CN102717224B - 一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机维修领域，具体为一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，诸如高推比航空发动机、重型电力燃机、输送燃机和舰艇燃机的涡轮转子叶片、静止导向叶片与导向器及喷咀件经服役使用过程所引起的裂纹、烧蚀洞与腐蚀坑等大间隙缺陷，采用粉末熔结成型修复之一种工艺方法。粉末熔结成型修复过程是指：首先对修整洁净化处理过的缺陷表面施涂表面活化处理材料，然后用经B活化处理过的镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温熔烧连结达到修复。本发明可以解决高Al+Ti高温合金叶片大间隙缺陷国内目前不可修复而报废问题。叶片的修复强度高、无变形、速度快、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机维修领域，具体为一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，诸如高推比航空发动机、重型电力燃机、输送燃机和舰艇燃机的涡轮转子叶片、静止导向叶片与导向器及喷咀件经服役使用过程所引起的裂纹、烧蚀洞与腐蚀坑等大间隙缺陷，采用粉末熔结成型修复之一种工艺方法。
背景技术
目前，燃气轮机广泛应用于航空发动机和地面发电装置上。随着发动机效率的提高，发动机的燃气温度越来越高，同时发动机燃烧产生的高温燃气还具有很强的腐蚀性和氧化性。
高压涡轮叶片处于燃气轮机的涡轮部位，燃烧室排出的温度最高的燃气直接作用于高压涡轮叶片，由于发动机的起停或突然状态改变，高压涡轮叶片会产生很高的热应力，再加上高温燃气的腐蚀和氧化作用，随着高推比、高功率、高性能燃气轮机的发展，高推比航空发动机、重型电力燃机、输送燃机和舰艇燃机的涡轮转子叶片、静止导向叶片与导向器及喷咀件经服役使用过程引起裂纹、烧蚀洞与腐蚀坑等大间隙缺陷。
叶片包括压气机转子叶片、涡轮转子叶片与导向器子叶片/喷咀是燃气轮机重要的关键部件。压气机转子叶片与外机匣联合将环境中气体压入并达到一定的高压进入燃烧室，而涡轮导向器叶片将由燃烧室出来的高压气体整流导入给涡轮转子叶片，转子叶片带动转子运动作功。在此过程中，转子叶片与外机匣相对密封式运动。由于转子振动、叶片热膨胀、离心力作用伸长、启动与停机热循环等过程会导致叶片叶尖的磨损与疲劳损伤，特别是涡轮转子叶片还会受到高温作用所引起的蠕变、冷热循环疲劳，高温氧化和含有S、Cl、C、Ca、P等杂质的燃气沉积物的熔盐热腐蚀；此外在过载/过热情况下，导向器叶片/喷咀还会受到高温燃气的热冲击及烧蚀。随着燃气轮机输出功率的增大，叶片的这种磨损、腐蚀及烧蚀损伤失效愈严重。目前，我国在运行的重载燃气轮机多是进口的，且均相继进入大修期以至多次大修状态，叶片包括喷咀的修复国产化尤为重要。这是因为叶片/喷咀件昂贵，国外进口与修复更是费用高。
另外，由于高压涡轮叶片属Al、Ti含量很高的镍基高温合金，在焊接和焊后热处理过程中具有很高的热裂纹敏感性，通常属不可焊材料，这就给高压涡轮叶片的修复带来了很大的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，解决高铝钛含量的镍基、钴基与铁基合金叶片的裂纹、烧蚀洞与腐蚀坑等大的三维空间缺陷难修复、易变性、强度低、成本高、不能及时可靠修复等问题。
本发明的技术方案是：
一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，对燃气轮机叶片的裂纹、烧蚀洞或腐蚀坑等大间隙空间缺陷进行粉末熔结成型修复，粉末熔结成型过程是指：(1)对叶片上经修整并洁净化处理过的缺陷表面施涂表面活化处理材料；(2)将经硼活化处理过的镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型；(3)经加热熔结致密化，实现缺陷的空间性连结。
所述的燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，步骤(1)是将缺陷经打磨修整与洁净化处理的表面进行活化处理，硼活化处理材料可为含B或含Si或含B+Si的化合物或合金。活化处理材料可为粉态，也可为棒状或片状；施涂方法为微弧沉积涂层、电阻焊贴片方法或粉末喷涂方法。
所述的燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，步骤(2)是制备填充大间隙缺陷空间的材料和随后将此材料填充到大间隙缺陷空间中，并保持已塑化成的形状。填充材料为硼活化处理的合金粉末，其中硼活化方法为硼化物、硼的氢氧化物、硼酸或硼酸盐与合金粉末通过机械球磨或溶液浸泡；合金粉末为叶片基体合金粉末或其它镍基、钴基或铁基高温合金粉末，硼活化处理过的合金粉末的塑化成型调制是通过向粉末中添加塑化成型剂，塑化成型剂的加入量占合金粉末重量的8-15％。
本发明中，按重量百分比计，塑化成型剂的组成及含量范围如下：
非离子表面活性剂：0.1～1.5％；聚甲基丙烯酸酯(PMMA)28～38％；邻苯二甲酸：20～30％；二丙二醇甲醚：40～50％。
本发明中，非离子表面活性剂可以为二甲基乙酰胺、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二甲酯、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵等。
所述的燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，步骤(3)是叶片大间隙缺陷空间填充材料的加热熔结致密化并与叶片基体形成一体，加热熔结是采用真空炉或在H2或惰性气体保护下的热处理炉升温加热过程，由脱塑化剂→预烧结→熔结→空冷→热处理五个阶段所造成。预烧结温度为400-900℃，烧结温度为800-1250℃，致密度大于98％，强度为叶片基体合金的90％以上。
所述的燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，对叶片表面与穿透性裂纹、叶片烧蚀洞的修复和叶片腐蚀坑以及腐蚀洞的修复，其修复过程的工艺特征为：叶片经化学或机械方法除去涂层→喷丸→待修复区机械打磨修整清洗→表面活化处理→填充材料硼活化处理与塑化处理→填充材料置入修复区并塑化成型→加热熔结→整形加工→叶片合金材料处理→再防护涂层。
本发明中，修复叶片的再防护层是采用微弧沉积涂层修复工艺方法(申请号：201010146245.7)。
本发明中，叶片大间隙缺陷为穿透叶片壁厚的裂纹，裂纹长≥1.0mm；叶片大间隙缺陷为烧蚀洞，洞的大小为Φ1mm-Φ25mm；叶片大间隙缺陷为腐蚀坑，坑的大小为Φ1mm-Φ50mm。
本发明中，表面活化处理可以采用镍-硼合金，其成分如下(wt％)：
| Ni | B | Si | Fe |
| 余 | 1-20 | 0-15 | 0-10 |
本发明中，表面活化处理可以采用钴基合金钎焊料，其成分为(wt％)：
| Co | Ni | Cr | B | Si | Al |
| 余 | 0-10 | 0-20 | 4-5 | 0-5 | 0-1 |
本发明中，填充材料可以采用IMR-C800钴基合金，其化学成分如下(wt％)：
| Co | Ni | W | Mo | Cr | C | Si |
| 余 | 10 | 1-8 | 1-8 | 25 | 0.8 | 0.5 |
本发明中，再防护涂层可以采用IMR-N801合金，其成分如下(wt％)：
| Ni | Co | Cr | Al | Ta | Y |
| 余 | 18-20 | 20-24 | 5.0-6.0 | 2.0-4.0 | 0.2-0.4 |
本发明中，硼活化处理材料可以采用硼-硅合金材料Ni-Cr-B-Si合金，其化学成分为(wt％)：
| Ni | Cr | B | Si | Fe | C |
| 余 | 18-20 | 4-5 | 4-5 | 1-1.5 | 0-1.0 |
本发明中，涂敷材料即修复材料为IMR-N801+Cr3C2(Cr3C2占0～10wt％，其余为IMR-N801)。
本发明中，硼活化处理材料为Ni-B-Si钎焊合金，其化学成分为(wt％)：
| Ni | B | Si |
| 余 | 10-15 | 2-6 |
本发明的有益效果是：
燃气轮机叶片/喷咀修复尤其是重载燃气轮机叶片/喷咀之修复，目前是包括如下三方面内容：显微组织的恢复、几何构形厚底恢复和表面涂层的恢复。采用本发明燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，可以实现服役损伤失效的重载燃气轮机叶片/喷咀之几何结构形与表面涂层的修复和显微组织的调整，并具有如下特点：
(1)减少了因大间隙缺陷难修而报废叶片件的损失。
(2)叶片修复区的强度与叶片基体相接近。
(3)叶片件屋明显变形。
(4)修复效率高，可批量生产。
具体实施方式：
实施例1
某型涡扇结构大型航空发动机二次大修时发现燃气轮机一级三连体导向叶片的叶缘板上三处产生热疲劳裂纹，裂纹长度约为10-20mm，深度为穿透性。裂纹处在缘板与叶片叶身之间转角R处，此处壁厚1-3mm.叶片为空心结构，叶片材料为Жc6y合金。合金中Al+Ti的总含量＞8wt％，熔焊时易产生裂纹，不可焊材料，难以氩弧焊等修复。采用激光显微焊和微弧沉积涂层工艺方法虽可以愈合裂纹，但很费时并且补焊区的抗热疲劳性能较基体合金低很多，达不到试车要求。采用本发明不仅可以快速方便地将裂纹愈合，而且可以满足叶片的热疲劳性能要求。
三连体导向叶片与端缘板转角R处热裂纹的修复工艺：
叶片喷丸→酸洗除涂层→喷丸→采用微型打磨工具将裂纹清楚并修正成合适构形→丙酮清洗→采用镍-硼合金粉末涂抹在打磨表面进行表面活化处理→填充材料硼活化处理与塑化处理→填充材料置入裂纹被打磨形成的三维空间间隙中，并塑化成打磨前的叶片几何形状→加热熔结→机械整形加工→叶片Жc6y合金热处理→再防护涂层。
本实施例中，镍-硼合金粉末的成分如下(wt％)：
| Ni | B | Si | Fe |
| 余 | 10 | 7 | 5 |
Ni-B合金粉末的粒度为100目粉末。
本实施例中，填充材料为叶片基体合金Жc6y合金粉末，Жc6y合金粉末粒度为300目，经添加为Жc6y合金粉末1％(wt)的硼酸并经24小时球磨，最好是高能振动球磨这样活化过程热处理的，随后对此硼活化处理粉末中添加塑化剂，塑化剂占活化处理粉末的12wt％。本实施例中，按重量百分比计，塑化成型剂的组成及含量如下：非离子表面活性剂(本实施例中，非离子表面活性剂可以采用二甲基乙酰胺)0.8％，聚甲基烯酸脂33％，邻笨二甲酸20％，二丙二醇甲醚余量，采用机械搅拌与手揣柔加工形成可塑粉末。
本实施例中，裂纹空间填充材料加热熔结愈合工艺参数为：
设备：真空炉，真空度0.5×10-5Pa，叶片随炉加热，200-500℃脱塑化剂，700-900℃预烧结，1150-1250℃熔结，停电随炉冷却到700℃空冷，再按Жc6y合金的标准热处理制度对叶片进行热处理，最后采用常规热喷涂技术(如等离子喷涂等)，在叶片表面喷涂合金IMR-N800粉，IMR-N800粉末粒度为200目，涂层厚度为0.10～0.30mm，形成再防护涂层。
本实施例中，IMR-N800镍基高温合金的成分如下(wt％)：
| Ni | Cr | W | Mo | Ti | Al | Y |
| 余 | 20 | 8 | 8 | 3 | 0.5 | 0.5 |
结果表明，修复的五片叶片，均通过350小时地面台架试车考核。
实施例2
广东某电厂进口燃气轮机-汽轮机联合循环发电机组，检修时发现燃气轮机喷咀即导向叶片发生严重的腐蚀和裂纹。喷咀材料为FSX-414钴基合金，喷咀结构为三叶片连体，喷咀的缘板产生穿透性裂纹多处与龟裂，喷咀叶片的排气边由热腐蚀形成的大的豁口与缺肉。喷咀的叶片为空心结构，排气边有气冷孔，叶片表面的涂层为等离子喷涂CoNiCrAlY涂层。采用激光显微积分焊和微弧沉积涂层方法来修复，工作量太大、效率低、修复层抗热疲劳性能不高。采用本发明可以将所有裂纹与腐蚀豁口一起修复，效率高，质量好。FSX-414合金喷咀的修复工艺为：
喷咀件喷砂+打磨除去裹优先变涂层→有机溶剂(丙酮)除油处理→机械法除去裂纹表面与腐蚀豁口表面的氧化腐蚀层并修整层合适的构形→丙酮清洗→采用微弧沉积涂层法，将钴基合金钎焊料涂敷在裂纹与豁口进行表面活化处理→填充材料的硼活化处理与塑化处理→填充处理置入裂纹与豁口空间中并塑化成所需的几何形状→加热熔结→机械整形加工→喷咀FSX-414合金正常热处理→再防护涂层。
本实施例中，钴基合金钎焊料的成分为(wt％)：
| Co | Ni | Cr | B | Si | Al |
| 余 | 5 | 10 | 4 | 3 | 0.5 |
钴基合金钎焊料为棒材，直径Φ1-Φ5mm，长50-100mm。微弧沉积涂层法请参见中国发明专利申请(申请号：201010146245.7)，其加工参数为：功率3000w，脉冲频率为2000HZ，脉宽10-5S，Ar保护下，手持式操作，涂层厚度为0.01～0.25mm。
本实施例中，填充材料为IMR-C800钴基合金粉末，粉末粒度为350目，其化学成分如下(wt％)：
| Co | Ni | W | Mo | Cr | C | Si |
| 余 | 10 | 4 | 4 | 25 | 0.8 | 0.5 |
本实施例中，填充材料的B活化处理是通过添加占IMR-C800钴基合金粉末5-10％wt的Ni-10％B合金(按重量百分比计，B10％，其余为Ni，粉末粒度为400目并进行机磨或球磨混合而成。球磨时间为48小时，硬质合金球罐与硬质合金球。填充材料的塑化处理同实施例1。
本实施例中，加热熔结过程是采用大的炉膛真空炉，因为喷咀件几何尺寸大且多；脱塑化剂同实施例1，预烧结的温度为600-700℃，1.5小时；熔结温度1100-1150℃，时间3-4小时。
本实施例中，喷咀件的再防护涂层是采用微弧沉积涂层法请参见中国发明专利申请(申请号：201010146245.7)施涂IMR-N801合金涂层，IMR-N801合金的成分如下(wt％)：
| Ni | Co | Cr | Al | Ta | Y |
| 余 | 19 | 22 | 5.5 | 3.0 | 0.3 |
IMR-N801合金微弧沉积涂层的工艺参数如下：
微弧源输出功率2000W-3000W，微弧放电频率3000Hz-4000Hz，电极棒Φ6mm，施转运动，He气保护，手持式操作，涂层厚度为0.2～0.35mm。
结果表明，经修复的一组喷咀迄今已安全使用两年多了。
实施例3
中国山东省某煤-焦化厂为减少煤-焦化炉尾气放空对环境的污染和能源利用，采用涡轴式燃气轮机，利用煤-焦化炉尾气作为燃气推动涡轮施转带动发电机发电，有很好的经济效益与社会效益，但由于该炉尾气虽然经过脱硫、脱盐处理，但尾气中的硫、氯及一些有害杂质份较高，含有这些物质的燃烧灰多沉积在一级涡轮转子叶片叶冠下部与一级导向叶片叶身上，并在高温下形成熔盐，由此发生叶片严重热电学腐蚀，使得叶片基体减薄以至蚀穿断开。叶片的材料为K403(K3)镍基高温铸造合金，同样由于该合金Al+Ti含量高达10wt％，γ`相体积近70％，因此采用Tig(惰性气体保护钨极电弧焊)或Mig(活性气体保护焊)以激光束来敷层修复均难获得成功应用。采用本发明成功地修复了被严重腐蚀，但尚未断开的一级转子叶片与一级导向叶片，并且提高了叶片的耐腐蚀性能，使修复过的叶片的使用寿命为新叶片三倍的延长。本发明修复叶片的工艺过程如下：
机械打磨法除去叶片上的沉积熔盐层与腐蚀产物层，直到现出基体金属色泽→喷丸→有机溶剂超声净化处理→采用硼-硅合金材料活化表面→涂敷材料硼活化处理与塑化处理→置涂敷材料并随叶片几何构形塑成型→脱塑、预烧结→熔结→空冷→修形→叶片热处理。
本实施例中，活化表面的硼-硅合金材料为Ni-Cr-B-Si合金，其化学成分为(wt％)：
| Ni | Cr | B | Si | Fe | C |
| 余 | 19 | 4 | 5 | 1.5 | 0.5 |
硼-硅合金是采用微弧沉积涂层法(请参见中国发明专利申请，申请号：201010146245.7)施涂在叶片修复原表面。合金为Φ5×1000mm棒，微弧沉积参数为电源输出功率：3000W，放电频率1500Hz，脉宽10-4S，Ar保护，手持操作，涂层厚度为0.05～1.5mm。
本实施例中，涂覆材料即修复材料为IMR-N801+Cr3C2(本实施例中，Cr3C2为1wt％-10wt％，其余为IMR-N801)，该材料的硼活化处理材料为Ni-B-Si钎焊合金，其化学成分为(wt％)：
| Ni | B | Si |
| 余 | 15 | 4 |
IMR-N801合金的成分如下(wt％)：
| Ni | Co | Cr | Al | Ta | Y |
| 余 | 20 | 20 | 5.0 | 4.0 | 0.2 |
涂敷材料硼活化处理采用高能机械球磨混合48小时，硼活化处理粉末的粒度为400目，硼活化处理后进行塑化处理，采用聚醛树脂或聚甲基丙烯酸酯(PMMA)，塑化剂占硼活化处理粉末9～12wt％，采用机械搅拌与手揣柔加工形成可塑粉末。
PMMA的基本特性：
本实施例中，置涂敷材料是采用机械靠模施涂，并在固化后采用打磨方法修整为近叶片设计的构形。
本实施例中，脱塑、预烧结和熔结均在真空炉中进行。脱塑温度为：300℃-500℃，预烧结温度为450℃-750℃，熔结温度为950℃-1050℃。本实施例中叶片热处理为叶片K403合金的标准热处理。
结果表明，本发明对燃气轮机叶片大间隙缺陷进行粉末熔结成型修复，首先修整洁净化处理过的缺陷表面施涂表面硼活化处理材料，然后用经B活化处理过的镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温熔烧连结达到修复。从而，可以解决高Al+Ti高温合金萼片大间隙缺陷国内目前不可修复而报废问题，其修复强度高、无变形、速度快、成本低。
Claims (1)
1.一种燃气轮机叶片大间隙缺陷粉末熔结成型修复方法，其特征在于，对燃气轮机叶片的裂纹、烧蚀洞或腐蚀坑大间隙空间缺陷进行粉末熔结成型修复，粉末熔结成型过程是指：（1）对叶片上经修整并洁净化处理过的缺陷表面施涂表面活化处理材料；（2）将经硼活化处理过的镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型；（3）经加热熔结致密化，实现缺陷的空间性连结；
步骤（1）是将缺陷经打磨修整与洁净化处理的表面进行活化处理，表面活化处理采用镍-硼合金，按重量百分比计，其成分如下：B1-20，Si0-15，Fe0-10，Ni余；或者，表面活化处理采用钴基合金钎焊料，按重量百分比计，其成分为：Ni0-10，Cr0-20，B4-5，Si0-5，Al0-1，Co余；或者，表面活化处理采用硼-硅合金材料Ni-Cr-B-Si合金，按重量百分比计，其化学成分为：Cr18-20，B4-5，Si4-5，Fe1-1.5，C0-1.0，Ni余；活化处理材料为粉态、棒状或片状；施涂方法为微弧沉积涂层方法、电阻焊贴片方法或粉末喷涂方法；
步骤（2）是制备填充大间隙缺陷空间的材料和随后将此材料填充到大间隙缺陷空间中，并保持已塑化成的形状；填充材料为硼活化处理的合金粉末，其中硼活化方法为硼化物、硼的氢氧化物、硼酸或硼酸盐与合金粉末通过机械球磨或溶液浸泡；合金粉末为叶片基体合金粉末或其它镍基、钴基或铁基高温合金粉末，硼活化处理过的合金粉末的塑化成型调制是通过向粉末中添加塑化成型剂，塑化成型剂的加入量占合金粉末重量的8-15%；
按重量百分比计，塑化成型剂的组成及含量范围如下：
非离子表面活性剂：0.1%-1.5%；
聚甲基丙烯酸酯：28%-38%；
邻苯二甲酸：20%-30%；
二丙二醇甲醚：40%-50%；
非离子表面活性剂为二甲基乙酰胺、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二甲酯、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵；
步骤（3）是叶片大间隙缺陷空间填充材料的加热熔结致密化并与叶片基体形成一体，加热熔结是采用真空炉或在H2或惰性气体保护下的热处理炉升温加热过程，由脱塑化剂→预烧结→熔结→空冷→热处理五个阶段所造成；
预烧结温度为400-900℃，烧结温度为800-1250℃，致密度大于98%，强度为叶片基体合金的90%以上。
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