腐蝕防護(hù)件、防護(hù)件制造方法和制造帶防護(hù)件物品的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及腐蝕防護(hù)件、防護(hù)件制造方法和制造帶防護(hù)件物品的方法。提供了制造近凈形腐蝕防護(hù)件的方法、形成受防護(hù)物品的方法、和近凈形腐蝕防護(hù)件。制造近凈形腐蝕防護(hù)件的方法包括提供底座、相對于底座安置能量源，利用來自能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在底座上。沉積在底座上的至少一種耐磨材料形成近凈形腐蝕防護(hù)件，該近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。形成受防護(hù)物品的方法包括從近凈形腐蝕防護(hù)件上移除底座，且將近凈形腐蝕防護(hù)件固連到渦輪構(gòu)件。近凈形腐蝕防護(hù)件包括近凈形耐腐蝕部分，所述近凈形耐腐蝕部分構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
【專利說明】腐蝕防護(hù)件、防護(hù)件制造方法和制造帶防護(hù)件物品的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及腐蝕防護(hù)件，制造腐蝕防護(hù)件的方法和制造具有防護(hù)件的物品的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及防護(hù)件的激光輔助制造和具有防護(hù)件的物品。

【背景技術(shù)】
[0002]動力系統(tǒng)中的構(gòu)件，諸如渦輪轉(zhuǎn)子葉片和渦輪定子葉片用在渦輪設(shè)備中，且經(jīng)常暴露于腐蝕環(huán)境。腐蝕環(huán)境可能導(dǎo)致構(gòu)件腐蝕，構(gòu)件腐蝕起因于例如蒸汽渦輪中的水滴或來自氧化皮的細(xì)小灰塵。具體而言，水滴可導(dǎo)致后級渦輪葉片的腐蝕，在后級渦輪葉片處，水滴與用于驅(qū)動渦輪的蒸汽混合。渦輪葉片的腐蝕是成問題的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致葉片變薄和葉片的由腐蝕引起的疲勞損壞。
[0003]減少渦輪葉片的由水滴引起的腐蝕的一種方法包括低熱輸入堆焊，以在渦輪構(gòu)件上累積多個單層。已知的堆焊技術(shù)花費(fèi)相當(dāng)大量的時間來形成所期望的腐蝕保護(hù)部分。使用此種堆焊工藝的另一個問題是耐腐蝕部分必須在形成為所期望的葉片幾何形狀之后來加工，從而增加了制造中的加工步驟和時間，從而加大了成本。
[0004]另一預(yù)防措施是使用腐蝕防護(hù)件，例如，包括為了耐磨性而調(diào)配的鈷鉻合金(例如，STELLITE?)。腐蝕防護(hù)件固連于渦輪構(gòu)件且保護(hù)構(gòu)件遠(yuǎn)離腐蝕。用于此種腐蝕防護(hù)件的材料在精制狀態(tài)(wrought condit1n)下被提供,從而需要處理并且/或者加工以實(shí)現(xiàn)所期望的尺寸和/或幾何形狀。此種處理和/或加工對于復(fù)雜的形狀是特別昂貴的，諸如潤輪葉片或翼型件。
[0005]生產(chǎn)或制造防護(hù)件的過程、制造具有防護(hù)件的物品的過程，和免受以上缺點(diǎn)中的一個或更多個的腐蝕防護(hù)件在本領(lǐng)域中將是合乎需要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個示范實(shí)施例中，一種制造近凈形(near-net shape)腐蝕防護(hù)件的方法包括提供底座，相對于底座安置能量源，用來自能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在底座上。沉積在底座上的該至少一種耐磨材料形成近凈形腐蝕防護(hù)件，該近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
[0007]在另一個示范實(shí)施例中，一種形成受防護(hù)物品的方法包括提供底座，相對于底座安置能量源，用來自能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在底座上以形成近凈形腐蝕防護(hù)件，移除底座，且將近凈形腐蝕防護(hù)件固連到渦輪構(gòu)件。
[0008]在另一個示范實(shí)施例中，一種近凈形腐蝕防護(hù)件包括近凈形耐腐蝕部分。近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
[0009]一種制造近凈形腐蝕防護(hù)件的方法，包括:提供底座；相對于底座安置能量源；和利用來自能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在底座上；其中，沉積在底座上的至少一種耐磨材料形成近凈形腐蝕防護(hù)件，近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
[0010]優(yōu)選地，方法包括在沉積至少一種耐磨材料之前，利用能量射束將墊片沉積在底座上，以形成具有與至少一種耐磨材料為一體的墊片的近凈形腐蝕防護(hù)件。
[0011]優(yōu)選地，方法包括從底座移除近凈形腐蝕防護(hù)件。
[0012]優(yōu)選地,底座為犧牲層。
[0013]優(yōu)選地，方法包括從由激光、電子射束、等離子體射束、和電弧構(gòu)成的集合選定能量射束。
[0014]優(yōu)選地，方法還包括將多層至少一種耐磨材料沉積在底座上。
[0015]一種形成受防護(hù)物品的方法，包括:提供底座；相對于底座安置能量源；利用來自能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在底座上，以形成近凈形腐蝕防護(hù)件；移除底座；和將近凈形腐蝕防護(hù)件固連至渦輪構(gòu)件。
[0016]優(yōu)選地，方法包括在將至少一種耐磨材料沉積在底座上之前將墊片沉積在底座上。
[0017]優(yōu)選地，方法還包括在將近凈形腐蝕防護(hù)件固連至渦輪構(gòu)件之前，將墊片安置在近凈形腐蝕防護(hù)件與渦輪構(gòu)件之間。
[0018]優(yōu)選地，墊片包含鎳基合金材料。
[0019]優(yōu)選地，方法還包括利用從由硬焊和電子射束焊接構(gòu)成的集合選定的方法來將近凈形腐蝕防護(hù)件固連到渦輪構(gòu)件。
[0020]一種近凈形腐蝕防護(hù)件，包括:近凈形耐腐蝕部分；其中，近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
[0021]優(yōu)選地，近凈形耐腐蝕部分的成分包含耐腐蝕合金。
[0022]優(yōu)選地,耐腐蝕合金選自由鈷基合金、鉻基合金、鶴基合金、和碳化鉻材料構(gòu)成的
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[0023]優(yōu)選地，防護(hù)件包括墊片，墊片固連至近凈形耐腐蝕部分，墊片構(gòu)造成安置在近凈形耐腐蝕部分與渦輪構(gòu)件之間。
[0024]優(yōu)選地,潤輪構(gòu)件是潤輪動葉。
[0025]優(yōu)選地，防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪動葉的前緣上。
[0026]優(yōu)選地，防護(hù)件覆蓋渦輪動葉的前緣的至少大約1/3。
[0027]優(yōu)選地，防護(hù)件包括非耐腐蝕部分，非耐腐蝕部分與耐腐蝕部分形成連續(xù)表面。
[0028]優(yōu)選地，非耐腐蝕部分覆蓋渦輪構(gòu)件的前緣的大約2/3。
[0029]從結(jié)合附圖作出的優(yōu)選實(shí)施例的以下更詳細(xì)的說明中，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，附圖作為示例例示出本發(fā)明的原理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是根據(jù)本公開的生產(chǎn)近凈形腐蝕防護(hù)件的制造方法的透視示意圖。
[0031]圖2是根據(jù)本公開的形成受防護(hù)物品的過程示圖。
[0032]圖3是根據(jù)本公開的形成受防護(hù)物品的方法的透視示意圖。
[0033]圖4是根據(jù)本公開的形成受防護(hù)物品的方法的透視示意圖。
[0034]在任何可能的地方，在整個附圖中，相同的參考數(shù)字用來代表相同的部件。

【具體實(shí)施方式】
[0035]提供了制造近凈形腐蝕防護(hù)件的方法、形成受防護(hù)物品的方法和近凈形腐蝕防護(hù)件。與不使用在本文中公開的特征中的一個或更多個的過程和物品相比，本公開的實(shí)施例提聞效率，減小成本，提聞制造容易度，提聞制造的靈活性，減少設(shè)置時間，允許在單個處理中混合合金，或它們的結(jié)合。
[0036]圖1代表用于制造近凈形腐蝕防護(hù)件101的制造過程100的實(shí)施例。制造過程100包括提供底座109 (步驟110)，相對于底座109安置能量源107 (步驟120)，用來自能量源107的能量射束105將至少一種材料103 (步驟130)沉積在底座109上。至少一種材料103的沉積(步驟130)形成具有凈形或近凈形的防護(hù)件101，防護(hù)件101構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件201上(圖2)。如在本文中使用的，短語“近凈”指的是為要求較少加工和處理或是不需要加工和處理的幾何形狀和尺寸。如在本文中使用的，短語“凈”指的是為不要求加工和處理的幾何形狀和尺寸。
[0037]在另一個實(shí)施例中，制造過程100包括將防護(hù)件101從底座109移除。底座為任何合適的底座，包括但不限于犧牲底座(sacrificial base)、類似于潤輪構(gòu)件201的合成物，或其組合。又一實(shí)施例包括熱處理防護(hù)件101，和/或防護(hù)件101的精加工，例如通過加工、打磨、噴砂、切割、處理(treat)、涂布或其組合。備選的實(shí)施例避免精加工和/或加工、打磨、噴砂、切割、處理、涂布或其組合。
[0038]在一個實(shí)施例中，材料103通過應(yīng)用在非氧化性環(huán)境下執(zhí)行的計算機(jī)光柵化和/或激光輔助制造(LAM)來沉積(步驟130)，諸如但不限于真空室、防護(hù)氣體或其組合。LAM通過來自能量源107的任何合適的能量射束105來執(zhí)行。合適的能量射束包括但不限于激光射束、電子射束、等離子體射束，電弧或其組合。LAM包括材料103的逐層沉積(步驟130)，從而允許在具有平面或基本平面構(gòu)造的底座109上形成具有凈形或近凈形的防護(hù)件101。
[0039]此外，LAM允許材料103在逐層沉積(步驟130)期間的任何合適的變化，以在防護(hù)件101內(nèi)形成具有不同成分的層。材料103的合適的變化包括但不限于層之間的成分變化、層內(nèi)的成分變化，或其組合。例如，在一個實(shí)施例中，材料103變化以形成防護(hù)件101，防護(hù)件101具有與耐腐蝕部分111 一體的墊片部分113，墊片部分113和耐腐蝕部分111具有不同成分和不同材料特性。在另一實(shí)施例中，材料103變化以形成防護(hù)件101，防護(hù)件101在墊片部分113和/或耐腐蝕部分111內(nèi)具有不同節(jié)段。
[0040]參考圖2-3，在一個實(shí)施例中，一種形成受防護(hù)物品200的方法包括將防護(hù)件101固連(步驟210)至能夠由防護(hù)件101保護(hù)的任何合適的渦輪構(gòu)件的基底203。能夠由防護(hù)件101保護(hù)的合適的渦輪構(gòu)件包括但不限于葉片或翼型件、噴嘴、閥、隔板、動葉、或轉(zhuǎn)子中的一個或更多個。在另一個實(shí)施例中，防護(hù)件101固連(步驟210)至動葉的前緣部分的壓力側(cè)。在又一個實(shí)施例中，從渦輪構(gòu)件201移除現(xiàn)有的防護(hù)件，并且由通過制造過程100形成的新的防護(hù)件來代替。
[0041]防護(hù)件101通過任何合適的技術(shù)來固連，包括但不限于硬焊、激光焊接、電子射束焊接、等離子體焊接、鎢極惰性氣體保護(hù)焊、金屬惰性氣體(MIG)保護(hù)焊或其組合。在一個實(shí)施例中，防護(hù)件101包括耐腐蝕部分111且直接固連于(步驟210)基底203。在另一個實(shí)施例中，墊片部分113有助于將防護(hù)件101固連至基底203 (步驟210)。墊片部分113可與耐腐蝕部分111為一體的，或由精制(wrought)的墊片材料形成并且機(jī)械地配合至耐腐蝕部分111。此外，由精制的墊片材料形成的墊片部分113可安置于耐腐蝕部分111與基底203之間或者在固連防護(hù)件101 (步驟210)之前附接至耐腐蝕部分111。
[0042]墊片部分113包括能夠?qū)⒎雷o(hù)件101固連(步驟210)至渦輪構(gòu)件201基底203并且能夠在渦輪環(huán)境中續(xù)存的任何合適的成分。在一個實(shí)施例中，基底203由選自下列集合的材料構(gòu)成，包括但不限于鐵基或鎳基合金、12鉻合金(12-chrome)材料、410不銹鋼(UNSS41000) ,403不銹鋼(UNS S40300)、GTD-450?(沉淀硬化鋼，其具有以下標(biāo)稱成分:15.5%的Cr、6.3%的N1、1.5%的Cu、0.37%的Nb、0.05%的C，和基本為Fe的余量)，或其組合。材料的清單僅為示范性的，且不意圖限制本公開范圍，因?yàn)榉雷o(hù)件101可固連至任何基底203。一種合適的合金具有按重量計算的以下成分:大約0.15%的碳、大約1.00%的錳、大約
0.50%的硅、大約11.5%與大約13.0%之間的鉻，大約0.04%的磷，大約0.03%的硫，和余量的鐵。另一種合適的合金具有按重量計算的以下成分:大約0.14%的碳、大約0.80%的錳、大約0.015%的磷、大約0.010%的硫、大約0.2%的硅、大約11.5%的鉻、大約2.5%的鎳、大約1.6%的鑰、大約0.3%的釩、大約0.03%的氮和余量的鐵。另一種合適的合金具有按重量計算的以下成分:大約0.050%的碳、大約14.0%與大約16.0%之間的鉻、大約1.25%與大約
1.75%之間的銅、大約1.0%的錳、大約0.50%與大約1.0%之間的鑰、大約5.0%與大約7.0%之間的鎳、大約0.30%的磷、大約1.0%的硅、大約0.030%的硫、和余量的鐵。墊片部分113的合適的成分包括但不限于Inconel、鎳基合金,諸如Inconel、600合金(alloy 600)、或其組合。
[0043]墊片部分113為能夠賦予所期望性能的任何合適的厚度。在一個實(shí)施例中，墊片部分113的厚度選定為在渦輪構(gòu)件201的基底203與耐腐蝕部分111之間提供充分的過渡，從而減少或者消除層離、疲勞、焊接困難、裂紋擴(kuò)展，和/或其他不良影響。例如，在一個實(shí)施例中，墊片部分113提供了物理屏障，該物理屏障限制了基底203與耐腐蝕部分111中的較高碳材料之間的碳遷移，從而減少或者消除焊接或熱影響區(qū)的弱化。墊片部分113的合適厚度包括但不限于大約10密耳與大約200密耳之間、大約50密耳與大約200密耳之間、大約100密耳與大約200密耳之間、大約150密耳與大約200密耳之間、大約50密耳與大約150密耳之間、大約100密耳與大約150密耳之間，大約10密耳與大約100密耳之間，大約50密耳與大約100密耳之間、大約10密耳與大約50密耳之間、大約10密耳與大約20密耳之間、或其任何合適的組合、子組合、范圍、或子范圍，其中，I密耳等于0.001英寸。
[0044]耐腐蝕部分111包括用于減少或者消除渦輪構(gòu)件201的腐蝕的任何合適的成分。耐腐蝕部分111的合適的成分包括但不限于鈷基合金、鉻基合金、鎢基合金、碳化鉻材料或其組合。在一個實(shí)施例中，耐腐蝕部分111的成分是STELLITE?合金族的一員。例如，在一個實(shí)施例中，耐腐蝕部分111具有按重量百分比計算的以下標(biāo)稱成分:大約百分之27與大約百分之32之間的鉻、大約百分之4與大約百分之6之間的鎢、大約百分之0.9與大約百分之1.4之間的碳、和余量的鈷以及附帶的雜質(zhì)。另一個例子中，耐腐蝕部分111具有按重量百分比計算的以下標(biāo)稱成分:大約百分之1.4與大約百分之1.85之間的碳、大約百分之29.5的鉻、大約百分之1.5的硅、大約百分之8.5的鎢、和余量的鈷以及附帶的雜質(zhì)。
[0045]耐腐蝕部分111為賦予所期望的耐腐蝕性能、耐磨性、和蒸汽或燃?xì)鉁u輪環(huán)境中的續(xù)存性的任何合適的厚度。在一個實(shí)施例中，耐腐蝕部分111的厚度選定為例如賦予在特定構(gòu)件/用途的預(yù)定壽命期間的充足的耐磨性和/或耐腐蝕性。耐腐蝕部分111的合適的厚度包括但不限于大約200密耳與大約500密耳之間、大約300密耳與大約500密耳之間、大約400密耳與大約500密耳之間、大約200密耳與大約400密耳之間、大約300密耳與大約400密耳之間、大約200密耳與大約300密耳之間、或其任何合適的組合、子組合、范圍、或子范圍。
[0046]同時，墊片部分113和/或耐腐蝕部分111形成用于保護(hù)渦輪構(gòu)件201的擁有任何合適的厚度和/或?qū)挾鹊姆雷o(hù)件101。合適的厚度和/或?qū)挾劝ǖ幌抻诖蠹s500密耳與大約750密耳之間、直到大約750密耳、直到大約500密耳，或其任何組合、子組合、范圍、或子范圍。
[0047]防護(hù)件101為能夠保護(hù)渦輪構(gòu)件201的基底203遠(yuǎn)離腐蝕的任何合適的長度。合適的長度包括但不限于動葉的全長、動葉長度的大約2/3，或動葉長度的大約1/3，其中，動葉長度在大約4英寸與大約70英寸之間,大約6英寸與大約20英寸之間,或其任何組合、子組合、范圍、或子范圍。
[0048]此外，防護(hù)件101包括能夠通過利用能量射束105形成的任何合適的幾何特征。合適的幾何特征包括但不限于腔、非平行表面、圓/彎曲表面、成角度表面、突起、間隙、或是其他難以形成的形狀/幾何形狀。在一個實(shí)施例中，防護(hù)件101的幾何特征與待由防護(hù)件101保護(hù)的渦輪構(gòu)件201的全部或一部分基本對應(yīng)或完全對應(yīng)。
[0049]參考圖4，在一個實(shí)施例中，防護(hù)件101包括非耐腐蝕部分301和耐腐蝕部分111。非耐腐蝕部分301和耐腐蝕部分111形成覆蓋渦輪構(gòu)件203的連續(xù)表面或備選地形成覆在渦輪構(gòu)件203上的墊片113。參考圖4，在另一個實(shí)施例中，耐腐蝕部分111覆蓋墊片113的大約1/3，墊片113覆在動葉前緣部分上，且非耐腐蝕部分301覆蓋覆在動葉前緣部分上的墊片113的其余2/3。例如，在蒸汽渦輪中，耐腐蝕部分111安置成覆蓋和保護(hù)動葉前緣部分的遠(yuǎn)側(cè)1/3，在此水滴可能加大動葉的侵蝕。在備選實(shí)施例中，耐腐蝕部分111覆蓋了墊片113的大約2/3，墊片113覆在動葉的前緣部分上，且非耐腐蝕部分301覆蓋覆在動葉前緣部分上的墊片113的其余1/3。例如，在蒸汽渦輪中，耐腐蝕部分111安置成覆蓋和保護(hù)動葉前緣部分的近側(cè)2/3，在此來自水沖洗的水可加大動葉的侵蝕。
[0050]雖然本發(fā)明已參考優(yōu)選的實(shí)施例來說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可進(jìn)行各種改變，且等同物可替換其元件，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，可作出許多更改，以使特定情況或材料適于本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離其基本范圍。因此，意圖本發(fā)明不限于作為用于執(zhí)行本發(fā)明而構(gòu)想的最佳實(shí)施方式公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有的實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種制造近凈形腐蝕防護(hù)件的方法，包括: 提供底座； 相對于所述底座安置能量源；和 利用來自所述能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在所述底座上； 其中，沉積在所述底座上的所述至少一種耐磨材料形成所述近凈形腐蝕防護(hù)件，所述近凈形腐蝕防護(hù)件構(gòu)造成安置在渦輪構(gòu)件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括在沉積所述至少一種耐磨材料之前，利用所述能量射束將墊片沉積在所述底座上，以形成具有與所述至少一種耐磨材料為一體的所述墊片的所述近凈形腐蝕防護(hù)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括從所述底座移除所述近凈形腐蝕防護(hù)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述底座為犧牲層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括從由激光、電子射束、等離子體射束、和電弧構(gòu)成的集合選定所述能量射束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將多層所述至少一種耐磨材料沉積在所述底座上。
7.一種形成受防護(hù)物品的方法，包括: 提供底座； 相對于所述底座安置能量源； 利用來自所述能量源的能量射束將至少一種耐磨材料沉積在所述底座上，以形成近凈形腐蝕防護(hù)件； 移除所述底座；和 將所述近凈形腐蝕防護(hù)件固連至渦輪構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括在將所述至少一種耐磨材料沉積在所述底座上之前將墊片沉積在所述底座上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括在將所述近凈形腐蝕防護(hù)件固連至所述渦輪構(gòu)件之前，將所述墊片安置在所述近凈形腐蝕防護(hù)件與所述渦輪構(gòu)件之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述墊片包含鎳基合金材料。
【文檔編號】C23C26/00GK104451674SQ201410496229
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】T.W.芬德雷二世 申請人:通用電氣公司