[發明專利]激光熔覆系統填料分布裝置

有效

• 申請號: 201380047628.0
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN104619455B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: G.J.布魯克
• 申請（專利權）人: 西門子能量股份有限公司
• 主分類號: B23K26/342
• 分類號: B23K26/342;B23K26/70;B05B7/22;C23C24/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 吳俊

對相關申請的引用

本申請通過引用結合與其同時提交的標題為“SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSATION(采用表面拓撲能量傳遞補償的高溫合金激光熔覆)”的美國發明專利申請13/611,034(代理機構案號2012P09110US)。

技術領域

本發明涉及激光熔覆高溫合金部件，例如性能劣化的渦輪機輪葉和導葉。更具體地說，本發明的方法涉及沿連續焊接平移路徑把一個或多個填料層焊接到基底上。填料(例如金屬粉末)通過具有直線形或多邊形散布孔陣列的填料分布裝置在基底上以某個模式引入，以實現在激光束沿連續焊接平移路徑向基底傳遞光能之前或該過程中均勻布料。

背景技術

通常認為，燃氣輪機或其它高溫合金部件的“結構”修理是使用相配的合金材料替換受損的材料，并獲得接近于原始制造部件規格的特性，例如強度(例如，極限抗拉強度至少達到原始規格的百分之七十)。例如，優選在已出現表面裂紋的渦輪機輪葉上進行結構修理，從而降低進一步開裂的危險，并把輪葉恢復至原始材料的結構和尺寸規格。

對于用于制造渦輪機部件(例如渦輪機輪葉)的鎳基和鈷基高溫合金材料，由于成品輪葉材料的冶金特性，修理起來很困難。成品渦輪機輪葉合金通常在鑄造后熱處理過程中進行過強化，這使得難以對它們進行后續的結構焊接。例如，具有超過6％的鋁或鈦總含量的高溫合金(例如CM247合金)與鋁-鈦含量較低的X-750高溫合金相比在經受高溫焊接時更易產生應變時效裂紋。

當前用于高溫合金制造或修理的焊接過程通常涉及與施焊準備區鄰接的基底的顯著熔化，以及焊條或增加的其它填料的完全熔化。當使用由相同或相似合金構成的填充金屬對由這種材料制造的輪葉進行焊接時，在意圖恢復高溫合金的原始強度和把其它材料特性恢復到與新部件相當的水平的后續熱處理過程中，輪葉易在焊縫內和焊縫附近出現凝固裂紋(又名液化裂紋)和/或應變時效裂縫(又名再熱裂紋)。

一種意圖熔化高溫合金填充金屬而又不會給下層高溫合金基底造成熱損害的已知高溫合金接合和修理方法是激光束焊接，又名激光束微熔覆。與高溫合金基底材料相容或相同的高溫合金填充金屬(常常是粉末填料)在焊接前預先放到基底表面上，或者在熔覆過程中通過加壓氣體噴到表面上。固定激光器(即，除了相對平移外，在激光束應用過程中，激光器和基底具有固定的相對方位)產生的聚焦激光光能的“光斑”區液化填充金屬，并充分加熱基底表面，以促進填料和基底材料的良好結合，該結合層隨后凝固為基底表面上的熔覆沉積層。與其它已知的傳統焊接過程相比，激光束微熔覆是一個低熱輸入過程，對基底的熔化和快速凝固的控制較好，這能降低導致上述的凝固裂紋的傾向。激光焊接/熔覆過程中對高溫合金基底的較低熱輸入還能最大限度地減少殘余應力，這種殘余應力易導致上述的焊后熱處理應變時效裂紋。雖然激光熔覆焊縫與通過傳統手段形成的焊縫相比具有結構優點，但是實際的制造和修理情況需要很大的覆層表面積和/或大量覆蓋，而這是通過任何單次熔覆沉積材料所不能填滿的。

為了滿足為高溫合金部件增加體量的需求，基底上的激光熔覆沉積層可由相鄰凝固熔覆道次的一維或二維陣列構成。可應用多個激光焊接覆層道次和焊層，以構造表面尺寸體量。產生激光熔覆沉積層的陣列常常導致在沉積材料和熱影響區的下層基底材料中形成微裂紋和缺陷。某些缺陷與局部激光光能熱輸入不足時常見的未熔合(LoF)有關。基底(例如渦輪機輪葉)常常需要使用同等數量的高溫合金填料對缺失的輪葉基底材料量進行結構修理，以恢復輪葉的原始結構尺寸。在已知的激光熔覆技術中，使用獨立應用的激光熔覆沉積帶或道次的二維填料焊縫陣列來填充缺失的基底體量。與一系列毗連并交疊的凸點或焊點類似的是，在形成一片沉積物之后，激光束焦點位置和基底表面彼此相對移動，以焊接下一片沉積物。采用已知的多維填料沉積設備，在基底表面上預置一層填料顆粒(常常為粉末形式)，或者通過壓縮氣體進料噴嘴在激光“光斑”投射位置噴射一層填料顆粒。雖然美國專利公布文件2010/0078411說明了一種經由單個噴嘴分布熔覆填料粉末的機械螺旋進料式粉末供料筒，但是對于多維填料分布應用，其單點布料效果不太理想。