CN101126143A - 一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属表面沉积层的制备技术，具体为一种定向凝固柱晶或单晶高温合金表面外延生长的定向凝固柱晶或单晶沉积层制备方法。为了解决定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金的修复/涂层问题，获得与定向凝固柱晶或单晶材料相匹配的致密的、无裂纹的定向凝固柱晶或单晶沉积层，本发明提出外延高能微弧火花金属沉积技术，以定向凝固或单晶镍基高温合金材料为基材，在基材上进行高能微弧火花多层沉积。该发明的优点：首先外延高能微弧火花金属沉积技术实现定向凝固生产的工艺窗口宽，不会对镍基高温合金产生热损伤，热影响区窄或无热影响区，能有效避免镍基高温合金热裂纹的产生，不需要使用真空室等复杂的设备，而且该方法无需预热。
Description
技术领域
本发明属于金属表面沉积层的制备技术，具体为一种定向凝固柱晶或单晶高温合金表面外延生长的定向凝固柱晶或单晶沉积层制备方法。
背景技术
高温合金及其高温防护涂层系统在航空发动机中起着举足轻重的作用。目前，在先进的航空发动机中，定向凝固柱晶甚至单晶已逐渐取代传统的多晶高温合金被广泛使用，由于定向凝固柱晶和单晶部件价格昂贵，为了尽可能延长这些先进高温合金部件的使用寿命，研究发展用于修复和涂层的高温合金定向凝固外延沉积技术是非常重要的。
高温合金定向凝固外延沉积技术的产生和发展是近十年的事，其原理主要是利用堆焊熔池中温度梯度高、凝固显微组织从基材上外延生长的特性，在定向凝固柱晶或单晶的基底上逐层堆积，在沉积层中获得具有定向凝固柱状枝晶组织(这里基材扮演了籽晶的角色)。
目前，国内外主要采用激光熔敷方法在定向凝固合金择优生长方向获得定向外延生长的熔敷层。这项技术发展的初衷是用于修复和接长定向凝固柱晶或单晶合金的表面缺陷和损伤。瑞士联邦工业学院的研究者们围绕激光定向凝固技术的组织形成及控制进行了大量理论研究，并且获得了CMSX-4合金的定向凝固单晶沉积层，2003年又他们又报导在CMSX-4单晶合金表面获得了MCrAlY单晶涂层。在国内，西北工业大学、航空工艺研究所、清华大学等单位都在研究发展激光定向凝固技术。但是，正像瑞士联邦工业学院的研究者们在文献中指出的一样，高强度镍基高温合金的激光处理还有很大的局限性，具体表现在：(1)镍基高温合金热裂纹敏感性很高，容易在激光处理过程中产生热裂纹，解决这个问题的办法就是将工件预热到700℃以上进处理，然而研究又表明单晶的外延生长只有在不预热的条件下才能获得。这种近乎矛盾的结果使外延沉积只能在焊接性相对较好的合金上进行。(2)在激光处理条件下，工艺参数强烈地影响最终凝固显微组织，定向凝固工艺窗口狭窄，而且加工过程中热积累比较大，这使连续柱状生长的控制很难。(3)定向凝固柱晶和单晶高温合金受热易出现再结晶。
发明内容
为了解决定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金的修复和涂层问题，提出了一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，这种外延定向凝固技术为外延高能微弧火花(电火花)定向凝固技术，用于制备柱晶甚至单晶高温合金沉积层。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，以定向凝固或单晶镍基高温合金材料为基材，在基材上进行高能微弧火花多层沉积，具体步骤如下：
(a)采用电容放电、微弧熔焊的高能微弧火花作为加工热源，修复/涂层材料作为高能微弧火花加工装置的阳极和定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金基材作为高能微弧火花加工装置的阴极；微弧火花的具体工艺参数：功率100W～5000W，频率70～4000Hz，阳极转速100～3000RPM；
(b)利用高能微弧火花瞬时放电产生的微薄熔体温度梯度高并且凝固组织从基材外延生长的特点进行定向凝固，形成沉积层，温度梯度107109K/m，冷却速度105～106K/s。
所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，采用该方法获得的材料组织为柱晶或单晶组织。
所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，修复/涂层材料为基材成分相近或相同的镍基高温合金或者主要凝固相为γ-Ni的MCrAlY系抗氧化合金。
所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，沉积层由大量单脉冲放电沉积点在空间累积而成，后一个沉积点在前一个沉积点上搭接累积。
所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，每次沉积过程中，微薄熔体厚度为5～60微米。
本发明中，高能微弧火花设备的工艺参数如下：功率0～5000W，频率70～4000Hz，阳极转速0～3000RPM。
1.在高能微弧火花作用下，沉积材料端头和工件表面微微熔化，沉积材料向工件喷射转移形成微小(通常＜40μm)的类似于喷涂工艺的沉积斑，但这种沉积斑与基体表面具有冶金关系，这就为外延生长提供了条件。由于沉积斑铺展成薄膜状，我们将沉积斑凝固前的状态称为微薄熔体。由于熔体厚度仅有几十微米(通常＜40μm)，根据温度梯度的近似公式：GL＝(TL-T0)/Δx，其中GL代表熔体的温度梯度，TL代表熔体的熔点，T0代表基体温度，Δx代表熔体厚度，温度梯度可达107109K/m，由于加热时间很短(通常＜100毫秒)，熔体和基体冶金结合，界面热阻很小，冷却速度可达105～106K/s。这样的微薄熔体传热过程类似于单向一维传热，在整个凝固过程中，固液界面的热流可以保持单向流出，而且结晶前沿区域能够维持正向温度梯度，完全能够满足定向凝固的基本条件。
2.利用高能微弧火花微薄熔体中温度梯度高，凝固显微组织从基材上外延生长的特性进行定向凝固，当基材为定向凝固或单晶高温合金材料时，并且沉积在定向凝固或单晶材料的择优生长取向上进行时，高能微弧火花沉积获得的修复/涂层材料将继承保持基材的基体学取向，实际上此时基材扮演了传统定向凝固、单晶铸造时籽晶的角色。通过无数微薄熔体的冶金累加，在涂层中就可获得与基材取向一致的显微组织。
高能微弧火花沉积是一种电容放电、脉冲弧显微熔焊工艺，长期以来，由于其放电火花能量小，沉积效率低，沉积涂层薄，主要被用于硬面涂层，硬面涂层与本发明涂层的区别在于硬面涂层材料为TiC、WC等硬质合金，硬面涂层组织为超细的微米或纳米级多晶组织，无明显凝固特征。与激光熔敷工艺相比，高能微弧火花沉积工艺对基材的热影响很小，它能在不引起基材明显温升的条件下获得冶金结合的涂层。高能微弧火花沉积主要是利用可控的能量放电所形成的短时高电脉冲产生冶金结合的表面涂层。待沉积材料制成棒状为阳极，工件为阴极。当电极棒与工件接触瞬间，在高脉冲强能量流作用下，阴、阳极间通过离子弧与电火花产生高温高压放电微区，电极棒尖端和工件基体表面微微熔化，沉积材料向工件喷射转移形成微薄熔体。本发明就是利用高能微弧火花微薄熔体中温度梯度高，凝固显微组织从基材上外延生长的特性，以定向凝固或单晶的基材(被涂层材料)为籽晶通过无数微薄熔体的冶金累加，在涂层中获得定向凝固的显微组织。
随着科学技术的进步，定向凝固技术不断吸收新的技术思想，使定向凝固技术的家庭不断发展壮大，特别是大功率高能微弧火花沉积设备的出现，微区瞬时放电能量提高且能形成微薄熔体的特点使它具备了作为定向凝固热源时获得比现有激光定向凝固方法更高的温度梯度的可能性，高能微弧火花微薄熔体中的凝固与激光熔池中的凝固相同，固液界面前沿存在着柱状晶和等轴晶的相互竞争转化，这就为利用高能微弧火花沉积技术制备定向凝固外延生长涂层奠定了理论基础。高能微弧火花定向凝固技术其沉积层制备原理虽然与激光定向凝固技术相同，但却有别于激光，激光产生的熔体尺寸一般为毫米级，熔体几何为半球形，温度梯度和凝固速度变化大，获得定向凝固柱状晶工艺窗口小，而高能微弧火花产生的单脉冲微薄熔体厚度只有数十微米且均匀铺展接近平面状，温度梯度和凝固速度在一个有限的尺度内变化，这为组织的更有效控制提供了条件。
本发明的优点是：
1、采用本发明涂层组织细小，完全致密、方向性好，而且对基材热影响小，不会引起基材的再结晶，也不会在界面产生二次裂纹。
2、本发明采用外延高能微弧火花金属沉积技术实现定向凝固生产的工艺窗口宽，不会对镍基高温合金产生热损伤，热影响区窄或无热影响区，能有效避免镍基高温合金热裂纹的产生，不需要使用真空室等复杂的设备，而且该方法无需预热。
附图说明
图1为外延高能微弧火花定向凝固加工系统的示意图。图中，1、微弧火花发生器；2、阳极；3、工件；4、惰性气体；5、沉积层；6、连续生长的沉积层。
图2为通常的镍基高温合金快速凝固时柱状晶向等轴晶转变曲线。
图3(a)-(c)为外延高能微弧火花定向凝固工艺所获得的典型组织。(a)在定向凝固基材上获得的沉积层低倍照片；(b)沉积层与基材取向一致；(c)定向凝固的胞状组织。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做一详细描述。
实施例1
定向凝固镍基高温合金材料的修复，利用通常高能微弧火花形成的微薄熔体中所产生的超高的温度梯度，以及微薄熔体凝固时组织从基材外延生长的特点，以定向凝固镍基合金材料为基材，在其择优晶面(001)上进行高能微弧火花连续沉积。
沉积时，采用通常的高能微弧火花沉积方法：修复材料选用IN738棒材(阳极)，直径为4mm，基材为定向凝固DZ125合金(阴极)，在其择优晶面(001)上进行外延沉积。如图1所示，在1500W高能微弧火花发生器1(本实施例在沉积时，功率960W，频率300Hz，阳极转速为3000转/分)作用下，IN738阳极2尖端与DZ125合金工件3表面接触放电产生高温高压放电微区，电极和工件表面局部熔化，在惰性气体4保护下，电极尖端熔化的材料向工件表面喷射转移形成微薄熔体，本实施例中，沉积过程的微薄熔体平均厚度为20微米(高能微弧火花沉积过程不稳定，在同一参数下形成的微薄熔体厚度不同)，微薄熔体外延定向凝固形成沉积层5，温度梯度107～108K/m，冷却速度105～106K/s(由于高能微弧放电是一种不稳定的热源，温度梯度和凝固速度变化不是一个固定值)，通过连续多次放电沉积获得连续生长的沉积层6。如图2所示通常的镍基高温合金快速凝固时柱状晶向等轴晶转变曲线。连续外延生长需要避免等轴晶形成，在激光处理条件下，往往表层都会形成等轴晶，多层外延生长需要通过工艺控制使下一层在加工过程中能将上一层的等轴晶完全重熔。在高能微弧火花处理条件下，由于温度梯度极高，可实现完全的柱状生长。如图3(a)-(c)所示，涂层内细小、致密的定向凝固组织是从基材上外延生长的。涂层组织为定向凝固胞状组织，胞晶间距为0.5～2μm，远远小于基材组织。外延与基体晶粒生长方向平行，当采用焊接工艺材料表面熔化时，不论多晶、定向还是单晶在熔合界面都有外延凝固的倾向，生长方向与热流方向相反，特别地，当材料是定向、单晶并有足够高的温度梯度时，在沉积层中就会得到与基体相同的取向的材料。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
单晶镍基高温合金材料的涂层，利用通常高能微弧火花形成的微薄熔体中所产生的超高的温度梯度，以及微薄熔体凝固时组织从基材外延生长的特点，以单晶镍基合金材料为基材，在其择优晶面(001)上进行高能微弧火花连续沉积。
沉积时，采用通常的高能微弧火花沉积方法：涂层材料选用NiCrAlY棒材作为阳极，直径为6mm，基材为单晶DD6合金(阴极)，在其择优晶面(001)上进行外延沉积。在3000W高能微弧火花发生器1(本实施例在沉积时，功率1920W，频率400Hz，阳极转速为1500转/分)作用下，NiCrAlY阳极2尖端与DD6合金工件3表面接触放电产生高温高压放电微区，电极和工件表面局部熔化，在惰性气体4保护下，电极尖端熔化的材料向工件表面喷射转移形成微薄熔体，本实施例中，沉积过程的微薄熔体平均厚度为30微米，微薄熔体外延定向凝固形成沉积层5温度梯度107～108K/m，冷却速度105～106K/s。通过连续多次放电沉积获得连续生长的沉积层6，涂层内细小、致密的单晶组织是从基材上外延生长的。涂层组织为胞状凝固组织，胞晶间距为0.5～2μm，远远小于基材组织。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
定向凝固镍基高温合金材料的修复，利用通常高能微弧火花形成的微薄熔体中所产生的超高的温度梯度，以及微薄熔体凝固时组织从基材外延生长的特点，以定向凝固镍基高温合金材料为基材，在其择优晶面(001)上进行高能微弧火花连续沉积。
沉积时，采用通常的高能微弧火花沉积方法：涂层材料选用DZ4棒材作为阳极，直径为4mm，基材为定向凝固DZ4合金，在其择优晶面(001)上进行外延沉积。采用1500W高能微弧火花发生器，在沉积时，功率200W，频率1000Hz，阳极转速为300转/分，DZ4阳极2尖端与DZ4合金工件3表面接触放电产生高温高压放电微区，电极和工件表面局部熔化，在惰性气体4保护下，电极尖端熔化的材料向工件表面喷射转移形成微薄熔体，本实施例中，沉积过程的微薄熔体平均厚度为10微米，微薄熔体外延定向凝固形成沉积层5温度梯度108～109K/m，冷却速度105～106K/s。通过连续多次放电沉积获得连续生长的沉积层6，涂层内细小、致密的定向凝固组织是从基材上外延生长的。涂层组织为胞状凝固组织，胞晶间距为0.5～2μm，远远小于基材组织。
实施例4
与实施例2不同之处在于：
单晶镍基高温合金材料的修复，利用通常高能微弧火花形成的微薄熔体中所产生的超高的温度梯度，以及微薄熔体凝固时组织从基材外延生长的特点，以单晶镍基合金材料为基材，在其择优晶面(001)上进行高能微弧火花连续沉积。
沉积时，采用通常的高能微弧火花沉积方法：涂层材料选用DD6棒材作为阳极，直径为6mm，基材为单晶DD6合金，在其择优晶面(001)上进行外延沉积。采用3000W高能微弧火花发生器，在沉积时，功率2800W，频率2000Hz，阳极转速为800转/分。DD6阳极2尖端与DD6合金工件3表面接触放电产生高温高压放电微区，电极和工件表面局部熔化，在惰性气体4保护下，电极尖端熔化的材料向工件表面喷射转移形成微薄熔体，本实施例中，沉积过程的微薄熔体平均厚度为40微米，微薄熔体外延定向凝固形成沉积层5，温度梯度107～108K/m，冷却速度105～106K/s。通过连续多次放电沉积获得连续生长的沉积层6，涂层内细小、致密的单晶组织是从基材上外延生长的。涂层组织为胞状凝固组织，胞晶间距为0.5～2μm，远远小于基材组织。
Claims (5)
1.一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，其特征在是：以定向凝固或单晶镍基高温合金材料为基材，在基材上进行高能微弧火花多层沉积，具体步骤如下：
(a)采用电容放电、微弧熔焊的高能微弧火花作为加工热源，修复/涂层材料作为高能微弧火花加工装置的阳极和定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金基材作为高能微弧火花加工装置的阴极；微弧火花的具体工艺参数：功率100W～5000W，频率70～4000Hz，阳极转速100～3000RPM；
(b)利用高能微弧火花瞬时放电产生的微薄熔体温度梯度高并且凝固组织从基材外延生长的特点进行定向凝固，形成沉积层，温度梯度107～109K/m，冷却速度105～106K/s。
2.根据权利要求1所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，其特征在于：采用该方法获得的材料组织为柱晶或单晶组织。
3.根据权利要求1所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，其特征在于：修复/涂层材料为基材成分相近或相同的镍基高温合金或者主要凝固相为γ-Ni的MCrAlY系抗氧化合金。
4.根据权利要求1所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，其特征在于：沉积层由大量单脉冲放电沉积点在空间累积而成，后一个沉积点在前一个沉积点上搭接累积。
5.根据权利要求1所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，其特征在于：每次沉积过程中，微薄熔体厚度为5～60微米。
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