专利名称：使用冷喷涂铝材料进行结构修补的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，其使用冷喷涂粉末含铝材料来修理部件，如涡轮发动机部件。
背景技术：
目前的修理方法通过各种技术，如等离子喷涂，高真空泵和环氧树脂粘接，对铝和镁材料结构进行尺寸修复。但是，施加到影响区的这些修理不能向结构提供益处。因此，尽管部件尺寸得到恢复，当下面的结构损害到其最小尺寸时，不能使用这些现有的修理方法，因为修理的部件不具有要求的强度。熔化焊接工艺能够实现结构修理，但经常导致难以接受的变形。此外，熔化焊接和类似工艺产生较高温度，可对基体材料的性能产生负面影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种恢复尺寸的修理部件的方法。
本发明的另一目的是提供一种与上面类似的方法，使得一些结构具有修理所承诺的性能，不会出现不可接受的变形，或对下面材料的性能形成负面影响。
通过本发明的方法实现了前面的目的。
根据本发明，修理部件的方法广义包括步骤提供具有待修理缺陷的部件；和沉积含铝修理材料到部件表面的影响区，使得修理材料与影响区碰撞塑性变形并无熔化地粘接到影响区，从而以固态覆盖所述影响区。
根据本发明的使用冷喷涂铝材料的结构修理方法的其他细节，及其他目的和优点通过下面详细介绍和附图进行了公开，附图中相同的标记表示相同的元件。
图1显示了使用本发明的方法修理部件的系统。
具体实施例方式
本发明涉及使用粉末含铝修理材料修理元件或部件，如涡轮发动机的元件和部件。
在过去的数年中，已经开发出称作冷气体动态喷涂的技术(冷喷涂)。这种技术的优点在于可提供足够的能量加速颗粒到足够高的速度，当进行初始涂复发生碰撞时，颗粒塑性变形并粘接到所沉积的元件表面，形成相对密实的涂层或结构沉积。当进行后面的涂复时，颗粒粘接到前面沉积的涂层。冷喷涂不会出现固态冶金转移颗粒。冷喷涂工艺已经发现最适合塑性材料形成部件的修理。冷喷涂工艺可用于修理涡轮发动机的铝或镁基材料制成的部件，如风扇出口内壳体或齿轮箱。
当修理涡轮发动机部件时，腐蚀凹点和/或损坏区通过打磨。机械加工或其他可应用的技术清除，得到的表面可以进行或不进行喷砂，然后采用冷喷涂方法沉积修理材料，如含铝材料。根据本发明的适合于修理的含铝材料包括但不限于纯铝、铝合金6061，铝合金2219，Al-12Si合金，Al-Sc合金，和铝合金6061/B4C。在本发明的优选实施例中，含铝材料包括铝重量比超过50％的材料。
现在参考附图，其中显示了对元件或部件的影响区24进行修理的系统。系统包括喷枪22，其具有会聚/发散喷嘴20，修理材料通过喷嘴喷射到待修理的部件或元件10表面25的影响区。在修理材料沉积的过程中，部件或元件10可保持静止，或通过现有技术已有的适当方式(未显示)进行铰接转动或移动。或者，喷嘴20保持静止或铰接转动或移动。在某些情况下，部件和喷嘴都可以操纵。
在本发明的方法中，输送的修理材料是粉末含铝材料。粉末含铝材料可以是-325目，颗粒尺寸在5微米到50微米的范围。前面提到的较小颗粒尺寸能够实现较高的颗粒速度。颗粒直径在5微米以下，由于表面25和/或影响区24上面存在的弓形激波层，颗粒容易从表面25和/或影响区24扫过。这是由于质量不够，难以推动颗粒通过弓形激波。颗粒尺寸分布越窄，颗粒速度将越均匀。这是因为，如果同时具有较大和较小颗粒(双模式)，较小颗粒将碰撞移动慢的较大颗粒，可明显地减低两者的速度。
含铝修理材料的细小颗粒可使用压缩气体，如氦，氮或其他惰性气体，及其混合体，加速到超音速。氦是优选气体，因为其较低的分子重量，可产生最高的速度。
本发明的方法使用的将粉末含铝修理材料转换成沉积物的粘结机制是严格的固体状态，这意味着颗粒塑性变形。在非常高压力下，任何在颗粒和/或元件表面形成的氧化层被破坏，形成新鲜的金属对金属的接触。
用于形成沉积的粉末含铝修理材料可通过任何现有技术已有的机构，如改进的热喷涂进料器，输送到喷枪22。还可以使用轮转速为1到5rpm的Praxair粉末进料器。
在本发明的方法中，进料器可对气体进行加压，气体从氦、氮或其他惰性气体，以及其混合物中选择。例如进料器可使用氦气，加压到200psi到400psi范围的压力，最好是在300到350psi的范围。主气体最好加热，使得气体温度处于250到550摄氏度的范围，最好在350到450摄氏度的范围。对气体加热是为了避免气膨胀通过喷嘴20喉部时快速冷却和冷冻。在沉积期间进行修理的部件表面温度为大约115华氏度。现有技术已有的适当装置可用来加热气体。
为了沉积含铝修理材料，喷嘴20可不止一次地通过进行修理的部件10的影响区24。要求的通过数是施加的修理材料厚度的函数。本发明的方法能够形成具有希望厚度的沉积。如果希望形成较厚的层，喷枪22可保持静止，在影响区24上形成较厚沉积。当形成含铝修理材料的沉积层时，希望限制每次通过得到的厚度，以避免快速形成残余应力和不希望出现的沉积层之间的剥离。
在影响区24上沉积修理材料颗粒的主气体可以经入口30以0.001到50标准立方英尺/分钟的流量，最好是15到35标准立方英尺/分钟的流量，通过喷嘴20。氦用作主气体时优选使用上述流量。
喷枪22的压力可处于200到400psi的范围，最好是在300到350psi的范围。粉末含铝修理材料最好通过漏斗输送，在高于特定的主气体压力10到50psi的压力范围下输送，最好高于喷枪22的压力15psi，经过管线34输送流量在10克/分钟到100克/分钟的范围，最好处于15克/分钟到50克/分钟。
粉末含铝修理材料最好使用无氧化的载体气体输送到喷枪22。载体气体可通过入口30以0.001到50标准立方英尺/分钟的流量引入，流量最好是8到15标准立方英尺/分钟。如果氦气用作载体气体，前面介绍的流量是很适用的。
喷嘴20保持在距影响区24的一定距离处。该距离称为喷涂距离。喷涂距离最好是在10毫米到50毫米的范围。
粉末修理材料颗粒离开喷嘴20的速度可在825米/秒到1400米/秒的范围。最好是在850到1200米/秒的范围。
喷嘴每次通过的沉积厚度可在0.001英寸到0.030英寸的范围。
适合于本发明的方法的含铝修理材料，如铝合金6061，可喷涂到部件或元件10的影响区，厚度超过原始壁厚。含铝材料沉积后，部件或元件10可进行热处理，恢复冷喷涂含铝修理材料的塑性。热处理可在规定温度下进行，以实现部件或元件10希望的塑性。例如，热处理可以是带有冷喷涂含铝材料沉积的部件或元件在空气炉中加热到500华氏度，保持时间1到2个小时。当使用某些含铝修理材料时，无需进行热处理。当使用其他的含铝修理材料时，热处理的温度可从100华氏度变化到超过500华氏度，保持时间在1小时到24小时的范围。当要求进行热处理时，可整体施加到整个部件，或局部施加到修理区。
完成热处理后，带有沉积修理材料的部件或元件10可用机械方式平整影响区24的区域，修理区可具有宣称的结构信任度。文中使用的结构信任度是指冷喷涂铝合金修理材料具有的基体材料强度的比例，修理材厚度被认为是部分测量壁厚。没有必要使冷喷涂含铝修理材料的沉积具有母材强度。只要结构信任度足够，使得效壁厚超过要求的最小值。如果有效壁厚超过要求的最小值，部件或元件10就得到修复。如本文所用的，术语“有效壁厚”意味着，如果认为喷涂沉积物具有形成部件或元件10的基体金属的强度的75％，修理厚度的信任度为75％。因此，如果部件或元件10目前的壁厚是0.100英寸，施加了0.050英寸的沉积，使整体厚度为0.150英寸，则修理的有效壁厚是0.1375英寸，因为修理材料的强度为部件或元件的基体材料强度的75％。
与其他金属化工艺相比，冷喷涂具有许多优点。由于修理材料使用的含铝粉末无需加热到高温，使得材料氧化、分解或其他损坏不会发生。沉积期间的粉末氧化也得到控制，因为颗粒包容在无氧气的加速气流中。冷喷涂氦保持了输送物料的微结构。还有，因为输送的材料未熔化，冷喷涂向沉积材料提供了传统喷涂方式不能提供的性能，传统方式喷涂在冷却或后续热处理期间形成易碎的中间合金或具有开裂倾向。
冷喷涂，因为是固态加工过程，不会厉害地加热部件。其结果是，减少了变形。控制部件温度还使得能够保持某些基体材料性能，得到这些性能是通过前面的热处理。冷喷涂形成了压缩表面残余应力，其可提高对疲劳或脆性开裂的抗力，导致更牢固的维修。
尽管已经通过冷喷涂工艺对本发明进行了介绍，其他工艺也可用来实施这样的修理。这些工艺要能提供足够的能量来加速颗粒到足够高的速度，碰撞时，使颗粒塑性变形并粘接到表面，形成相对致密的涂层或结构沉积层。这些工艺不会出现固态冶金转移颗粒的情况。这些工艺包括但不限于，动能金属化，电磁颗粒加速，改进的高速空气燃料喷涂，和高速冲击熔化。
在喷涂6061铝合金到6061铝合金基体时已经实现超过10千磅/平方英寸的沉积粘接强度。制备样品使用了压力为300psi的氦载体气体，加热到400摄氏度。喷嘴在样品上横移，每秒移动125毫米。粉末输送量为每次通过可大约沉积0.010英寸的沉积层。喷嘴总共在样品上通过六次，形成0.060到0.070英寸的最终沉积厚度。
权利要求
1.一种修理部件的方法，包括步骤提供具有待修理的缺陷的部件；和沉积含铝修理材料到所述部件表面的影响区，使得所述修理材料与所述影响区碰撞时塑性变形并无熔化地粘接到所述影响区，从而覆盖所述影响区。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤包括沉积从纯铝和合金铝中选出的材料到所述影响区。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤包括沉积铝合金修理材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤包括提供所述粉末状含铝修理材料，粉末颗粒尺寸在5微米到50微米的范围，并加速所述粉末颗粒到825米/秒到1400米/秒的范围。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加速步骤包括加速所述粉末颗粒于850米/秒到1200米/秒的速度范围。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用载体气体输送所述含铝粉末到喷嘴，压力范围为200psi到400psi，输送量为10克/分钟到100克/分钟。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述输送步骤包括以15克/分钟到50克/分钟的输送量输送所述含铝粉末到所述喷嘴。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述载体气体包括氦，所述输送步骤包括以0.001到50标准立方英尺/分钟的流量输送所述氦到所述喷嘴。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输送步骤包括以8到15标准立方英尺/分钟的流量输送氦到所述喷嘴。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤还包括使用主气体，温度范围在250到550摄氏度，使所述含铝粉末颗粒通过所述喷嘴。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述通过步骤还包括在350到450摄氏度的主气体温度范围使所述含铝粉末颗粒通过所述喷嘴。
12.根据权利要求10所述的光源，其特征在于，所述主气体包括氦，所述通过步骤包括以0.001到50标准立方英尺/分钟的流量输送所述氦到所述喷嘴。
13.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述输送氦步骤包括以5到35标准立方英尺/分钟的流量输送所述氦。
14.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括保持所述喷嘴距所述影响区的距离为10到50毫米。
15.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括机械清除所述部件上影响区中至少一个腐蚀凹点和损坏区，然后进行所述沉积步骤，在进行所述沉积步骤之前还要对所述部件的影响区喷砂。
16.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括在一定温度对带有沉积含铝修理材料的所述部件进行热处理，保持足够时间，使沉积的含有铝的修理材料恢复塑性。
17.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述部件具有原始厚度，所述含铝修理材料沉积到所述影响区，使得所述修理部件的影响区的厚度超过所述原始厚度。
全文摘要
一种修理部件的方法，包括步骤提供具有待修理的缺陷的部件，沉积含铝修理材料到部件表面的影响区，修理材料通过与影响区冲撞塑性变形并粘接到影响区，从而覆盖影响区。
文档编号B05B7/14GK1800447SQ200510134019
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月20日 优先权日2004年12月21日
发明者A·德比卡里, J·D·海恩斯, D·A·鲁茨 申请人:联合工艺公司