凝固轴线方向28相对于基材晶粒轴线26不过分倾斜，那么基材晶粒会以外延方式(具有相同的结晶取向)伸入覆层材料中。基材晶粒可能在这些层中的第一和第二层中发展一段距离，如图1所示。但是，后续层的重复处理会不可避免地遇到更优的晶粒生长方向，因为凝固的持续方向与下层显微结构成一个角度，并且其它晶粒取向会择优到凝固方向28。其结果是，定向凝固或单晶显微结构不再发展，而重结晶发生作用，如图1的覆层区10的最上部分18中所示。对于易发生裂纹的合金，例如牌号为MAR-M-247或CM 247的镍合金，随着这种显微结构变化，沉积层开始出现裂纹。发生这种现象是因为这种复杂的显微结构中的析出物在新取向的晶界处产生应力，从而引起微裂纹。