CN103243242B - 一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温合金涡轮叶片修复再制造技术，具体为一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺。微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Ni45%-60%,Co0%-25%,Cr10%-25%,Al5%-7%,Ta2%-8%,Re0-6%,Hf0-2%,Y0-1%,C0-0.1%,总重量为100%。将上述修复材料制成直径为2mm-6mm，长度20mm以上的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率100W-1500W，频率100-500HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：1150℃-1230℃固溶1-6小时，800-900℃时效4-20小时。本发明为涡轮叶片表面缺陷修复提供了新型修复材料及其修复工艺，使高γ'高温合金叶片采用高γ'高温合金修复材料进行修复成为可能，为高温合金叶片近、等强度修复提供了新的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于高温合金涡轮叶片修复再制造技术，具体为一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺，它是高温合金涡轮叶片表面损伤微弧火花沉积显微焊接修复材料和工艺。
背景技术
Al、Ti是高强度镍基高温合金的主要沉淀强化元素，随着Al+Ti含量增加，合金中沉淀强化相γ′-Ni3(Al,Ti)体积百分数增加，合金的高温强度相应增加。现代高性能航空发动机和燃气轮机涡轮叶片制造主要采用高Al+Ti镍基高温合金。这些部件价格昂贵，如GE公司生产IN-738合金多晶叶片价格约为1.5万美元/片，定向、单晶叶片则超过3.0万美元/片。这些部件工作在高温、高压、腐蚀性燃气环境中，又是易损件，常常产生各种早期损伤，如磨损、裂纹和烧蚀等，严重影响发动机的正常使用。因此，研究发展高Al+Ti镍基高温合金修复与强化技术，获得与镍基高温合金部件基体成分和结构相匹配的修复与强化层，对于延长这些高强度高温合金部件的使用寿命，节省发动机维修成本具有重要意义。
然而，随着Al+Ti含量增加，镍基高温合金的热裂纹敏感性随之增加，易在焊接或焊后热处理过程中产生裂纹。为了避免裂纹的产生，通常采用IN625等固溶强化的镍基高温合金作为填料和高温预热焊与焊后热处理工艺，这使焊接修复仅局限在一些低应力部件与部件的低应力区。实现高Al+Ti镍基高温合金的无裂纹熔焊，特别是采用与工件相同或相近的填料，实现近、等强度熔焊连接一直是高Al+Ti镍基高温合金部件制造与再制造的追求目标。由于高温合金热裂纹敏感性主要与焊接热输入和热影响区的反应有关，因此控制和减少焊接热输入成为提高焊接性的重要途径。美国EPRI的研究报告指出，低热输入焊接工艺具有最大的潜力解决高Al+Ti镍基高温合金的焊接问题。低热输入焊接工艺降低了焊接残余应力，减小了热影响区的大小和组织改变，有利于减少热裂纹的发生。基于此，高Al+Ti镍基高温合金的焊接修复工艺正向微型化和低热化方向发展，出现了微氩弧焊（μGTAW）、微等离子弧焊（μPAW）、微激光束焊（μLBW）、微弧火花沉积（ESD）等。激光焊是目前报导最多，也被认为是最有潜力的方法，世界很多著名的企业和研究单位，如：Siemens Westinghouse、Pratt and Whitney、RollsRoyce、Liburdi、General Electric、Oak Ridge National Laboratory，中科院金属研究所，清华大学等在高Al+Ti镍基高温合金的激光焊接修复方面进行了大量的研究工作，取得了许多积极的结果，成功实现了诸如IN-738、IN-939、Rene142、U520等高Al+Ti镍基高温合金的无裂纹沉积。但是，高Al+Ti镍基高温合金激光熔焊热裂纹敏感性依然很高，往往要预热到700℃以上的高温才能实现无裂纹沉积，而且从工程应用角度看，现代涡轮叶片多为空心气冷薄壁结构，而激光熔深和热影响区都比较大，不但容易击穿叶片而且还可能产生热影响区裂纹。
微弧火花沉积是脉冲电流在微小的时空内作用产生物质转移的过程。以前在小脉冲电流、电极振动放电产生火花情况下，人们将其称为电火花强化，随着脉冲电流增大、电极旋转、放电频率升高，其脉冲微弧焊接特性逐渐显现，将其称为微弧火花沉积。微弧火花单脉冲沉积厚度不过几十微米，沉积过程对基材的热影响很小，基本不会引起工件变形和组织改变。许多难用常规熔焊方法熔焊的材料用微弧火花可以获得无裂纹熔焊，如一般认为Al含量超过10wt%的FeAl合金不能实现无裂纹熔焊，但是微弧火花沉积却使Al含量超过40wt%的FeAl合金实现了无裂纹熔焊。
发明内容
为解决高温合金涡轮叶片表面损伤近等成分修复问题，本发明的目的是提供一种高温合金涡轮叶片修复材料及其配套工艺。
本发明的技术方案是：
一种高温合金涡轮叶片修复材料，按重量百分比计，Ni45%-60%,Co0%-25%,Cr10%-25%,Al5%-7%,Ta2%-8%,Re0-6%,Hf0-2%,Y0-1%,C0-0.1%,总重量为100%。
所述的高温合金涡轮叶片修复材料，优选地，按重量百分比计，Ni50%-55%,Co10%-20%,Cr15%-25%,Al5.5%-6.5%,Ta4%-6%,Re2-4%,Hf0-1.5%,Y0.4-0.6%,C0.03-0.05%,总重量为100%。
所述的高温合金涡轮叶片修复材料，修复材料为沉淀硬化镍基高温合金，其直径为2mm-6mm，其长度20mm以上的圆棒。
所述的高温合金涡轮叶片修复材料，优选地，修复材料的长度为50-100mm。
所述修复材料的高温合金涡轮叶片的修复工艺，包括如下步骤：
（1）先采用真空冶炼方式获得所需成分的合金，然后再采用线切割的方式将修复材料制成直径为2mm-6mm，长度20mm以上的圆棒，采用微弧火花沉积工艺在需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率100W-1500W，频率100-500HZ；
（2）堆焊加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1150℃-1230℃固溶1-6小时，空冷至室温；再在800-900℃时效4-20小时，随炉冷却至室温；
所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，堆焊加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行。
所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，优选地，堆焊工艺参数为功率400W-1000W，频率250-350HZ。
所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，优选地，热处理制度：先在1180℃-1200℃固溶2-4小时，空冷至室温；再在830-850℃时效8-12小时，随炉冷却至室温。
本发明的有益效果是：
1、本发明为涡轮叶片表面缺陷修复提供了一种新型修复材料及其修复工艺，使高γ'高温合金叶片采用高强度的高γ'高温合金修复材料进行修复成为可能，为高温合金叶片近、等强度修复提供了一种新的解决方案。
2、本发明采用微弧火花沉积工艺可实现高γ'强化修复材料的无裂纹直接沉积。凝固裂纹、晶界液化裂纹和应变时效裂纹是高γ'强化修复材料在焊接或焊后热处理过程中常出现的三种裂纹形式。采用微弧火花沉积能够实现高γ'强化修复材料无裂纹熔焊沉积的主要原因是：
（1）凝固裂纹主要是因为熔池糊状固-液两相区大量的液态金属无法回填枝晶间区造成的，减少熔体尺寸可以缩小糊状区最终达到控制凝固裂纹的目的。微弧火花沉积显微熔池的的深度仅数十微米，宽度达数百微米，这样的微小熔池及凝固形成的高取向组织，都有利于减少结晶应力，避免凝固裂纹的产生。
（2）晶界液化裂纹主要是由于晶界上碳化物相及γ′相的成分液化引起的。微弧火花沉积工艺的冷却速度达105～106K/s，γ'强化修复材料微弧火花凝固能够形成超细胞状晶（间距常小于1μm），组织细化和均匀化减少了成分偏析，有利于避免液化裂纹的产生。
（3）应变时效裂纹主要是由于大量的γ′相在冷却过程快速析出，引起基体收缩形成张应力，从而造成开裂。微弧火花沉积高的冷却速度抑制了γ'强化修复材料中γ′相析出，有效地避免应变时效裂纹的产生。
附图说明
图1（a）-（b）为实施例1涡轮叶片表面缺陷微弧火花沉积修复层不同比例的组织示意图。
图2（a）-（b）为实施例2涡轮叶片表面缺陷微弧火花沉积修复层不同比例的组织示意图。
具体实施方式
本发明中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Ni45%-60%,Co0%-25%,Cr10%-25%,Al5%-7%,Ta2%-8%,Re0-6%,Hf0-2%,Y0-1%,C0-0.1%,总重量为100%。将上述修复材料制成直径为2mm-6mm，长度20mm以上的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率100W-1500W，频率100-500HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1150℃-1230℃固溶1-6小时，空冷至室温；再在800-900℃时效4-20小时，随炉冷却至室温。
下面通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Co15%,Cr18%,Al6.5%,Ta4%,Re2%,Y0.56%,C0.04%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为3mm，长度50mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率800W，频率300HZ，加工过程在氩气保护下进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1200℃固溶3小时，空冷至室温；再在850℃时效10小时，随炉冷却至室温。
如图1（a）-（b）所示，可以看出，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
实施例2
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Co18%,Cr10%,Al7%,Ta8%,Re2%,Hf0.24%,Y0.75%,C0.01%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为6mm，长度100mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率200W，频率150HZ，加工过程在真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1150℃固溶4小时，空冷却至室温；再在900℃时效4小时，随炉冷却至室温。
如图2（a）-（b）所示，可以看出，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
实施例3
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Co5%,Cr20%,Al5%,Ta2%,Re5%,Hf2%,Y0.9%,C0.1%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为2mm，长度30mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率1500W，频率100HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1230℃固溶2小时，空冷至室温；再在800℃时效20小时，随炉冷却至室温。
本实施例中，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
实施例4
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Cr23%,Al6%,Ta7%,Re6%,Hf1.5%,Y0.92%,C0.08%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为3mm，长度40mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率300W，频率260HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1180℃固溶3.5小时，空冷至室温；再在880℃时效6小时，随炉冷却至室温。
本实施例中，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
实施例5
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Co22%,Cr15%,Al6.5%,Ta6%,Hf0.05%,Y0.4%,C0.05%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为4mm，长度80mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率500W，频率200HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1220℃固溶3小时，空冷至室温；再在860℃时效12小时，随炉冷却至室温。
本实施例中，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
实施例6
本实施例中，微弧火花沉积修复材料由以下组分按重量百分比组成：Co13%,Cr12%,Al7%,Ta8%,C0.05%,其余为Ni。将上述修复材料制成直径为4mm，长度80mm的圆棒，采用微弧火花沉积工艺需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率1000W，频率400HZ，加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行，加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1160℃固溶3.5小时，空冷至室温；再在830℃时效16小时，随炉冷却至室温。
本实施例中，修复层无裂纹，修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
Claims (7)
1.一种高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）先采用真空冶炼方式获得所需成分的合金，然后再采用线切割的方式将修复材料制成直径为2mm-6mm，长度20mm以上的圆棒，采用微弧火花沉积工艺在需要修复的区域进行堆焊，堆焊工艺参数为功率100W-1500W，频率100-500Hz；
（2）堆焊加工完成后，将修复部件放入真空炉内进行热处理，热处理制度：先在1150℃-1230℃固溶1-6小时，空冷至室温；再在800-900℃时效4-20小时，随炉冷却至室温；
修复层无裂纹， 修复层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'；
所述的高温合金涡轮叶片修复材料，按重量百分比计，Ni 45%-60%, Co 0%-25%, Cr 10%-25%, Al 5%-7%, Ta 2%-8%, Re 0-6%, Hf 0-2%, Y 0-1%, C 0-0.1%, 总重量为100%；该修复材料形成的修复层与高温合金涡轮叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，主要强化相为γ'。
2.按照权利要求1所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于，优选地，按重量百分比计，Ni 50%-55%, Co 10%-20%, Cr 15%-25%, Al 5.5%-6.5%, Ta 4%-6%, Re 2-4%, Hf 0-1.5%, Y 0.4-0.6%, C 0.03-0.05%, 总重量为100%。
3.按照权利要求1所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于：修复材料为沉淀硬化镍基高温合金，其是直径为2mm-6mm，长度20mm以上的圆棒。
4.按照权利要求3所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于：优选地，修复材料的长度为50-100mm。
5.按照权利要求1所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于，堆焊加工过程在氩气保护或真空手套箱内进行。
6.按照权利要求1所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于，优选地，堆焊工艺参数为功率400W-1000W，频率250-350Hz。
7.按照权利要求1所述的高温合金涡轮叶片的修复工艺，其特征在于，优选地，热处理制度：先在1180℃-1200℃固溶2-4小时，空冷至室温；再在830-850℃时效8-12小时，随炉冷却至室温。
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