CN104878329A - 一种修复dz125合金蠕变损伤的恢复热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种修复涡轮叶片用定向凝固高温合金DZ125蠕变损伤的恢复热处理方法。该方法进行恢复热处理的时机为DZ125合金的蠕变第二阶段后期。具体包括固溶处理、冷却和时效处理三个步骤。经过以上步骤，蠕变损伤的DZ125合金的显微组织可恢复至接近原始状态，其总的蠕变断裂寿命提高约50%。该方法简单可靠，适用性强，适合工程应用，在DZ125涡轮叶片的翻修中具有广阔的前景。

Description

一种修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法

技术领域

本发明属于镍基定向凝固高温合金技术领域，具体涉及一种用于修复涡轮叶片用定向凝固高温合金DZ125蠕变损伤的恢复热处理工艺方法。

背景技术

航空发动机是飞机的“心脏”，但是，我国的航空发动机目前无论是从发动机寿命、翻修期还是叶片寿命都远落后于美英等国。涡轮叶片是航空发动机的关键部件之一，通常服役在高温高压的复杂环境下，且承受着高温燃气的腐蚀，服役环境复杂苛刻。据统计，涡轮叶片的失效占航空发动机失效的40%左右。因此，定期对服役叶片进行更换或翻修具有重大的现实意义。

恢复热处理是叶片翻修过程中的关键步骤，是指能够恢复或部分恢复已服役叶片组织和性能的热处理工艺。关于蠕变损伤修复的最早研究出现在1960s，Davies等人采用蠕变温度（1023K）和时效温度（1093K）下的简单热处理使处于蠕变第三阶段早期的Nimonic 80A合金的蠕变性能得以完全恢复，并通过反复进行蠕变和简单热处理的循环使合金蠕变寿命延长4倍左右。1970s，工作者们针对高强合金展开了进一步研究。1977年，伴随着热等静压技术第一次被用于恢复服役涡轮叶片的性能，“恢复（rejuvenation）”一词开始被广泛接受。1979年，国外的发动机修理公司，如Liburdi Turbine Services，开始报道X750和U500涡轮部件的恢复热处理。紧接着，在很短的时间内，又开发了IN700，IN738，U520合金的完全固溶恢复热处理。2009年，Joseph Liburdi等人在ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea, and Air会议上发表了Practical Experience with the Development of Superalloy Rejuvenation。文章给出了近40种恢复热处理技术研发成功的高温合金的牌号和应用范围。这近40种高温合金大多数是变形高温合金和普通铸造高温合金，定向凝固高温合金和单晶高温合金的比例相对较小。随着定向凝固高温合金和单晶高温合金被广泛应用于航空航天领域，展开对定向凝固和单晶高温合金的恢复热处理的研究也变得尤为迫切。

DZ125合金是目前我国综合性能最好的定向凝固高温合金之一，因其优良的中高温抗热氧化，抗腐蚀性能和抗薄壁性能而深得设计人员的青睐，用于制造发动机涡轮叶片。但是，DZ125涡轮叶片翻修过程中的恢复热处理制度尚未完善，亟待解决。

因此，设计一种实际可用的能够修复涡轮叶片用定向凝固镍基高温合金DZ125蠕变损伤的恢复热处理方法具有重大的实际应用价值。特别是，结合该发明与叶片涂层问题，可开发出一种能够应用于DZ125涡轮叶片的翻修处理的恢复热处理制度，从而极大地延长DZ125涡轮叶片的使用寿命，使我国发动机的性能得到更高的提升。鉴于涡轮叶片温度和应力分布不均的事实，本发明目前仅适用于叶身等高温低应力部位的恢复热处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种实际可用的能够修复涡轮叶片用定向凝固高温合金DZ125蠕变损伤的恢复热处理方法。该方法通过简单的固溶处理和两次时效处理，使蠕变损伤的DZ125合金的显微组织恢复至接近原始组织水平，且蠕变性能恢复至接近甚至超过原始水平。

一种修复涡轮叶片用定向凝固高温合金DZ125蠕变损伤的恢复热处理方法，其核心技术要点为：进行恢复热处理的时间与具体的恢复热处理。该方法选择在DZ125合金的蠕变第二阶段后期进行恢复热处理。具体的恢复热处理包括以下三个步骤：

（1）    对蠕变损伤的DZ125试样进行固溶处理，具体的参数为：1235℃~1255℃，真空，保温2~4小时，冷却速度控制为空冷冷速。通过固溶处理，使蠕变损伤的γ’相及残留共晶全部回溶入γ基体，形成γ单相组织。

（2）    对固溶处理后的试样进行一次时效处理，具体的参数为：1090℃~1110℃，真空，保温4小时，冷却速度控制为空冷冷速。通过一次时效处理，使γ’相尺寸增大，并将γ’相调整为约0.4μm的规则立方体。

（3）    对一次时效处理后的试样进行二次时效处理，具体的参数为860℃~880℃，真空，保温20小时，冷却速度控制为空冷冷速。通过二次时效处理，使细小的γ’相析出更加充分。

本发明的优点在于：能够实现修复涡轮叶片用定向凝固高温合金DZ125蠕变损伤组织和性能的目标。更重要的是，该方法不但能够使恢复热处理后的试样的γ’相恢复至原始状态，还能够消除残余共晶并使组织均匀化，从而使恢复热处理后性能接近甚至超过原始水平。该方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在DZ125涡轮叶片的翻修中具有广阔的前景。

附图说明

图1为DZ125合金的原始显微组织；

图2为DZ125合金1040℃/137MPa蠕变第二阶段后期中断后的显微组织；

图3为DZ125合金1040℃/137MPa蠕变第二阶段后期中断并经恢复热处理（固溶温度1240℃，3h，空冷 + 两次时效）后的显微组织。

图4为DZ125合金1040℃/137MPa蠕变第二阶段后期中断并经恢复热处理（固溶温度1240℃，3h，空冷 + 两次时效）后的蠕变曲线。（注：虚线为原始试样的蠕变曲线，实线为恢复热处理试样的蠕变曲线）

具体实施方式

以下实例将对本发明予以进一步的说明，以便本领域人员更好地理解本发明的优点和特征。

首先，对原始组织进行观察。之后，将定向凝固DZ125试棒加工成直径5mm，标距25mm的蠕变试样，并进行1040℃/137MPa蠕变断裂实验。参考蠕变曲线，进行蠕变第二阶段后期（应变1.4%）的中断实验。对蠕变中断试样进行封管处理（石英管，充氩气）后，开始进行恢复热处理。

首先，对中断试样进行1240℃固溶处理，具体参数为：1240℃（±3℃），保温3小时，空冷；之后，对试样进行1100℃一次时效处理，具体参数为：1100℃（±3℃），保温4小时，空冷；最后，对试样进行870℃二次时效处理，具体参数为：870℃（±3℃），保温20小时，空冷。

对经过以上恢复热处理的试样进行组织观察和蠕变实验，并与恢复热处理前原始组织和蠕变寿命进行对比，结果如图1、图3和图4所示。

Claims (4)

1.一种修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于，所述恢复热处理的应用于DZ125合金的蠕变第二阶段后期。

2.根据权利要求1所述的修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)对蠕变损伤的DZ125进行固溶处理：1235℃~1255℃，真空，保温2~4小时，冷却速度控制为空冷冷速；

(2)对蠕变损伤的DZ125进行一次时效处理：1090℃~1110℃，真空，保温4小时，冷却速度控制为空冷冷速；

(3)对蠕变损伤的DZ125进行二次时效处理：860℃~880℃，真空，保温20小时，冷却速度控制为空冷冷速。

3.根据权利要求2所述的修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：所述蠕变损伤的DZ125合金经恢复热处理，其显微组织恢复至接近原始组织水平，大的立方状的γ’相和小的颗粒状的γ’相共存，γ’相体积分数亦恢复原始水平。

4.根据权利要求2所述的修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：所述蠕变损伤的DZ125合金经恢复热处理，其总蠕变断裂寿命提高50%。