去除中間層材料的高溫合金材料沉積的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般設(shè)及材料技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地沉積高溫合金材料而不開裂的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 取決于被焊接材料的類型，焊接工藝差別很大。一些材料在各種條件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊處理，W實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)良好的接合，而不使周圍基底材料劣化。
[0003] 人們認(rèn)識(shí)到，由于其對(duì)焊接凝固裂紋和應(yīng)變時(shí)效開裂的敏感性，高溫合金材料是 最難焊接的材料之一。術(shù)語"高溫合金"在本文中被使用，因?yàn)樗潜绢I(lǐng)域通常使用的；即在 高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐蠕變性能的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。高溫合金通常 包括高的儀或鉆含量。高溫合金的例子包括在售商標(biāo)和品牌下合金:化stelloy，Inconel合 金（例如^738、^792、1腳39)，1^116合金（例如1^116服、1^110 8〇、1^116 142)，化71163合金， Mar M，CM 247，CM 247LC，C263,718，X-750，ECY 768,282，X45，PWA 1483和CMSX(例如CMSX- 4)單晶合金。
[0004] -些高溫合金材料的焊接修復(fù)已成功完成，通過預(yù)熱材料到非常高的溫度(例如 達(dá)高于1600°F或870°C)，W在修復(fù)過程中顯著增加材料的延展性。運(yùn)種技術(shù)被稱為熱箱焊 接或在升高溫度(SWET)焊接修復(fù)的高溫合金焊接，它通常使用手動(dòng)GTAW工藝完成。然而，熱 箱焊接受到保持均勻的部件處理表面溫度的困難和保持完整的惰性氣體保護(hù)的困難W及 在運(yùn)種極端的溫度下在部件附近工作給操作者施加的身體困難的限制。
[0005] -些高溫合金材料的焊接應(yīng)用可W使用冷卻板，W限制基底材料的加熱來進(jìn)行； 從而限制基底熱效應(yīng)的出現(xiàn)和引起開裂的應(yīng)力問題。然而，運(yùn)種技術(shù)對(duì)于許多零件的幾何 形狀不便于使用冷卻板的修復(fù)應(yīng)用是不實(shí)際的。
[0006] 圖1是一個(gè)常規(guī)的圖，其示出了作為其侶和鐵含量的函數(shù)的各種合金的相對(duì)焊接 性。合金如inconef'iN7i8,其具有相對(duì)較低的運(yùn)些元素的含量，并必然相對(duì)較低的丫基本 含量(prime content)，被認(rèn)為是相對(duì)可焊接的，雖然運(yùn)種焊接通常被限制到部件的低應(yīng)力 區(qū)域。合金例如Ine〇ll^?IN939具有相對(duì)較高的運(yùn)些元素的含量，通常不被認(rèn)為是可焊接 的，或只能使用上面討論的特殊步驟被焊接，運(yùn)增加了材料的溫度/延展性并最小化工藝的 熱輸入。虛線10表示可焊性區(qū)域的可識(shí)別上邊界。線10在縱軸上與3wt. %的侶相交，在橫軸 上與6wt. %的鐵相交?？珊感詤^(qū)域W外的合金被認(rèn)為是使用已知工藝非常困難或不可能進(jìn) 行焊接的，并且具有最高侶含量的合金一般被發(fā)現(xiàn)是最難W焊接的，如由箭頭所表示的。
[0007] 還已知的是，利用選擇性激光烙化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)烙融一薄層高溫 合金粉末顆粒到高溫合金基底上。在激光加熱過程中，通過施加惰性氣體，例如氣氣，將烙 池從大氣屏蔽。運(yùn)些工藝往往捕獲氧化物(例如侶和銘的氧化物），它們附著在沉積材料層 內(nèi)的顆粒表面上，造成孔隙、夾雜物，和與被困氧化物相關(guān)的其他缺陷。后處理熱等靜壓 化IP)經(jīng)常被用來去除運(yùn)些空隙、夾雜物和裂縫，W改善沉積涂層的性能。非常薄的層（即 1mm的幾分之一）的高溫合金材料的激光微包覆(microcladding)已經(jīng)取得了 一定的成功。 然而，運(yùn)樣的過程是緩慢的，并且因此成本高，并且在非可焊接性區(qū)域的高溫合金沉積仍然 是個(gè)問題。
【附圖說明】
[0008] 本發(fā)明在下面的說明書中基于附圖進(jìn)行說明，所述附圖示出：
[0009] 圖1是示出了作為其侶和鐵含量的函數(shù)的各種合金的相對(duì)可焊性的常規(guī)圖表。
[0010] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)材料沉積的剖面圖。
[0011] 圖3A-3D示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。
[0012] 圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的步驟。
[0013] 圖5是本發(fā)明的部件修復(fù)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明人已開發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)能夠W遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有技術(shù)中所實(shí)現(xiàn)的層厚度 成功沉積非常難W焊接的高溫合金材料，所沉積的材料還具有有利的定向凝固 (directionally-solidified)晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)包覆材料的某些特性，并且已 經(jīng)開發(fā)出本發(fā)明來利用運(yùn)些特性的有利方面，并克服運(yùn)些特性的有害方面。
[0015] 圖2是通過激光包覆工藝沉積在多晶等軸(equiaxed)基底14上的材料層12的橫截 面圖。在大致平坦表面上的大面積激光包覆傾向于在沉積材料中產(chǎn)生大致垂直于表面的溫 度梯度。對(duì)于適度的沉積行進(jìn)速度，溫度梯度僅稍微從行進(jìn)進(jìn)展方向法線偏斜。在沉積材料 主要通過到下層基底的熱損失冷卻時(shí)，外延凝固（邱：Uaxial solidification)沿著運(yùn)樣的 溫度梯度發(fā)生。因此，微結(jié)構(gòu)趨向于定向凝固，晶粒大約垂直于基底表面生長。運(yùn)種效果類 似于定向凝固鑄造工藝，其中鑄模提供具有相對(duì)低的熱傳導(dǎo)的壁，并且熱從模具的底部被 提取，W使原料晶粒垂直增長。運(yùn)種效果在圖2的區(qū)域16的大致垂直定向晶粒中被示出。
[0016] 沉積材料12的頂部區(qū)域18具有由表面張力作用引起的稍微圓形形狀。而與到基底 的熱損失相比，到周圍大氣的熱損失相對(duì)較低，運(yùn)將沿大致垂直于圓形輪廓的頂部區(qū)域18 存在溫度梯度。因此單向凝固在該區(qū)域丟失，并且晶粒結(jié)構(gòu)一般是等軸的，如在圖2中所示。 在該第一沉積12上方的材料的第二層沉積(未示出）將趨向于產(chǎn)生更多等軸材料，因?yàn)闇囟?梯度隨后將垂直于圓形表面。
[0017] 對(duì)于難焊高溫合金材料，等軸凝固的發(fā)生通常與微裂紋相關(guān)聯(lián)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，通過多個(gè)沉積材料層形成的包層可W靠近基底無裂紋，但在后續(xù)層中表現(xiàn)出多種有害 的裂紋。運(yùn)種開裂原因可能包括等軸材料更可能弱化的晶界面積W及在凝固和沉積收縮過 程中應(yīng)力可能不利的被定向的可能性的事實(shí)。
[0018] 本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在多層包覆過程中包括中間層材料去除步驟，可 W實(shí)現(xiàn)甚至更難W焊接的高溫合金材料的無裂紋沉積。特別地，沉積材料層到基底表面上 之后，材料層的等軸材料部分被去除W暴露定向凝固材料的表面。材料去除過程可W是通 過研磨、機(jī)加工或有效地去除沉積材料層的上部等軸區(qū)域的任何其他工藝，如沉積12的層 18。定向凝固材料的暴露表面然后優(yōu)選平行于原始基底表面，并垂直于晶粒生長的方向，并 且它已準(zhǔn)備好使用另一材料層來包覆。材料去除和沉積步驟然后被重復(fù)直到獲得定向凝固 材料的所需厚度。
[0019] -種運(yùn)樣的方法參照?qǐng)D3A-3D進(jìn)行了更詳細(xì)的說明。圖3A是沉積在基底22上的合 金材料20的第一層的橫截面圖，例如通過激光包覆工藝。合金材料20和基底22在一些實(shí)施 例中可W是高溫合金材料。合金材料20包括定向凝固區(qū)域24和等軸區(qū)域26。如本文中所使 用的運(yùn)些區(qū)域的名稱并不意圖排除在區(qū)域中的其他晶型的一些附帶量，而是表明在區(qū)域中 的主要晶體形態(tài)。由于正常的表面張力的影響，等軸區(qū)域26具有不平行于基底22的表面30 的上表面27。
[0020] 圖3B示出了經(jīng)歷材料去除工藝之后圖3A的結(jié)構(gòu)，其中等軸區(qū)域24已被去除W暴露 定向凝固材料24的表面28。暴露表面28優(yōu)選是平的，平行于基底22的初始表面30,并垂直于 定向凝固材料24的縱向生長軸線。一些定向凝固材料可W在材料去除步驟中被去除。
[0021] 圖3C示出了合金材料32的第二層已經(jīng)被沉積到定向凝固表面28之后圖3B的結(jié)構(gòu)。 第二層32還包括定向凝固區(qū)域34和上覆等軸區(qū)域36。相對(duì)平坦的定向凝固表面28提供散熱 器，用于創(chuàng)建在材料沉積過程中生長定向凝固區(qū)域34必要的溫度梯度。沒有等軸材料被保 持在定向凝固材料24、34的層間，并且定向凝固因此從層延伸到層。在具有四層一個(gè)巧聯(lián)樣 品中，定向凝固微觀結(jié)構(gòu)延伸到第四層的近頂端，而利用輕磨削（小于約1mm的材料去除)在 層之間沒有開裂。類似的研磨在多遍一個(gè)接一個(gè)(side by side)的高溫合金的激光烙覆中 可能是有價(jià)值的。
[0022] 圖3D示出了等軸區(qū)域36已被去除之后的圖3C的結(jié)構(gòu)，W暴露另一個(gè)平面定向凝固 表面38,其可用于實(shí)現(xiàn)具有所需厚度的多層包層40所需材料的進(jìn)一步沉積。不同于現(xiàn)有技 術(shù)的高溫合金材料多層包覆，按照本發(fā)明的包層40不包括通過其厚度的等軸材料。當(dāng)基底 表面30是平坦的，或者至少在材料沉積區(qū)域合理地平坦時(shí)，有可能產(chǎn)生定向凝固材料在基 底22上的包層40,無論基底22是否被定向凝固或等軸化。
[0023] 可選地，層之間的包覆進(jìn)展方向可W隨著進(jìn)一步有助于保持定向凝固而改變。采 用緩慢行進(jìn)速度，溫度梯度僅從行進(jìn)方向的法線稍微傾斜，從而導(dǎo)致晶粒生長縱向軸線與 基底表面平面之間的小程度的非垂直度。沉積在相同行進(jìn)方向上的附加層可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)展 性偏斜，運(yùn)可能最終導(dǎo)致等軸凝固。通過顛倒進(jìn)展的方向（即首先進(jìn)入圖3的平面，然后從圖 3的平面離開），偏斜溫度梯度將在層之間切換并且從而在垂直方向上保持凝固。在各種實(shí) 施例中，沉積方向可W在每層之間顛倒，或一些多個(gè)層可W在顛倒之間進(jìn)行沉積。
[0024] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可用于沉積高溫合金材料的材料沉積工藝（例如 圖3A的層20或圖3C的層34)。在圖4中，基底50正經(jīng)歷焊劑輔助激光包覆工藝。基底