專利名稱：單晶鎳超合金件的修復的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所及一種單晶鎳基超合金部件的修復的方法，使得機械性能的損失最小和修復連接點的強度最大。
背景技術：
超合金用于氣體渦輪發(fā)動機中不同的部件，其中該部件很長時間暴露于高溫高壓下。典型的應用是高壓渦輪葉片，該部件的溫度可升至高達約2000°F。在這種情況下，期望該部件保持其形狀和強度而不是過度的經(jīng)常維護或更換必需部件。
典型地，超合金部件通過精密鑄造生產(chǎn)，其提供一形狀部件只需最小的加工操作達到其最終構形。為給材料提供輔助保護以免受由于燃燒過程的高溫和腐蝕環(huán)境的影響，通常使用被覆層。用于所需應用的具有足夠性能的部件除了作為部分被覆過程產(chǎn)生的加熱循環(huán)外沒有經(jīng)過熱處理就可成功生產(chǎn)出，該被覆過程是鑄態(tài)材料有效的預先熱處理。
在長時間使用后，由于腐蝕、由于經(jīng)常在環(huán)境和操作溫度之間循環(huán)造成熱機械疲勞產(chǎn)生的裂紋、或該部件的翼面部分彎曲或該部件的平臺部分扭曲脫離其原有位置的蠕變造成其結果改變該部件的操作性能，這些部件中的有些部件出現(xiàn)損壞。用于修復這些部件的方法已研制出并使用。
一種這樣的修復方法表示在授與Pietruska等人的美國專利Nos.5,549,767和5,922,150。這種用于修復鈷基超合金氣體渦流發(fā)動機部件的方法包括在該部件的表面施加一種基礎合金粉末的混合物和一具有熔點抑制劑的基礎合金粉末，并在2250°F和2300°F之間的溫度下加熱以便將該熔點抑制劑等溫地擴散到該基礎合金中。于是，一保護被覆層被施加，其間使用了延長該基礎合金的壽命的加熱循環(huán)。
授與Pietruska等人的美國專利Nos.5,741,378描述了一種用于修復含有碳化物的鈷基超合金氣體渦流發(fā)動機部件的方法。該方法包括在2250°F和2300°F之間的溫度下加熱處理1到12小時并在大約1965°F和1975°F之間的溫度下時效處理2到20小時的解決方法。
在氣體渦流發(fā)動機中使用的非單晶鎳基超合金部件的銅類修復通過使用一分解該合金以便確保機械性能無損失的熱處理方法而典型地實現(xiàn)。同時，此熱處理確保修復區(qū)域最大限度的擴散而在該修復區(qū)域或該基礎合金中沒有初熔。此方法用于非單晶鎳基超合金很有效；然而，對于單晶鎳基超合金，這種方法造成顯著的大大降低疲勞性能的再結晶并由于局部區(qū)域熔化造成修復區(qū)域的過分擴散。
因此，始終需要一種有效的用于修復單晶鎳基超合金部件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進的用于修復單晶鎳基超合金部件的方法，以便最大限度地降低機械性能的損失。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述最大限度地增強連接點強度的方法。
通過本發(fā)明的方法實現(xiàn)以上目的。
按照本發(fā)明，一種用于修復單晶鎳基超合金部件的方法概括地包括，在要修復的單晶鎳基超合金部件上施加修復合金并將所述部件和所述施加的修復合金加熱到一避免再結晶和該單晶鎳基超合金的修復區(qū)域初熔的溫度。在本發(fā)明方法的第一實施例中，該加熱步驟包括將該部件和該施加合金加熱處理到約2150°F和2275°F之間的范圍內(nèi)的溫度下，最好約2200°F，并在約5到24小時之間的范圍內(nèi)保持一段時間，最好約10小時。加熱后，該部件快速冷卻并進行時效處理。
在本發(fā)明方法的第二實施例中，該加熱步驟包括將該部件和該施加合金加熱處理到約2250°F和2350°F之間的范圍內(nèi)的溫度下，最好約2300°F，并將該部件和該施加合金在此溫度下在小于約30分鐘的范圍內(nèi)保持一段時間，最好約15分鐘或更少。該部件和該施加合金快速冷卻到約1950°F和2075°F之間的范圍內(nèi)的溫度下，最好約2025°F，并將該部件和該施加合金在此溫度下在約5到24小時之間的范圍內(nèi)保持一段時間，最好約10小時。加熱處理后，該部件快速冷卻并進行時效處理。
本發(fā)明的修復方法的其他細節(jié)以及其伴隨的其他目的和優(yōu)點在以下詳細描述和附圖中闡明，附圖中相同標號表示相同元件。
附圖簡要說明

圖1是表示在部件的加強部分處修復后的裂紋的顯微照片；圖2是表示以大約0.0016英寸的堆焊修復腐蝕表面的顯微照片；圖3是發(fā)動機測試后冷卻孔的導向邊的顯微照片，表示周圍被覆層和修復材料是完整的。
具體實施例方式
在氣體渦輪發(fā)動機的某些場合，例如第一和第二階段高壓渦輪(HPT)葉片中使用單晶鎳基超合金是十分需要的，因為該材料具有良好的機械性能和對于固有的發(fā)生在發(fā)動機內(nèi)的與燃燒過程相關的腐蝕環(huán)境具有顯著的抵抗能力。然而，操作條件十分苛刻使得材料需要以保護被覆層為形式的輔助保護，以便提供所需使用期限內(nèi)的服務。
施加在該部件例如葉片上的被覆層通常是MCrALY型或擴散鋁型，其中MCrALY型的M選自由鐵、鎳、鈷及其混合物的組成。被覆層典型的應用包括以鑄態(tài)或采用先前使用的溶液熱處理在該部件表面上施加被覆材料，對于MCrALY型在約1965°F溫度下加熱4小時或?qū)τ跀U散鋁型用24小時將該被覆層擴散到基體材料。
在相當?shù)氖褂闷谙藓?，這些部件經(jīng)常遭受不利影響，典型地以腐蝕為形式，在發(fā)動機正常操作中經(jīng)常會遇到的由于溫度循環(huán)造成的熱機械疲勞產(chǎn)生的裂紋或由于長時間暴露于高溫下的蠕變。
用于修復這些損壞部件方法包括添加修復材料例如修復合金以便重建該部件的腐蝕區(qū)域或填充如上述形成的裂紋。在添加該修復材料之前，除去所有細部零件例如隔板和蓋子等。該部件可噴砂和/或特別在氟化氫氣體中清洗，以便去氧。
在清洗后，該修復材料以粉末、帶子、涂料或糊狀物的方式添加。該修復材料最好包括兩種鎳基合金的混合物，其中第一種是低熔點鎳基黃銅合金，第二種是高熔點鎳基合金。在第一修復合金混合物中，第一鎳基合金占49-51％重量比而第二鎳基合金占49-51％重量比。在第二修復合金混合物中，第一鎳基合金占39-41％重量比而第二鎳基合金占59-61％重量比。在第三修復合金混合物中，第一鎳基合金占29-31％重量比而第二鎳基合金占69-71％重量比。在第四修復合金混合物中，第一鎳基合金占19-21％重量比而第二鎳基合金占79-81％重量比。
該修復合金混合物中的第一鎳基黃銅合金最好含有約8.5-9.5％重量比的鉻，約7.5-8.5％重量比的鈷，約3.75-4.25％重量比的鎢，約1.75-2.25％重量比的鋁，約2.75-3.2 5％重量比的硼，約0.75-1.25％重量比的鉿，最多約0.015％重量比的碳，最多約0.1％重量比的錳，最多約0.1％重量比的硅，最多約0.015％重量比的磷，最多約0.015％重量比的硫，最多約0.1％重量比的鐵，最多約0.05％重量比的銅，最多約0.2％重量比的鋯，以及與其平衡的鎳和不可避免的雜質(zhì)。該修復合金混合物中的第二鎳基合金最好是鎳基合金并含有約4.75-5.25％重量比的鉻，約9.5-10.5％重量比的鈷，約1.7-2.1％重量比的鉬，約8.4-9.0％重量比的鉭，約5.6-6.2％重量比的鎢，約2.8-3.2％重量比的錸，約5.5-5.8％重量比的鋁，約0.05-0.15％重量比的鉿，最多約0.050％重量比的碳，最多約0.12％重量比的錳，最多約0.12％重量比的硅，最多約0.015％重量比的磷，最多約0.015％重量比的硫，最多約0.003％重量比的硼，最多約0.2％重量比的鐵，最多約0.1％重量比的銅，最多約0.0075％重量比的鋯，以及與其平衡的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的另一實施例中，上述修復合金混合物中的第二鎳基合金由含有晶界強化劑鎳基合金的代替。適合的合金包括(1)一合金，其組分包括約4.75-5.25％重量比的鉻，約9.5-10.5％重量比的鈷，約1.7-2.1％重量比的鉬，約5.6-6.2％重量比的鎢，約2.8-3.2％重量比的錸，約7.8-9.0％重量比的鉭，約5.5-5.8％重量比的鋁，約0.25-0.45％重量比的鉿，約0.003-0.040％重量比的釔，最多約0.050％重量比的碳，最多約0.12％重量比的錳，最多約0.12％重量比的硅，最多約0.015％重量比的磷，最多約0.015％重量比的硫，最多約0.0030％重量比的硼，最多約0.2％重量比的鐵，最多約0.1％重量比的銅，最多約0.03％重量比的鋯，以及與其平衡的鎳和不可避免的雜質(zhì)；(2)一合金其組分包括約9.5-10.5％重量比的鉻，約4.5-5.5％重量比的鈷，約3.75-4.25％重量比的鎢，約1.25-1.75％重量比的鈦，約11.75-12.25％重量比的鉭，約4.75-5.25％重量比的鋁，約0.003-0.40％重量比的釔，約0.25-0.45％重量比的鉿，最多約0.050％重量比的碳，最多約0.12％重量比的錳，最多約0.12％重量比的硅，最多約0.015％重量比的磷，最多約0.015％重量比的硫，最多約0.0030％重量比的硼，最多約0.2％重量比的鐵，最多約0.1％重量比的銅，最多約0.03％重量比的鋯，以及與其平衡的鎳和不可避免的雜質(zhì)；以及。(3)一合金其包括約9.5-10.5％重量比的鉻，約4.5-5.5％重量比的鈷，約3.75-4.25％重量比的鎢，約1.25-1.75％重量比的鈦，約11.75-12.25％重量比的鉭，約4.75-5.25％重量比的鋁，約0.25-0.45％重量比的鉿，最多約0.050％重量比的碳，最多約0.12％重量比的錳，最多約0.12％重量比的硅，最多約0.015％重量比的磷，最多約0.015％重量比的硫，最多約0.0030％重量比的硼，最多約0.2％重量比的鐵，最多約0.1％重量比的銅，最多約0.03％重量比的鋯，以及與其平衡的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
在使用該修復合金后，將由單晶鎳基合金形成的部件和其上的修復合金加熱到一避免再結晶和形成該正被修復的部件的單晶鎳基超合金的修復區(qū)域初熔的溫度。在本發(fā)明方法的第一實施例中，把其上有修復材料的部件加熱處理以便獲得修復接點中的寬裂紋等溫固化。在這種方法中，該部件加熱到約2150°F和2275°F之間的范圍內(nèi)的溫度下，最好約2200°F，并在約5到24小時之間的范圍內(nèi)保持一段時間，最好約10小時。加熱后，該部件和該修復材料以第一速率115°F/分快速冷卻，或更快冷卻至2100°F溫度而后以第二速率35°F/分冷卻，或更快冷卻至800°F溫度。在冷卻后，在適合的氣體例如空氣中，將該部件和其上的修復材料在約1300°F和約1600°F之間的范圍內(nèi)的溫度下進行再時效處理，并在約12到36小時之間的范圍內(nèi)。
在某些情況下，希望在再時效熱處理之前采取預先熱處理。在保護氣體例如氬氣中該預先熱處理在約1950°F和2000°F之間的范圍內(nèi)的溫度下進行，并保持大約4個小時。
已發(fā)現(xiàn)上述混合的鎳基修復材料與用于本發(fā)明熱處理的合金相一致。同樣已發(fā)現(xiàn)該第一鎳基修復合金和某一第二鎳基合金的摻合物或混合物作為該基礎合金的組分通過給該修復材料提供晶界強化劑進一步加強該修復連接點。這種第一熱處理方法降低了低溫蠕變強度，但高溫蠕變、低溫拉伸強度和低循環(huán)疲勞相對沒有影響。該低溫蠕變強度對于大多數(shù)應用來說可以接受，因為對于此類鎳基合金的起始蠕變強度遠遠大于該部件所需的強度。
在第二方法中，把該待修復的單晶鎳基合金部件首先如上所述噴砂和/或清洗。其后采用適合的修復材料以粉末、帶子、涂料或糊狀物的方式施加在將該修復的單晶鎳基合金部件上，在其上有該修復材料的部件加熱到約2250°F和2350°F之間的范圍內(nèi)的峰值溫度下，最好約2300°F，其后以5°F和100°F/分之間的冷卻速率，最好是35°F/分快速冷卻到約1950°F和2075°F之間的范圍內(nèi)的溫度下，最好約2025°F。該部件在峰值溫度下保持一足以加熱該部件的時間。最好，該部件在峰值溫度下保持大約30分鐘或更少的時間并且優(yōu)選大約15分鐘或更少。將該部件在低溫范圍內(nèi)保持約5到24小時之間的范圍內(nèi)的一段時間，并最好約10小時。
在此熱處理循環(huán)后，該部件以大約35°F/分冷卻速率進行快速冷卻?；蚋?。其后，該部件在適合的氣體中該部件在約1300°F和約1600°F之間的范圍內(nèi)的溫度下進行再時效處理，并在約12到36小時之間的范圍內(nèi)保持一段時間。
在此第二方法中，該修復材料最好包括具有上述重量比的合金混合物。與上述的第一方法結合的所述第二鎳基合金可用作該修復材料混合物中的合金之一。取代使用與第一方法中使用的合金結合的所述的第一鎳基合金，最好使用其他高溫鎳或鈷基合金例如AMS 4783或CO 333作為在該修復材料混合物中的第一合金。
此第二方法在該基礎合金機械性能上具有局限的反面影響并可對于銅合金能導致更高的再熔溫度。與上述的第一方法相比采用這種方法的裂紋寬度能力有些下降。
對于兩種方法的機械性能的概述表示在表I中，其中1X代表該底線。
表I

圖1表示出使用上述第一方法的裂紋修復。該裂紋除去所有氧化物并完全以修復材料填充。該修復材料可等溫固化而不產(chǎn)生任何負面過度的擴散或初熔。圖2表示出一使用上述第一方法的0.016英寸厚度表面進行修復的。該修復表示出一由修復合金包圍的基礎合金顆粒的顯微結構。該基體沒有初熔并沿該交界面進入修復區(qū)等溫固化。圖3表示出使用上述的第一方法冷卻充滿該修復合金的許多孔并在鄰近區(qū)域重新鉆孔。具有MCrALY粘合層的陶瓷被覆層施加在外部表面。該修復合金表示一幾乎完全等溫的固化并在該連接基體中沒有初熔。在圖中表示的所有例子沒有顯示與該測試相關聯(lián)的負面異?，F(xiàn)象。
顯然按照本發(fā)明提供一種用于修復單晶鎳基超合金部件的方法，該方法能完全滿足上面提出的目的、措施和優(yōu)點。在文中具體實施例中描述本發(fā)明的同時，對于閱讀上述描述的本領域技術人員其他的選型、改型和變型將變得顯而易見。因此，認為這些選型、改型和變型落入所附權利要求的廣義的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種修復由單晶鎳基超合金形成的部件的方法，包括以下步驟在待修復的由單晶鎳基超合金形成的部件的至少一部分上施加修復合金；以及將該部件和所述修復合金加熱到一避免再結晶和所述單晶鎳基超合金的修復區(qū)域初熔的溫度。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在所述加熱步驟后快速冷卻所述部件并將所述冷卻的部件進行時效處理。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括將該部件和所述修復合金加熱到約2150°F和2275°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在5到24小時之間的范圍內(nèi)。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括將該部件和所述修復合金加熱到2200°F溫度下并保持10小時。
5.如權利要求3所述的方法，還包括將所述加熱的部件和修復合金以速率115°F或更快快速冷卻至2100°F溫度而后以速率35°F或更快冷卻至800°F溫度。在1300°F和1600°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在約12到36小時之間的范圍內(nèi)時效處理所述冷卻的部件。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括在所述部件上施加鎳基合金混合物。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括施加修復合金的混合物，該混合物具有49-51％重量比的低熔點鎳基黃銅合金和49-51％重量比的高熔點鎳基合金。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括施加修復合金的混合物，該混合物具有39-41％重量比的低熔點鎳基黃銅合金和59-61％重量比的高熔點鎳基合金。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括施加修復合金的混合物，該混合物具有29-31％重量比的低熔點鎳基黃銅合金和69-71％重量比的高熔點鎳基合金。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括施加修復合金的混合物，該混合物具有19-21％重量比的低熔點鎳基黃銅合金和79-81％重量比的高熔點鎳基合金。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括將所述部件和所述修復合金加熱處理到2250°F和2350°F之間的范圍內(nèi)的第一溫度下，并將所述部件和所述修復合金在所述第一溫度下保持30分鐘或更少的一段時間，將所述部件和所述修復合金快速冷卻到1950°F和2075°F之間的范圍內(nèi)的第二溫度下，并將所述部件和所述修復合金在所述第二溫度下在5到24小時之間的范圍內(nèi)保持一段時間。
12.如權利要求11所述的方法，還包括將所述部件和所述修復合金從所述第一溫度以每分鐘5°F到每分鐘100°F的速率冷卻至所述第二溫度。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括將所述部件和所述修復合金加熱處理到2300°F的第一溫度下，并將所述部件和所述修復合金在所述第一溫度下保持15分鐘或更少的一段時間，將所述部件和所述修復合金以每分鐘35°F的速率快速冷卻到2025°F的第二溫度下，并將所述部件和所述修復合金在所述第二溫度下保持10小時。
14.如權利要求11所述的方法，還包括另外將所述部件和所述修復合金以每分鐘35°F的速率或更快冷卻，在所述另外的冷卻步驟后將所述部件和所述修復合金在1300°F和1600°F之間的范圍內(nèi)的一溫度下并在12到36小時之間的范圍內(nèi)進行時效處理。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述修復合金施加步驟包括施加修復合金的混合物，該混合物包含鎳基合金形成的基礎合金和選自由高溫鈷基黃銅合金和高溫鎳基黃銅合金組成的黃銅合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種修復由單晶鎳基超合金形成的部件的方法。該方法包括在一由單晶鎳基超合金形成的部件的至少一部分上施加修復合金并將該有修復合金的部件加熱以避免再結晶和該單晶鎳基超合金的修復區(qū)域初熔的溫度的步驟。在加熱步驟后該部件最好快速冷卻并進行時效處理。
文檔編號B23P6/00GK1401458SQ02107800
公開日2003年3月12日 申請日期2002年3月22日 優(yōu)先權日2001年5月15日
發(fā)明者N·皮特魯斯卡, D·J·克林 申請人:聯(lián)合工藝公司