改造工艺及改造的制品

摘要

本发明涉及并公开了一种改造工艺及改造的制品。改造工艺包括定位制品中的区域、通过加工来移除该区域以形成加工区、将改造材料插入加工区中、将改造材料装固到制品上、将改造材料加工成与制品的几何形状齐平、以及将涂层施加到制品的至少一部分上。另一个改造工艺包括定位翼型件的吸入侧前缘末梢护罩过渡部下方的区域、通过加工来移除区域以形成孔、将相比于原始基础材料具有改善的材料性质的改造材料插入孔中、将改造材料装固就位、加工改造材料和翼型件来形成新的过渡部轮廓、以及将涂层施加到翼型件的至少一部分上。还公开了改造的制品。

说明书

技术领域

本发明针对改造工艺及改造的制品。更具体而言，本发明针对用于涡轮构件中的增大应力区域的改造工艺和改造的涡轮构件。

背景技术

涡轮构件如翼型件在操作期间经历极端应力。那些应力中的一些包括增大的压力和温度，其可集中于涡轮构件的特定区域。一个特定区域在翼型件的吸入侧前缘末梢护罩过渡部下，在该处，增大的应力可导致蠕变断裂或裂纹。

此类应力可导致过早移除、弃置和替换昂贵的翼型件。这减少了翼型件的预计操作寿命，提高了系统的维护成本和操作成本。

一个改造方法包括在增大应力的区域上的焊接累积，随后是加工。焊接累积减少了材料性质，且增大了对与叶片的焊接界面和在焊接金属中的附加区域施加应力的风险。此外，当前的改造工艺并未充分地提高翼型件的增大应力的区域的材料性质来提供可用的改造制品。

本领域将期望不存在一个或多个上述缺陷的移除增大应力的区域且提高材料性质的改造工艺以及改造制品。

发明内容

在示例性实施例中，一种改造工艺包括定位制品中的区域、通过加工来移除该区域以形成加工区、将改造材料插入加工区中、将改造材料装固到制品上、将改造材料加工成与制品的几何形状齐平、以及将涂层施加到制品的至少一部分上。

在另一个示例性实施例中，一种改造工艺包括定位翼型件的吸入侧前缘末梢护罩过渡部下的区域、通过加工来移除该区域以形成翼型件中的孔、将改造材料插入孔中，改造材料具有相比于原始基础材料改善的材料性质、将改造材料装固就位、加工改造材料和翼型件以形成过渡部的新轮廓、以及将涂层施加到翼型件的至少一部分上。

在另一个示例性实施例中，一种改造制品包括涡轮构件和改造材料，改造材料在之前由受到增大应力的原始基础材料占据的位置处装固到涡轮构件内。改造材料具有相比于原始基础材料改善的材料性质，改善的材料性质增大了涡轮构件的应力容限。

一种改造工艺，包括：

定位制品中的区域；

通过加工来移除所述区域以形成加工区；

将改造材料插入所述加工区中；

将所述改造材料装固到所述制品上；

将所述改造材料加工成与所述制品的几何形状齐平；以及

将涂层施加到所述制品的至少一部分上。

优选地，所述改造工艺包括在定位所述区域之前首先移除所述涂层。

优选地，所述改造材料为塞。

优选地，所述改造工艺还包括加工所述塞来具有匹配所移除材料的几何形状的几何形状。

优选地，所述改造工艺包括通过一种方法装固所述改造材料，所述方法选自硬钎焊、焊接、摩擦焊接、激光沉积、激光焊接和层靠层沉积构成的集合。

优选地，所述改造工艺包括从所述区域周围加工受损材料。

优选地，所述改造工艺包括通过利用定形管电化学加工(STEM)装置钻孔来恢复所述涡轮构件中的冷却孔。

优选地，所述定形管电化学加工装置还包括电火花加工(EDM)。

优选地，所述改造工艺还包括通过加工来移除多个所述区域以形成多个所述加工区。

优选地，所述区域为增大应力的区域。

优选地，所述制品为涡轮构件。

优选地，所述涡轮构件选自叶轮、护罩、喷嘴和热气体通路构件构成的集合。

一种改造工艺，包括：

定位翼型件的吸入侧前缘末梢护罩过渡部下方的区域；

通过加工来移除所述区域以形成所述翼型件中的孔；

将改造材料插入所述孔中，所述改造材料相比于原始基础材料具有改善的材料性质；

将所述改造材料装固就位；

加工所述改造材料和所述翼型件以形成所述过渡部的新轮廓；以及

将涂层施加到所述翼型件的至少一部分上。

优选地，所述区域为增大应力的区域。

优选地，形成所述过渡部的新轮廓包括增大所述过渡部的半径来增大所述翼型件的抗应力性。

优选地，所述改造材料为塞。

一种改造制品，包括：

涡轮构件；以及

在之前由受到增大应力的原始基础材料占据的位置处装固在所述涡轮构件内的改造材料；

其中所述改造材料具有相比于所述原始基础材料改善的材料性质，所述改善的材料性质增大了所述涡轮构件的应力容限。

优选地，所述改造材料为塞。

优选地，所述涡轮构件已重新确定轮廓。

优选地，所述涡轮构件的重新确定轮廓增大了所述涡轮构件的应力容限。

本发明的其它特征和优点将从结合附图的优选实施例的以下更详细的描述中清楚，附图通过举例的方式示出了本发明的原理。

附图说明

图1为根据本公开内容的实施例的改造工艺的流程图。

图2为根据本公开内容的实施例的涡轮叶片的增大应力的区域的侧部透视图。

图3为根据本公开内容的实施例的涡轮叶片的加工区的侧部透视图。

图4为根据本公开内容的实施例的涡轮叶片的加工区中的改造材料的透视图。

图5为根据本公开内容的实施例的改造的涡轮叶片的透视图。

只要可能，则相同的参考标号将在所有附图中表示相同的零件。

具体实施方式

提供了一种示例性改造工艺及改造制品。相比于并未使用本文公开的一个或多个特征的工艺和制品，本公开内容的实施例提高了涡轮构件的操作寿命、提高了涡轮构件修理的效率、减少了涡轮构件的废料、减少改造期间的应力、改善改造制品的材料性质、提高涡轮构件的抗应力性、减少或消除蠕变断裂应力，或它们的组合。

参看图1至图5，在一个实施例中，改造工艺100移除制品101的区域105，以及以改造材料124替换区域105来提高制品101的操作寿命。制品101为任何适合的制品，如但不限于涡轮构件。改造工艺100包括从制品101移除涂层108(步骤110)、定位制品101中的区域105(步骤120)、通过加工来移除区域105同时形成加工区115(步骤130)、将改造材料124插入加工区115中(步骤140)、将改造材料124装固在制品101内(步骤150)、加工改造材料124以与制品101的现有几何形状齐平(步骤160)、插入改造部分(步骤170)、以及将涂层108再施加到改造部分上(步骤180)。在另一个实施例中，改造工艺100包括钻取内部冷却孔(步骤190)。

制品101可为任何适合的制品，如但不限于涡轮构件、翼型件(如，称为通用电气公司(General Electric Company) 7FA或S2B的涡轮翼型件)、叶轮102、护罩103、喷嘴、热气体通路构件或它们的组合。区域105可为受到各种增大的应力的制品101的任何部分，各种增大的应力包括但不限于应力破裂、提高的温度、交变应力、疲劳和/或压力。在一个实施例中，区域105包括受损材料的区段，如，坑、裂纹、腐蚀或它们的组合。在另一个实施例中，受损材料可由一定数目来源中的任一个形成，改造工艺100针对在通过任何适合的检查手段来定位区域105(步骤120)之后移除受损材料(步骤130)。适合的检查手段包括但不限于目视检查、磁粉检查(对于铁基合金)、涡流、声发射、脉冲激光器、红外线、超声波、射线照相、荧光渗透检查(FPI)或它们的组合。

在一个实施例中，涂层108在定位区域105(步骤120)之前从制品101的基础材料109移除(步骤110)。然而，取决于使用的检查技术，区域105可在移除涂层108之前定位，以便这些步骤的顺序可互换。涂层108通过能够暴露基础材料109的任何适合的方法移除(步骤110)。移除涂层108(步骤110)的适合方法包括但不限于喷水工艺、化学剥离、机械剥离或它们的组合。在一个实施例中，区域105定位(步骤120)而不移除涂层108(步骤110)，此后通过加工来移除区域105(步骤130)也移除了涂层108，消除了对单独步骤的需要。

通过加工来移除区域105(步骤130)形成具有任何适合的几何形状的加工区115，加工区115的尺寸取决于区域105的尺寸。加工区115的适合几何形状包括但不限于部分地延伸穿过制品101、完全延伸穿过制品101、孔、圆柱、圆锥、椭圆、球体的一部分、通道、凹口或它们的组合。在一个实施例中，移除区域105(步骤130)包括常规加工或非常规加工，如，但不限于热能加工、化学能加工、激光加工、电能加工(即，电火花加工(EDM))或它们的组合。当移除区域105(步骤130)时，加工方法优选还移除包绕区域105的任何受损材料。在一个实施例中，多个区域105通过加工来移除(步骤130)，以形成多个加工区115。

当通过加工来移除区域105(步骤130)时，改造材料124通过任何适合的方法插入加工区115中(步骤140)，方法如但不限于激光沉积、层靠层的沉积、改造材料124在加工区115内的物理放置，或它们的组合。改造材料124可具有任何适合的成分，包括但不限于，与制品101的基础材料109相同的成分、大致类似于基础材料109的成分、相比于基础材料109具有优异材料性质的成分，或它们的组合。如在此使用的优异材料性质是指提高的材料强度、提高的经受应力的能力、提高的经受应变的能力、减少的受损材料形成的几率，或它们的组合。所需的是识别包括基础材料109的材料以便选择用于改造材料124的适合的替换材料。

例如，在一个实施例中，改造材料124为单晶粒结构成分，其特征在于大约7.5%的钴、大约7.5%的铬、大约6.5%的钽、大约6.2%的铝、大约5.0%的钨、大约3.0%的铼、大约1.5%的钼、大约0.15%的铪、大约0.05%的碳、大约0.004%的硼、大约0.002%到大约0.03%之间的钇和余量的镍的标称重量百分比。

在另一个实例中，改造材料124为等轴晶粒结构成分，其特征在于大约8.0%到大约8.7%之间的Cr、大约9%到大约10%之间的Co、大约5.25%到大约5.75%之间的Al、达到大约0.9%的Ti(例如，大约0.6%到大约0.9%之间)、大约9.3%到大约9.7%之间的W、达到大约0.6%的Mo(例如，大约0.4%到大约0.6%之间)、大约2.8%到大约3.3%之间的Ta、大约1.3%到大约1.7%之间的Hf、达到大约0.1%的C(例如，大约0.07%到大约0.1%)、达到大约0.02%的Zr(例如，大约0.005%到大约0.02%之间)、达到大约0.02%的B(例如，大约0.01%到大约0.02%之间)、达到大约0.2%的Fe、达到大约0.12%的Si、达到大约0.1%的Mn、达到大约0.1%的Cu、达到大约0.01%的P、达到大约0.004%的S、达到大约0.1%的Nb，以及余量的镍。

在将改造材料124插入加工区115中(步骤140)之后，改造材料124装固在制品101内(步骤150)。改造材料124的装固(步骤150)包括但不限于硬钎焊、焊接、摩擦焊接、激光焊接或它们的组合。在一个实施例中，硬钎焊包括将任何适合的填料材料定位在改造材料124与制品101之间的加工区115中，且将制品101和改造材料124加热至高于填料材料的熔化温度的温度，但低于基础材料109的熔点。在另一个实施例中，填料材料具有按重量的以下成分：大约14%的Cr、大约9%的Co、大约4%的Al、大约2.5%的B，以及余量的镍。在一个实施例中，填料材料具有按重量的以下成分：大约13%到大约15%之间的Cr、大约9%到大约11%之间的Co、大约3.2%到大约3.8%之间的Al、大约2.2%到大约2.8%之间的Ta、大约2.5%到大约3.0%之间的B、达到大约0.10的Y(存在或不存在)、附带的杂质和余量的Ni。在另一个实施例中，硬钎焊在真空中执行，且包括在大约2125℉到大约2175℉之间加热大约15分钟到大约30分钟之间，然后在大约1975℉到大约2025℉之间扩散大约2小时到大约4小时之间。这些材料是示例性的。将理解的是，填料材料的选择将取决于基础材料109，其继而又指出了基底材料/基础材料组合的硬钎焊参数。

在一个实施例中，改造材料124为具有对应于加工区115的几何形状的塞125。例如，在另一个实施例中，塞125具有对应于加工区115的圆锥形几何形状的圆锥形几何形状。具有圆锥形几何形状的加工区115提供了具有对应几何形状的塞125的优异的机械固持。在一个实施例中，塞125摩擦焊接在加工区115内。摩擦焊接包括使塞125相对于制品101旋转，以生成将塞125装固在制品101内(步骤150)的热。在摩擦焊接期间，具有圆锥形几何形状的加工区115相比于圆柱形几何形状减少了热输入。

在装固(步骤150)改造材料124之后，改造材料124的加工(步骤160)形成与制品101的现有几何形状齐平的表面，或使改造材料124和制品101的一部分再确定轮廓。对于制品101，这将空气动力恢复至改造的构件。然后检查制品101(步骤170)，且然后将涂层108再施加到基础材料109上(步骤180)。

涂层108使用任何适合的涂布方法再施加(步骤180)，涂布方法包括但不限于汽相沉积、浆料沉积或任何热喷涂工艺，包括高速氧燃料喷涂(HVOF)、高速空气燃料喷涂(HVAF)、真空等离子喷涂(VPS)、空气等离子喷涂(APS)、离子等离子沉积(IPD)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、冷喷涂或它们的组合。涂层108为任何适合的材料，如但不限于MCrAlX、NiAl、PtAl、PtNiAl或它们的组合。MCrAlX为合金，其具有选自铁、镍、钴和它们的组合中的一者或组合的M；且Cr为铬、Al为铝，且X为选自固体固溶体增强剂和由Y、Tc、Ta、Re、Mo以及W构成的γ’模型和由B、C、Hf、Zr构成的晶粒边界增强剂和它们的组合的集合的元素。

在一个实施例中，通过加工来移除区域105(步骤130)暴露了在制品101内延伸的内部冷却孔。在另一个实施例中，加工区115内的改造材料124的插入(步骤140)和装固(步骤150)可覆盖和/或封闭内部冷却孔。在另一个实施例中，内部冷却孔通过钻孔穿过改造材料124(步骤190)来恢复，允许了冷却空气流过由塞125的装固(步骤150)覆盖和/或闭合的内部冷却孔，且恢复了通向制品101的改造部分的冷却空气流。钻孔(步骤190)包括但不限于定形管电化学加工(STEM)、电子放电加工(EDM)或它们的组合。钻孔(步骤190)在再施加涂层108之前或之后完成。在一个实施例中，制品101不包括内部冷却孔，且钻孔(步骤190)并未执行。

在一个实施例中，区域105为制品101的增大应力区域。增大应力区域暴露于应力，如不限于提高的温度、提高的压力、破坏性悬浮颗粒或它们的组合。例如，在一个实施例中，区域105位于翼型件的吸入侧108上的叶轮102与护罩103之间的过渡部106中。过渡部106将护罩103附接到叶轮102上，且包括焊接材料或热影响区(HAZ)材料，其相比于翼型件可经历进一步增大的破坏，因为该材料可具有不同性质。在另一个实施例中，当区域105位于过渡部106中时，改造材料124(步骤160)的加工包括过渡部106的加工，其再确定过渡部106的轮廓，且形成过渡部106与改造材料124之间的齐平表面。在另一个实施例中，过渡部106的再确定轮廓可增大过渡部106的半径。过渡部106的增大的半径可改善制品101的抗应力性。如本文使用的抗应力性是指在不形成增大应力区域的情况下对经受应力提高的能力。

尽管已经参照各种优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可制作出各种变化，且等同方案可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可制作出许多改造，以使特定情形或材料适合本发明的教导内容，而不脱离其基本范围。因此，期望本发明不限于公开为用于执行本发明而构想出的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。