使用焊剂的超级合金的激光重熔修复方法
【专利说明】
[0001] 本申请为2011年1月13日提交的在审的美国专利申请号13/005,656的部分继 续申请（公开号US 2012/0181255 Al)，将其在此引入作为参考。
技术领域
[0002] 本发明大体涉及金属接合领域，更具体涉及超级合金材料的修复。
【背景技术】
[0003] 在燃气涡轮发动机中服役（service)后，热气路组件（如刀片和叶片等）常常会 产生熟知为龟裂（craze cracking)的浅层蜘蛛状裂缝。由于构成这些组件的超级合金材 料的受限的可焊性，这些裂缝的修复是困难的。超级合金材料在焊接凝固期间容易产生焊 缝和焊接热影响区的开裂，并且在随后的重建材料性能所需的焊后热处理时容易产生再热 开裂。
[0004] 美国专利7, 69, 242描述了，通过使用激光束或其它能量源在惰性气体或真空中 重熔500 μ m深的材料表面层来修复超级合金材料中小表面铸造缺陷的方法。考虑到修复 更深的缺陷以及降低热裂缺陷的风险，预热物件被提及。
[0005] 服役后的裂缝通常被各种燃烧过程产物污染，所述燃烧过程产物使得焊接修复更 为困难。氟离子清理（FIC)可用来在焊接前去除污染物，但是其对非常狭窄的裂缝作用有 限；并且由于它的从周围的基底材料中浸出重要元素的潜力，如果过度使用的话，则可能是 有害的。
[0006] 焊接工艺根据焊接材料的类型而有显著差异。一些材料更易于在多种条件下焊 接，而且其它材料需要特殊工艺以实现结构合理的接合而不使周围的基底材料劣化。
[0007] 常规的电弧焊接通常使用自耗电极作为进料材料。为了对焊池中熔融材料提供 对于气氛的防护，当焊接许多合金（包括，例如钢、不锈钢和镍基合金）时可使用惰性覆盖 气体或焊剂材料（flux material)。惰性和组合的惰性和活性气体工艺包括气体鹤电弧焊 接（GTAW)(也称为钨惰性气体（TIG))和气体金属电弧焊接（GMW)(也称为金属惰性气体 (MIG)和金属活性气体（MG))。焊剂保护的工艺包括埋弧焊接（SAW)(其中通常添加焊剂）、 药芯焊丝电弧焊（FCAW)(其中焊剂包含在电极的核中）、和保护金属极电弧焊（SMAW)(其中 焊剂被涂覆在填料电极的外部）。
[0008] 使用能量束作为热源用于焊接也是已知的。例如，激光能量已被用来使预先放置 的不锈钢粉末熔化在碳钢基底上，其中使用粉末焊剂材料提供熔体池的防护。该焊剂粉末 可与不锈钢粉末混合或作为单独的覆盖层施加。就本发明者的知识而言，在焊接超级合金 材料时还未使用焊剂材料。
[0009] 应理解超级合金材料是最难以焊接的材料之一，这是由于它们对焊接凝固裂缝和 应变时效裂缝（strain age cracking)的敏感性。在此使用术语"超级合金"，是因为其在 本领域经常使用；即，一种高度耐腐蚀和抗氧化的合金，其具有优异的机械强度和高温抗蠕 变性。超级合金通常包括高的镍或钴含量。超级合金的实例包括以以下商品名和商标销售 的合金：Hastelloy、Inconel 合金（例如 IN 738、IN 792、IN 939)、Rene 合金（例如 Rene 阳、1^116 80、1^116 142)、他71168合金、]\&^]\^厘 247、〇厘 247^：、〇263、718、父-7504〇￥ 768、 282、X45、PWA 1483 和 CMSX (例如 CMSX-4)单晶合金。
[0010] 一些超级合金材料的焊接修复已成功实现，其通过预加热该材料至非常高的温度 (例如至高于1600° F或870°C)来显著增加修复过程中材料的延性。该技术称为热箱焊 接或高温超级合金焊接（SWET)的焊接修复，且其通常使用手动GTAW方法实现。然而，热箱 焊接受限于难以维持均匀组分工艺表面温度和难以维持完全的惰性气体防护，以及在如此 极端的温度下对靠近组件工作的操作人员施加的身体困难。
[0011] 可使用冷却板来进行一些超级合金材料焊接应用以限制基底材料的加热；从而限 制基底热影响和引起开裂问题的应力的存在。然而，对于许多其中部件的几何形状不利于 使用冷却板的修复应用来说，该技术并不具有实用性。
[0012] 图6为阐明多种合金的相对可焊性作为其铝和钛含量的函数的常规示图。合金 如Iiieonel? IN718具有浓度相对较低的这些元素，因此具有相对较低的γ相含量（ga_a prime content)，这些合金认为是相对可焊接的，尽管该焊接通常限制于组件的低应力区 域。合金如InconeP IN939具有浓度相对较高的这些元素，其通常被认为是不可焊接的，或 仅可使用上述特殊方法焊接，这些方法增加材料的温度/延性和最小化该方法的热输入。 在此，出于讨论的目的，虚线80表示在线80下方的可焊性区域和线80上方的无可焊性区 域之间的边界。该线80在纵坐标与3重量％铝交叉且在横坐标与6重量％钛交叉。在无 可焊性区域内，具有最高铝含量的合金通常被发现是最难以焊接的。
[0013] 也已知使用选择性激光熔化（SLM)或选择性激光烧结（SLS)以将超级合金粉末颗 粒的薄层熔化在超级合金基底上。该熔体池在激光加热过程中通过施加惰性气体如氩气而 屏蔽该气氛。这些方法易于夹杂（trap)附着在沉积的材料层中的颗粒的表面上的氧化物 (例如铝和铬的氧化物），导致与夹杂氧化物相关的多孔性、掺入物和其它缺陷。通常使用 处理后的热等静压（HIP)来瓦解这些空隙、掺入物和裂缝，以改善所沉积的涂层的性质。
[0014] 对于一些非可焊性区域中的超级合金材料，没有已知的商业可接受的焊接或修复 工艺。而且，随着新的和合金含量更高的超级合金被持续开发，对开发用于超级合金材料的 商业可行的接合和修复工艺的挑战持续增长。
【附图说明】
[0015] 本发明在以下参考附图中进行解释，附图示出了 ：
[0016] 图1示出使用多层粉末的包覆方法。
[0017] 图2示出使用混合层粉末的包覆方法。
[0018] 图3示出使用药芯填充焊丝（a cored filler wire)和冷金属电弧焊接喷灯（cold metal arc welding torch)的包覆方法。
[0019] 图4示出使用药芯填充焊丝和能量束的包覆方法。
[0020] 图5示出能量束的叠复型式。
[0021] 图6为现有技术的图，示出了多种超级合金的相对可焊性。
[0022] 图7示出使用焊剂粉末的激光重熔修复工艺。
【发明内容】
[0023] 为了方便读者，应注意本文的图1-5示出了本文所述的本发明技术的多个方面和 应用，且以下图7的描述特别涉及本发明要求保护的用于超级合金的激光重熔修复的本发 明技术的用途。
[0024] 本发明者已开发了材料接合方法，其可成功用于接合和/或修复最难以焊接的超 级合金材料。尽管焊接超级合金材料时先前并未使用焊剂材料，本发明方法的实施方案有 利地在熔化和再凝固过程中于超级合金基底上使用粉末焊剂材料。一些实施方案还利用能 量束加热工艺（例如激光束加热）的精准的能量输入控制能力。所述粉末焊剂材料有效提 供光束能量诱捕、杂质清洗、气氛屏蔽、焊缝成形和冷却温度控制，以实现超级合金材料的 无裂缝结合，而无需