用于結(jié)合材料的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]施加疲勞可能造成各種金屬、陶瓷和合金構(gòu)件(例如超合金)經(jīng)歷磨損。例如，裂紋、磨耗、侵蝕和/或各種其它條件可能造成原始襯底材料的去除或磨損。為了修理磨損構(gòu)件，可能要添加(例如焊接)填料材料，以填補裂紋，修補磨耗，并且/或者置換侵蝕所損失的材料。類似地，當將兩個或多個構(gòu)件結(jié)合在一起時，可將填料材料添加至一個或多個構(gòu)件的原始襯底材料上。與襯底材料相同或相似的填料材料可用于跨修理構(gòu)件和/或結(jié)合構(gòu)件而提供相對較強的均勻的機械特性。
[0002]當填料材料是具有相對較高的熔點溫度的相對高溫性能合金時(例如基于鎳和/或鈷的超合金，其用于相對較熱的燃氣渦輪發(fā)動機的氣道)，在填料材料可施加于原始襯底材料之前，相對極大的施加能量必須施加于填料材料上。但，用于熔化填料材料的大量的輻射熱(例如由焊接設備產(chǎn)生)也可能影響原始襯底材料。例如，輻射熱的沖擊可能對原始襯底材料的顯微結(jié)構(gòu)造成坍塌、熔化、再結(jié)晶、晶粒生長和/或其它變化。這種原始襯底材料上的變化可能降低正在修理和/或結(jié)合在一起的構(gòu)件的強度、韌度和/或其它機械特性。此外，輻射熱對原始襯底材料的沖擊可能造成填料材料和原始襯底材料之間的結(jié)合在冷卻期間發(fā)生破裂，其通常被稱為“熱撕裂”。
[0003]雖然可備選地使用具有低熔點溫度的填料材料，但是這種填料材料可能提供了較低的高溫性能，并且/或者擁有與原始襯底材料的機械特性顯著不同的機械特性。例如，銅焊工藝可能對原始襯底材料傳遞了較少熱量。但，銅焊材料的熔點必須低于原始襯底材料的熔點，其可能需要使用大量的熔點抑制元素(例如硅和/或硼)，其導致相對大量的脆的金屬間化合相態(tài)的形成，其對所修理和/或所結(jié)合的構(gòu)件的機械特性具有負面影響。所需要的是一種在不引起原始襯底材料問題的條件下容許使用相對較高的熔點溫度的填料材料的技術和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種用于將填料材料結(jié)合至襯底材料上的方法。該方法包括在坩堝的熔化室中熔化填料材料，使得填料材料被熔化。坩堝具有流體地連接在熔化室上的出口。該方法還包括通過跨坩堝的出口施加第一壓力差而將填料材料保持在坩堝的熔化室中，并通過跨坩堝的出口施加第二壓力差而從坩堝的熔化室中釋放出填料材料，以將填料材料傳送至襯底材料的目標部位。第二壓力差具有與第一壓力差不同的值。
[0005]在另一實施例中，本發(fā)明提供了一種用于將填料材料結(jié)合至襯底材料上的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括坩堝，其具有用于保持填料材料的熔化室。坩堝包括流體地連接在熔化室上的出口。加熱元件操作地連接在坩堝上，用于加熱坩堝的熔化室中的填料材料。加熱元件配置為用于在熔化室中熔化填料材料，使得填料材料被熔化。流量控制機構(gòu)操作地連接在坩堝上，用于控制穿過熔化室的出口的填料材料的流量。流量控制機構(gòu)配置為用于跨坩堝的出口施加壓力差。壓力差將填料材料保持在熔化室中。
[0006]在另一實施例中，本發(fā)明提供了一種用于將填料材料結(jié)合至襯底材料上的方法。該方法包括在坩堝的熔化室中熔化填料材料，使得填料材料被熔化，其中坩堝具有流體地連接在熔化室上的出口。該方法還包括通過坩堝的熔化室中的負的計示壓力將填料材料保持在坩堝的熔化室中，該壓力等于或小于坩堝的出口處的填料材料的排出壓力(headpressure)。該方法還包括通過坩堝的熔化室中的正的計示壓力而從坩堝的熔化室中釋放填料材料，該壓力等于或大于大約5磅/平方英寸(psi),從而將填料材料傳送至襯底材料的目標部位。
【附圖說明】
[0007]圖1是用于將填料材料結(jié)合到襯底材料上的系統(tǒng)的一個典型實施例的示意圖。
[0008]圖2是圖1中所示系統(tǒng)的噴嘴的一個典型實施例的橫截面圖。
[0009]圖3是圖1中所示系統(tǒng)的另一示意圖。
[0010]圖4是流程圖，其顯示了用于將填料材料結(jié)合到襯底材料上的方法的一個典型實施例。
【具體實施方式】
[0011]當結(jié)合附圖進行閱讀時，以下某些實施例的詳細說明將得到更好的理解。應該懂得，各種實施例并不局限于圖中所示的布置和儀器。
[0012]如此處所用，以單數(shù)形式引用，且前綴“一”的元件或步驟應該被理解為不排除所述元件或步驟的復數(shù)，除非明確地陳述了這種除外情形。此外，對“一個實施例”的引用不應理解為排除其它實施例的存在，其也包含所陳述的特征。此外，除非明確陳述相反的情況，否則“包括”或“具有”特殊屬性的一個元件或多個元件的實施例可包括額外的不具有該屬性的這種元件。
[0013]各種實施例提供了用于將填料材料結(jié)合到襯底材料上的方法和系統(tǒng)。各種實施例可包括在坩堝的熔化室中熔化填料材料，使得填料材料被熔化，通過施加跨坩堝的出口的第一壓力差將填料材料保持在坩堝的熔化室中，并通過施加跨坩堝的出口的第二壓力差而從坩堝的熔化室中釋放填料材料，從而將填料材料傳送至襯底材料的目標部位。填料材料可能在遠離襯底材料的目標部位的遠距離處進行熔化，使得填料材料的熔化不會造成襯底材料的目標部位升高至目標部位的固相線和/或再結(jié)晶溫度之上。熔化的填料材料可以連續(xù)流的方式傳送至襯底材料的目標部位。各種實施例可提供流量控制機構(gòu)，其使用變化的壓力差來控制填料材料經(jīng)由噴嘴的連續(xù)射出，以用于惰性氣體和/或結(jié)合操作。
[0014]各種實施例可提供傳統(tǒng)的結(jié)合和修理技術的機械特性方面的改進。各種實施例可提供相對實際且相對有效的方案來連續(xù)地傳送填料材料，其帶有少量或沒有熔化的污染物。各種實施例的技術效果可包括減少或消除填料材料中的熔點抑制劑的使用，減少傳遞到襯底材料上的過熱量，并且/或者在沒有填料材料污染物的條件下傳送用于構(gòu)件修理的熔化的填料材料。例如，各種實施例的技術效果可在沒有填料材料污染物的條件下提供相對清潔的熔化的填料材料傳送，以用于連續(xù)的構(gòu)件修理，和/或在沒有填料材料污染物的條件下用于重鑄修理。此外，各種實施例的技術效果可包括在熔化室內(nèi)部(例如陶瓷坩堝的熔化室內(nèi)部)熔化填料材料(例如超合金填料材料),而不會帶來熱沖擊、機械故障和/或熔化污染物(例如來自熔化室)。各種實施例的技術效果可包括可使之前由于沒有可用修理技術而被更換的構(gòu)件得以修理，從而恢復恰當?shù)臉?gòu)件結(jié)構(gòu)和/或構(gòu)件屬性。此外，各種實施例的技術效果可包括可使備選的制造可選方案用于鑄造相對高品質(zhì)的子構(gòu)件，然后可將其與接頭結(jié)合起來，該接頭具有與襯底材料接近、相似和/或相同的機械特性。
[0015]這里使用的術語“構(gòu)件”可能是任何類型的構(gòu)件，其具有任何結(jié)構(gòu)、任何尺寸和任何幾何形狀，其容許熔化的填料材料施加于構(gòu)件的襯底材料的目標部位上。例如，構(gòu)件可包括在目標部位帶有空隙的相對較平的修理表面。這些空隙可能來自于各種施加疲勞，例如，但并不局限于裂紋、摩擦、磨耗、侵蝕、其它可能造成構(gòu)件的襯底材料被除去和/或發(fā)生磨損的條件等等。此外，在某些實施例中，該構(gòu)件包括一個或多個曲線、轉(zhuǎn)角、臂、接頭等等。可利用這里所述和/或所示的各種實施例進行修理和/或結(jié)合的構(gòu)件示例包括，但不局限于利用鑄造工藝制造的構(gòu)件、飛機構(gòu)件、飛機發(fā)動機構(gòu)件、燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件(例如用于燃氣渦輪發(fā)動機的葉斗)、翼型(例如用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片)、噴嘴(例如燃氣渦輪發(fā)動機的單晶噴嘴)等等。
[0016]構(gòu)件的襯底材料可包括任何材料，使得襯底材料能夠在一個或多個位置(S卩，目標部位)將熔化的填料材料結(jié)合(例如接觸并后續(xù)黏結(jié))到它上面。例如，襯底材料可包括，但不局限于金屬、合金、陶瓷、超合金等等。在某些實施例中，襯底材料包括相對較低量的娃或沒有娃。在某些實施例中，襯底材料包括基于鎳的超合金，例如，但不局限于燃氣潤輪發(fā)動機中所使用的基于鎳的超合金，其用于相對較熱的氣道施加等等。例如，襯底材料可包括商業(yè)上可得到的Rer^TMN5合金。此外，在某些實施例中，襯底材料包括基于鈷的超合金，例如，但不局限于燃氣渦輪發(fā)動機中所使用的基于鈷的超合金，其用于相對較熱的氣道施加等等。構(gòu)件襯底材料的目標部位可能是意圖添加填料材料的任何位置。例如，目標部位可包括裂紋、在多個構(gòu)件或子構(gòu)件之間的接頭、磨耗和腐蝕區(qū)域等等。
[0017]圖1是系統(tǒng)10的一個典型實施例的示意圖，其用于在襯底材料14的目標部位18 (圖3中所示)將填料材料12結(jié)合到構(gòu)件16 (圖3所示)的襯底材料14 (圖3中所示)上。如下面所述，系統(tǒng)10可設置在遠離襯底材料14的目標部位18的遠距離％處(圖3中所示)。這里使用的詞語“遠距離”包括在目標部位18和系統(tǒng)10 (例如加熱元件20、坩堝22、和坩堝22中的任何熔化的填料材料12)之間的任何距離，其足夠大，使得目標部位18不會由于來自系統(tǒng)10的輻射能量而升高到目標部位18的固相線和/或再結(jié)晶溫度以上。
[0018]系統(tǒng)10包括坩堝22、加熱單元24和流量控制機構(gòu)70。加熱單元24包括加熱元件20。坩堝22配置為用于保持填料材料12。具體地說，坩堝22包括熔化室26。熔化室26配置為用于當填料材料12進行熔化并從而轉(zhuǎn)變成熔化狀態(tài)時保持填料材料12。熔化室26配置為在熔化的填料材料12傳送給襯底材料14之前至少將熔化的填料材料12臨時保持在那里。
[0019]坩堝22可包括任何物質(zhì)，其可使熔化室26在填料材料12進行熔化時保持填料材料12，而且可使熔化室至少將熔化的填料材料12臨時保持在那里。坩堝22的物質(zhì)的合適示例包括，但不局限于氧化物、碳化物、氮化物、基于氧化鋁的陶瓷、氧化鋁、多孔氧化鋁、氮化硼、水晶、陶瓷、耐火陶瓷、金屬冷爐膛、對感應加熱敏感的物質(zhì)等等。雖然所示具有圓錐形柱體的形狀，但是另外或備選地，坩堝22可包括任何其它形狀，其可使坩堝22如這里所述和/或所示起作用。在某些實施例中，坩堝22配置為用于抵抗相對快速加熱的熱沖擊，并且足夠強且惰性的，以便在至少大約1550°C下包含熔化的填料材料12(例如GTD444合金、Rer^?142合金和N5合金)至少大約30分鐘。坩堝22的熔化室26可具有任何容量，例如,但不局限于大于大約10克,大于大約30克等等。
[0020]填料材料12可包括任何物質(zhì)，使得填料材料12能夠轉(zhuǎn)變成完全熔化狀態(tài)(即，力口熱至填料材料12的液線溫度以上的狀態(tài))，以熔化狀態(tài)輸送襯底材料14，并且與襯底材料14結(jié)合起來。在某些實施例中，填料材料12過熱200°C或更大。填料材料12能夠以熔化的連續(xù)流的形式傳送至襯底材料的目標部位18處。在填料材料12中可包含的物質(zhì)示例包括，但不局限于金屬、合金、陶瓷、超合金等等。在某些實施例中，填料材料12包括相對較低量的娃或沒有娃。在某些實施例中，填料材料12包括基于鎳