CN102009279B - 降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法，该方法通过对老化构件焊前施加热处理，使σ相和碳化物部分回溶，提高材料塑性，使补焊裂纹敏感性降低。采用本方法减少了导致材料脆化的析出相，提高了材料的塑性，不但降低了部件补焊裂纹敏感性，使部件裂纹、局部磨损和烧蚀等缺陷能够采用熔化焊方法顺利修复，而且热处理后由于材料塑性的提高，在相同的工作环境下可延长再次开裂的时间。

Description

降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法

技术领域

本发明涉及一种降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法，属于热处理加工技术领域，主要用于航空发动机、燃汽轮机维修。

背景技术

航空发动机、燃汽轮机的涡轮、燃烧室、压气机高温部位的一些部件采用Cr-Ni、Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢精密铸造而成，发动机工作到一个翻修周期后需要进行大修，这些构件经常出现超过标准规定的裂纹、局部磨损和烧蚀等故障，需要采用熔化焊方法修复缺陷。由于Cr-Ni、Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢在较高温度下长期工作会出现脆化现象，补焊时在焊缝热影响区甚至是远离热影响区的区域出现裂纹，使本来焊接性良好的合金变得不容易焊接，甚至不能焊接。

Cr-Ni、Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢在高温下长期工作存在脆化倾向，这种脆化主要是由于析出了σ相和碳化物，特别是在晶界处析出这两类化合物更具有危害性。一般认为σ相的形成与δ铁素体有关，存在δ铁素体时有利于σ相的形成。另外，高Cr、Si的奥氏体不锈钢中也会从γ中直接析出σ相。碳化物是以MC、M₆C、M₂₃C₆形式在晶内和晶界析出，特别在晶界呈链状或连续分布时，会降低晶界的结合力，使塑性下降。还有，这些部件为铸造状态，晶粒尺寸大，晶界宽且直，如果晶界存在连续的碳化物，裂纹更容易在此萌生和扩展。

由于析出了过多的σ相和碳化物，使这些部件基体严重脆化。在实施补焊时由于受补焊热循环影响，在热影响区产生裂纹，并且在补焊上一条焊缝热影响区裂纹时在新的热影响区又会产生新的裂纹，导致最终无法消除裂纹而使部件报废。

发明内容

本发明正针对上述现有技术状况而设计提供了一种降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法，目的是在航空发动机铸造不锈钢部件补焊修复对构件进行热处理，减少或消除补焊裂纹。

根据奥氏体不锈钢成分的不同，σ相和碳化物的析出温度范围不同，但不管哪种奥氏体不锈钢当加热到某一温度值后，σ相会全部溶解，一些不稳定碳化物也会大量回溶，使导致材料脆化的析出相减少，焊接裂纹敏感性降低。基于这一规律，本发明是通过对老化构件焊前施加热处理，使σ相和碳化物部分回溶，提高材料塑性，达到降低焊接裂纹敏感性目的。

本发明技术方案的具体内容是：

该种降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)将需要进行补焊修复的航空发动机上的Cr-Ni、Cr-Ni-Mn类铸造奥氏体不锈钢部件按400～550℃、550～700℃的工作温度分为一、二类构件；

(2)在构件工作温度较高部位取样并进行扫描电镜分析，确认原始状态下σ相和碳化物析出情况，并作为比较基准，需观察的析出情况的典型表现为：棒状相呈方向性随机分布、白色颗粒相弥散分布、析出相在二次晶界上呈链状分布、原始铸造晶界析出相连接成带；

(3)在部件工作温度较高部位以垂直长轴方向切取若干金相试样，针对一类构件金相试样在800～1200℃区间内以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，针对二类构件金相试样在900～1300℃区间内以以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，保温时间均为10～60min，热处理设备采用空气电阻炉或真空炉加热，空冷；

(4)采用扫描电镜观察经不同温度固溶处理的试样，确定试样σ相和碳化物析出情况，与相对应的原始状态的试样的比较基准进行对比，以确定不同固溶热处理规范下析出相回溶量的不同，确定方法是：

在某一固溶处理规范下：

a弥散分布的白色颗粒相是否能减少30％以上；

b二次晶界上呈链状析出相是否能减少30％以上且不再连续、棒状相直径是否能减少20％以上；

c原始铸造晶界宽度是否能减少10％以上；

能满足上述两项即可作为补焊修复前的固溶处理的最佳规范。

(5)根据以上步骤(4)中所确定的固溶处理规范对相应的构件进行补焊修复前的热处理。通过对老化构件焊前施加热处理，使σ相和碳化物部分回溶，提高材料塑性，使补焊裂纹敏感性降低。

本发明技术方案的优点是：

本发明技术方案是基于奥氏体不锈钢长期在高温下工作析出了σ相和碳化物而导致材料脆化的原理，以及加热到某一温度后σ相和不稳定碳化物会大量回溶的规律，通过对老化构件焊前施加热处理，使σ相和碳化物全部或部分回溶，以提高材料的塑性，达到降低焊接裂纹敏感性目的。

本发明技术方案减少了导致材料脆化的析出相，提高了材料的塑性，不但降低了部件补焊裂纹敏感性，使部件裂纹、局部磨损和烧蚀等缺陷能够采用熔化焊方法顺利修复，而且热处理后由于材料塑性的提高，在相同的工作环境下可延长再次开裂的时间。

附图说明

图1为实施例1中原始状态和1100℃×1h，AC热处理状态弥散分布的白色颗粒相、棒状相、原始铸造晶界析出相对比

图2为实施例1中原始状态和1100℃×1h，AC热处理状态二次晶界对比

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

根据待焊接修复的部件在航空发动机、燃汽轮机上的安装部位，确认部件承受的最高工作温度、冷热疲劳情况、燃气腐蚀情况、载荷性质，确认部件材料成分、制造工艺、结构组成，明确部件故障的类型和可行的焊接修复方法，确定部件满足焊前热处理的必要条件。必要条件包括：部件是Cr-Ni、Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢材质；部件是铸造组织；部件上其他不可拆卸的异种材料部分，在施加焊前热处理后不导致性能下降或功能失效。通过上述分析和确认后，实施以下具体步骤：

(1)将需要进行补焊修复的航空发动机上的Cr-Ni、Cr-Ni-Mn类铸造奥氏体不锈钢部件按400～550℃、550～700℃的工作温度分为一、二类构件；

(2)在构件工作温度较高部位取样并进行扫描电镜分析，确认原始状态下σ相和碳化物析出情况，并作为比较基准，需观察的析出情况的典型表现为：棒状相呈方向性随机分布、白色颗粒相弥散分布、析出相在二次晶界上呈链状分布、原始铸造晶界析出相连接成带；

(3)在部件工作温度较高部位以垂直长轴方向切取若干金相试样，针对一类构件金相试样在800～1200℃区间内以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，针对二类构件金相试样在900～1300℃区间内以以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，保温时间均为10～60min，热处理设备采用空气电阻炉或真空炉加热，空冷；

(4)采用扫描电镜观察经不同温度固溶处理的试样，确定试样σ相和碳化物析出情况，与相对应的原始状态的试样的比较基准进行对比，以确定不同固溶热处理规范下析出相回溶量的不同，确定方法是：

在某一固溶处理规范下：

a弥散分布的白色颗粒相是否能减少30％以上；

b二次晶界上呈链状析出相是否能减少30％以上且不再连续、棒状相直径是否能减少20％以上；

c原始铸造晶界宽度是否能减少10％以上；

能满足上述两项即可作为补焊修复前的固溶处理规范。

(5)根据以上步骤(4)中所确定的固溶热处理规范对相应的构件进行补焊修复前的热处理。

具体实例一

降低某发动机IV级涡轮导向器补焊时裂纹敏感性

1.导向器工作状态确认

某发动机IV级涡轮导向器采用奥氏体不锈钢整体铸造而成，材料为1Cr21Ni11W2铸造不锈钢。当工作到1500h以后翻修时，在排气边自乳化荧光检查发现大量长约3～10mm微裂纹，裂纹累计数量可达100条以上。导向器设计寿命3000h，工作温度为450～500℃。

2.原始状态和不同热处理工艺下组织分析

在某发动机IV级涡轮导向器同一个叶片上以垂直叶片长轴方向切取4块金相试样，其中一块保持原始状态，其余3快分别按以下规范在电阻炉中热处理：

900℃×1h，AC

1000℃×1h，AC

1100℃×1h，AC

然后采用扫描电镜进行组织分析，对比不同热处理制度下以及原始状态下的组织状态，找到σ相和碳化物明显回溶的热处理规范，确认焊前热处理制度。

图1、2所示为原始状态和1100℃×1h，AC热处理状态析出相对比：弥散分布的白色颗粒相减少80％以上、二次晶界上呈链状析出相减少60％以、棒状相直径减少40％以上、原始铸造晶界宽度减少20％以上。

通过组织状态对比，某发动机IV级涡轮导向器焊前采用1100℃×1h，AC规范热处理，σ相和碳化物明显减少或回溶，经过此规范处理的IV级导向器，在热影响区不再出现补焊裂纹。

与现有技术相比，本发明技术方案通过补焊前的热处理工艺，使构件σ相和碳化物明显减少或回溶，在补焊后不再出现补焊裂纹。

Claims (1)

1.降低航空发动机铸造不锈钢部件补焊时裂纹敏感的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)将需要进行补焊修复的航空发动机上的Cr-Ni、Cr-Ni-Mn类铸造奥氏体不锈钢部件按400～550℃、550～700℃的工作温度分为一、二类构件；

(2)在构件工作温度较高部位取样并进行扫描电镜分析，确认原始状态下σ相和碳化物析出情况，并作为比较基准，需观察的析出情况的典型表现为：棒状相呈方向性随机分布、白色颗粒相弥散分布、析出相在二次晶界上呈链状分布、原始铸造晶界析出相连接成带；

(3)在部件工作温度较高部位以垂直长轴方向切取若干金相试样，针对一类构件金相试样在800～1200℃区间内以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，针对二类构件金相试样在900～1300℃区间内以20～100℃的温度间隔进行固溶热处理，保温时间均为10～60min，热处理设备采用空气电阻炉或真空炉加热，空冷；

(4)采用扫描电镜观察经不同温度固溶热处理的试样，确定试样σ相和碳化物析出情况，与相对应的原始状态的试样的比较基准进行对比，以确定不同固溶热处理规范下析出相回溶量的不同，确定方法是：

在某一固溶热处理规范下：

a弥散分布的白色颗粒相是否能减少30％以上；

b二次晶界上呈链状析出相是否能减少30％以上且不再连续、棒状相直径是否能减少20％以上；

c原始铸造晶界宽度是否能减少10％以上；

能满足上述三项时，该固溶热处理规范即可作为补焊修复前的固溶热处理规范；

(5)根据以上步骤(4)中所确定的固溶热处理规范对相应的构件进行补焊修复前的热处理。

Images