专利名称:包括有定向微结构的基本材料的构体的钎焊修补方法
本发明涉及一种构件的修补方法，该构件包括有定向微结构的基本材料，以及本发明还涉及一种构件，该构件有定向微结构的基本材料和钎焊点，钎料在这里与基本材料钎焊。
例如涡轮的构件目前并不少见用一种有定向微结构的材料制成。在这里，尤其单晶体材料和那些有一种晶粒结构以及在这种晶粒结构中使晶粒的膨胀有共同的优先方向的材料，均应看作是有定向微结构的材料。例如，晶粒沿确定的优先方向可以有比其余方向更大的尺寸。有这种晶粒结构的构件也称为定向凝固构件(directional solidified)。
大负荷构件，例如涡轮叶片，在工作时承受高的热负荷和机械负荷，它们会导致材料疲劳并因而产生裂纹。因为用有定向微结构的基本材料制造的构件比较昂贵，所以在出现损坏后人们通常致力于修补这种构件。为的是重新恢复其工作能力以及能将构件用于下一个维修周期。
修补受损构件的一种方法例如是钎焊。在钎焊时，将钎料加在构件材料、亦即基本材料上的损坏区域内，以及借助加热作用与基本材料连接。但是在迄今通用的方法中，钎焊后钎料没有单晶或定向凝固结构。然而与定向微结构相比，无序结构尤其在高温区域有较差的材料特性，所以钎焊点的材料特性比周围基本材料差。
熔焊法可供用于修补有定向微结构的受损构件，借助此方法也可以在焊接结构内造成定向微结构。例如在EP089090A1中公开了这种方法。
由出版物US6283356、US4705203、US4900394、US6565678、US4830934、US4878953、US5666643、US6454885、US6503349、US5523170、US4878953、US4987736、US5806751、US5783318、US5873703已知其他方法或要使用的钎剂。
US-PS 6050477公开了一种连接两个构件的方法，其中将钎料大面积地施加在两个构件之间以及利用一种温度梯度，以便造成同样的定向微结构。
US-PS 2003/0075587A1公开了一种有定向凝固微结构的构件的修补方法，然而在这里要修补的地点没有与要修补的构件相同的微结构。
US-PS 6495793公开了一种镍基超级高温合金的修补方法，其中使用激光器，激光器熔化通过材料输送机供给的材料。没有有关构件或修补地点的微结构方面的陈述。
EP1258545A1公开了一种没有温度梯度的钎焊方法。
EP1340567A1公开了一种方法，其中向已熔化的要修补的地点添加附加材料。此方法同样使用温度梯度，以便处理有定向微结构的构件。
US-PS 4878953公开了一种有定向微结构的构件的修补方法，按此方法，借助粉末将材料涂敷到要修补的地点上以及此地点有细晶粒的微结构。
而熔焊方法是熔化要修补构件的基本材料。因此，构件的在结构上承力的区域不允许熔焊，因为由于基本材料的熔化，会丧失定向结构的完整性。因此有定向微结构的构件，只有在所述损坏并不处于构件在结构上承力的区域内时才能借助熔焊方法修补。反之，若损坏处于构件在结构上承力的区域内并因而要求是一种定向的熔焊结构，则可以断言这一构件将无法修补和要用一个完好的构件替换。
因此本发明所要解决的技术问题是提供一种受损构件的修补方法，这种构件包括一种有定向微结构的基本材料，采用本方法，即使损坏处于此构件的在结构上承力的区域内也能修补。
本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种构件，该构件具有定向微结构的基本材料以及修补地点处于构件的在结构上承力的区域内，其中修补地点的材料与具有一个存在于结构上承力的区域内的构件修补地点的传统的构件相比，有更好的材料特性。
所述有关方法的技术问题通过一种按照权利要求
1所述的修补方法得以解决，所述有关构件的技术问题通过一种按照权利要求
9所述的构件得以解决。从属权利要求
包含本发明的有利扩展设计。
在按照本发明的用于修补包括有定向微结构的基本材料的构件的方法中，所述的修补以这样的方式完成，即，使得经修补的地点有与周围的基本材料同样的定向微结构。在这里，基本材料尤其可以是一种镍基材料。按照本发明的方法将钎料施加在要修补地点的区域内，以及借助加热作用与构件钎焊。在加热作用期间，在要修补地点的区域内造成一种温度梯度，亦即一种从较高温度到较低温度的温度变化过程。
在钎焊过程中只熔化钎料，但不熔化基本材料，并让钎料重新凝固，与此同时钎料与基本材料实现连接，所以按照本发明的修补方法也可以在构件的结构上承力区域内使用，并不影响基本材料良好的材料特性。借助所述的温度梯度，可以实现钎料的外延生长和凝固，亦即是这样一种生长，在生长时钎料凝固时结晶的定向取决于底物，亦即基本材料的晶体取向。因此这种温度梯度可以在钎焊的钎料内形成一个单晶的钎料区或一个不同定向的微结构，与不定向的微结构相比它有类似的更好的材料特性。在这里，所述的定向生长沿温度梯度的方向，亦即沿从较低到较高温度的方向进行。基于这种定向生长和由此造成的定向微结构，钎焊的钎料有与构件基本材料类似的良好的材料特性。
优选地，在按照本发明的修补方法中温度梯度以这样的方式造成，即，使温度梯度沿构件基本材料的定向微结构的定向方向延伸。因此，固化钎料的定向生长可以达到沿基本材料的定向微结构的定向方向。
按照本发明的修补方法的一项有利扩展设计，钎料包括第一种组成成分和第二种组成成分，第一种组成成分的熔点低于、优选地明显低于构件基本材料的熔点，而第二种组成成分有高的强度和熔点，此熔点高于第一种组成成分的熔点但低于基本材料的熔点、直至基本材料的熔点。在本方法的此项扩展设计中，将钎料以这样的方式施加在要钎焊地点的区域内，即，使钎料内的第一种组成成分的份额，在接近基本材料的地方高于远离基本材料的区域。在本方法的此项扩展设计中，低熔点的第一种组成成分用于钎料与基本材料建立连接，而有高熔点的组成成分保证钎焊后钎料的稳定性(强度)。通过在基本材料的区域内的钎料含有第一种组成成分较高的份额，可以使钎焊后的钎料与基本材料建立良好的连接。另一方面在离基本材料有较大距离的区域内存在比较多的第二种组成成分，亦即有较高稳定性的那个组成成分，所以在构件以后工作时，钎焊地点承受高负荷的区域具有高的稳定性。
为了提供加热作用，在按照本发明的方法中可以采用各种能够在要钎焊的地点的区域内，亦即在钎料内，造成温度梯度的加热过程。例如可以使用借助激光器或传统照射设备的光学加热过程，或例如借助加热线圈的感应加热过程。与之不同，也可以使用一种用于铸造具有定向微结构的材料的浇注炉。
为了感应加热可例如使用所谓的“热箱(Hot Box)”。“热箱”基本上指一种包括一个用于容纳要修补的构件的安装腔和一个可运动地装在安装腔内用于局部加热构件的感应线圈的设备。所述的安装腔在钎焊过程中可以灌注惰性气体，例如氩。
在本发明修补方法的一项扩展设计中，基本材料的热处理可以集成结合在钎料的钎焊过程中。因此，可以在修补的同时实现基本材料特性的再处理(复原(Rejuvenation))。
按照本发明的构件包括一种有定向微结构的基本材料和至少一个在这里修补材料与基本材料连接的修补点，其中，修补材料有与基本材料相同的定向微结构。构件的特征在于，修补点处于构件在结构上承力的区域内。此构件尤其可设计为涡轮构件，例如涡轮叶片。
由下面参见附图从对实施方式的说明中给出本发明的其他特征、特点和优点。
图1A-1C表示按照本发明的修补方法的一种实施方式；图2表示所述实施方式的一种变更方案。
在图1A中表示受损构件1的示意图。
构件1的基本材料包括一种镍基合金以及有一种图中通过短的对角延伸的虚线表示的定向微结构。构件1的损坏的地点3处于表面5的区域内并在此图中表示为凹坑。
为了修补损坏的构件1，将在本实施方式中以粉末的形式存在的钎料7施加在已预先清洗过的损坏的地点3上，并接着借助加热作用与构件1的基本材料钎焊(图1B)。尤其将必要时带有小量余富的全部必需的钎料7置入预先清洗过的损坏的地点3内，以及尤其不在熔化期间逐步添加。在这方面有利的是，令钎料的材料组成与构件的类似。但尤其是钎料7必须包括一种其熔点低于构件1基本材料的熔点的组成成分，从而借助加热作用造成钎料7熔化，而不是使构件1的基本材料熔化。
为了在钎料7上实现加热作用，在本实施方式中存在一个激光器9，它照射待熔化的钎料并由此向其供给熔化所需的热量。
按照本发明，在钎焊过程中相宜地在损坏的地点3的区域内沿基本材料微结构的优先方向建立一种温度梯度。所述温度梯度的建立，在这里可以通过构件1和激光器9彼此相对运动实现。因此在本实施方式中激光器在钎料7上方平行于表面5到移动。激光器9在钎料7上方实施移动的速度在这里选择为，能在损坏的地点3的区域内、亦即在钎料7内，形成期望的温度梯度。当被激光器9熔化的钎料7重新凝固时，此温度梯度诱发形成一种外延定向的微结构。温度梯度的坡度在这里可例如通过激光器9与构件1彼此相对运动时所采用的速度或激光器的功率调整。温度梯度的坡度在这里指的是每单位长度的温度增高或降低。导致在固化的钎料内形成定向微结构的温度梯度的坡度取决于钎料的组成。
在本实施方式中，在构件1的基本材料内定向微结构的优先方向，在图纸平面内部从左向右延伸。为了在正在凝固的钎料7内诱导形成一种其优先方向与基本材料内的优先方向一致的定向微结构，令激光器9相对于构件1的运动平行于基本材料定向微结构的优先方向地进行。
图1C表示损坏的地点3修补后的构件1。如在现在已固化的钎料7的区域内通过沿对角延伸的虚线表示的那样，固化的钎料7，亦即修补材料，有一种定向微结构，它与构件1的基本材料定向微结构有相同的优先方向。
同样，激光器9可以将其激光束扩大为，使它例如照射全部钎料并由此肯定全部加热。因此激光器的移动并不是绝对必要的。通过将钎料7的热量排入构件1的底物内，在钎料7的内部形成温度梯度。在钎料7的外表面上温度最高，以及在钎料7朝构件1底物方向的界面温度较低。此外必要时构件1还可以在与损坏的地点3对置的背侧或某个地方冷却或加热，以便能根据构件1和损坏的地点3的几何形状调整为期望的某种温度梯度。
在本实施方式中，为了供给热量而使用激光器9。但也可以与之不同地使用其他的光学加热方法，例如用传统的照射设备照射。此外，还可以取代光学加热方法采用感应加热法，此时借助加热线圈加热钎料。最后，还存在使用特殊加热炉的方法，如所谓的“热箱”或一种用于制造具有定向微结构的铸件的浇注炉。在任何情况下所采用的方法均必须适用于，在损坏区内或已用钎料充填的损坏区内，沿凝固所期望的方向造成一种温度梯度。在使用炉子时这例如可以通过一种固定式炉子实现，这种炉子可以在炉子的不同区域内分别调整加热作用。
图2表示对图1A-1C所示实施方式的一种变更方案。在这种实施方式的变更方案中，涂敷在损坏的地点3上的钎料17包括两种组成成分，其中第一种组成成分的熔点明显低于构件1基本材料的熔点。反之，第二种组成成分的熔点处于第一种组成成分熔点与基本材料熔点之间的范围内。此外，第二个组成成分尤其还有高的大约为基体材料数量级的强度。
粉末状钎料17在已预先清洁过的损坏的地点3上的涂敷以这样的方式进行，即，首先涂敷钎料组分18，其中第一种组成成分在粉末中占比较高的份额。接着涂敷钎料组分19，其中第一种组成成分比第二种组成成分少。当现在将钎料17与基本材料进行钎焊时，高份额的第一种组成成分，亦即熔点低的那个组成成分使钎料容易与基本材料简单地钎焊，而其中第一种组成成分份额低的钎料组分19则保证修补好的地点有更高的强度。
同样可以达到，使钎料组分18保证要修补的地点3有比较高的强度，而在表面附近的钎料组分19有比较高的抗氧化和/或抗腐蚀性。取代钎料7的这种双层结构，钎料7在要修补的地点3内可以有一种从地点3的底部直至构件表面5的材料梯度，钎料7的组成在此材料梯度内连续变化。
在按照本发明方法的这两种实施方案中，还可以将为了钎料7与构件1的基本材料钎焊所需的加热作用，同时应用于实施基本材料的热处理，从而可以实现基本材料特性的再处理(复原)。
在所介绍的实施方式及其变更方案中，将粉末状的钎料涂敷在要修补的地点上。但与之不同它也可以作为薄膜或膏铺覆。钎料的粉末例如作为毫微粉末存在，亦即粉末的粒度小于500纳米或小于300纳米或小于100纳米。也就是说，在这里强调指出，由毫微粉末组成的钎料有比传统的粒度为微米大小的粉末低的熔点。同样，钎料粉末可以由一种毫微粉末与传统粉末的混合物组成，亦即是一种粒度处于微米范围的粉末。由此可以相宜地调整熔点的降低。同样，钎料借助它涂敷的薄膜或膏，部分或全部可以含有一种由毫微粉末组成的粉末。与现有技术相比优点在于，在这里粉末不通过粉末输送机供给，而是已经压实地供给要修补的地点。如由现有技术已知的那样，通过喷嘴将毫微粉末供给要修补的地点几乎是不可能的，因为毫微粉末的颗粒极小和会到处飞散。
权利要求
1.一种构件(1)的修补方法，该构件包括一种有定向微结构的基本材料，在此方法中，将钎料(7、17)施加在要修补的地点(3)的区域内，其中钎料(7、17)包括一种熔点低于基本材料熔点的组成成分，接着借助加热作用与构件(1)钎焊，在加热作用期间在要修补地点的区域内造成一种温度梯度，以用于在要修补的地点(3)内产生与周围的基本材料的定向微结构相同的定向微结构。
2.按照权利要求
1所述的修补方法，其特征为，所述的温度梯度定向为，使温度梯度沿所述构件(1)的基本材料的定向微结构定向的方向延伸。
3.按照权利要求
1或2所述的修补方法，其特征为，所述钎料(17)包括第一种组成成分和第二种组成成分，第一种组成成分的熔点低于构件(1)的基本材料的熔点，而第二种组成成分有高的稳定性和熔点，此熔点高于第一种组成成分的熔点但低于所述基本材料的熔点、直至等于基本材料熔点；以及，将所述钎料(17)以这样的方式施加在所述要修补的地点(3)的区域内，即，使钎料(17)内第一种组成成分的份额在基本材料附近(18)高于远离基本材料的区域(19)。
4.按照权利要求
1至3之一所述的修补方法，其中，所述温度梯度借助光学加热过程建立。
5.按照权利要求
1至3之一所述的修补方法，其中，所述温度梯度借助感应加热过程建立。
6.按照权利要求
1至3之一所述的修补方法，其中，所述温度梯度借助一种用于制造具有定向微结构的铸件的浇注炉建立。
7.按照权利要求
5所述的修补方法，其中，所述温度梯度借助一个热箱建立。
8.按照权利要求
1至7之一所述的修补方法，其中，所述基本材料的热处理集成组合在所述钎料(7、17)的钎焊过程中。
9.按照权利要求
1至8之一所述的修补方法，其特征为，所述钎料的粉末至少部分的、尤其全部地由毫微粉末组成。
10.按照权利要求
1至9所述的修补方法，其特征为，所述钎料以膏或薄膜的形式施加在要修补的地点内。
专利摘要
本发明涉及一种修补构件(1)的方法，该构件包括一种有定向微结构的基本材料，其中以这样的方式进行修补，即，使经修补的地点(3)有与周围的基本材料相同的定向微结构。在按照本发明的方法中，将钎料(7)施加在要修补的地点(3)的区域内，以及借助通过设备(9)产生的加热作用与构件(1)钎焊。在加热作用期间在要修补的地点(3)的区域内造成一种温度梯度，亦即大体是一种从较高温度到较低温度的温度变化过程。
文档编号B23P6/00GK1997478SQ20058000798
公开日2007年7月11日 申请日期2005年1月28日
发明者德克·戈尔德施米特, 马赛厄斯·奥奇斯纳, 迈克尔·奥特, 尤维·保罗, 乌苏拉·皮克特, 埃卡特·舒曼, 贝蒂·塞勒, 罗伯特·辛格, 简·斯坦巴克, 安德烈亚斯·沃勒克, 沃尔克·R·沃斯伯格 申请人:西门子公司, Mtu飞机发动机有限责任公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan