CN107685220A - 一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温合金热端部件修复领域，具体为一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法。(1)去除复杂薄壁高温合金热端部件裂纹表面的氧化层等，使缺陷处呈现金属光泽；(2)采用与基材强度相近的镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温预烧结形成多孔结构；(3)借助CAD等建模软件对待修复区进行三维建模，并进行切片处理；(4)将激光按照预先设定好的路径对修复区进行熔化成形；(5)打磨清理；(6)将高温合金热端部件在高温下进行去应力处理。本发明解决高Al+Ti含量复杂薄壁高温合金热端部件服役过程形成裂纹而报废问题，适用于地面燃气轮机和航空发动机的热端部件服役使用过程所引起的裂纹等缺陷。

Description

一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法

技术领域：

本发明涉及高温合金热端部件修复领域，具体为一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法。

背景技术：

燃气轮机的导向叶片等热端部件长期在高温、高压、燃气等介质中服役，易产生裂纹、腐蚀坑等缺陷。随着燃气轮机涡轮前温度的提升，热端部件的这种裂纹和烧蚀损伤等失效将愈加严重。

由于复杂薄壁高温合金部件的制造工艺复杂，生产成本较高，若采用更换新件处理，则会大幅提高工业燃气轮机维护和运行成本。另外，由于高温合金热端部件大多由Al+Ti大于6.0％的镍基高温合金制备，具有很高的裂纹敏感性，当采用熔焊修复时，易在焊接及焊后热处理过程中形成裂纹，这就极大的限制了高温合金热端部件的修复与再制造。由于缺乏适合的修复方法，目前许多高温合金热端部件的裂纹、烧蚀、磨损等缺陷一旦形成就只能报废处理。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，解决高Al、Ti含量的镍基高温合金热端部件熔焊修复所遇到的问题裂纹问题。

本发明的技术方案是：

一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，具体步骤如下：

(1)洁净化处理

采用机械法去除缺陷附近的衰变组织，使处理区呈现金属光泽；

(2)金属粉末填充

采用镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温预烧结形成多孔结构；

(3)缺陷区的三维重构

借助CAD建模软件对待修复区进行三维建模，并进行切片处理，将激光按照预先设定好的路径对修复区进行熔化成形；

(4)打磨清理；

(5)去应力热处理

将经激光增材制造修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，步骤(1)中，洁净化处理时，采用机械法或化学法彻底去除缺陷附近的裂纹组织，使缺陷附近呈现金属光泽。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，步骤(2)中，制备多孔结构时，先将叶片基体合金粉末或其它镍基、钴基或铁基高温合金粉末，通过添加塑化成型剂方式使合金粉末具有可塑化的作用，塑化成型剂的加入量占所述粉末重量的2～10％；随后将此材料填充到缺陷中，并在高温下进行预烧结处理，采用真空炉或惰性气体保护下的热处理炉升温加热过程，由脱塑化成型剂→预烧结→炉冷阶段所构成，控温采用铂-铑热电偶，控温精度为±10℃。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，脱塑化成型剂温度为200～450℃，时间为0.5～2小时；预烧结温度为900～1000℃，时间为0.5～2小时；预烧结后致密度大于85％。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，步骤(3)中，借助CAD建模软件对待修复区进行三维建模，再利用专用数据切片软件对重构区进行切片处理，并对激光扫描路径进行优化。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，步骤(3)中，将经高温预烧结的部件进行激光熔化致密化处理，所采用的激光功率为400～900W，激光扫描速度为200～1000mm/min，光斑直径为0.2～0.8mm，送粉速率为0.5～50g/min，搭接率为30～50％。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，步骤(5)中，将经激光修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理；去应力处理温度为900～1000℃，时间为2～6小时；控温采用铂-铑热电偶，控温精度为±10℃。

所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，高温合金热端部件的Al+Ti大于6.0wt％，裂纹长度≥1.0mm，裂纹宽度0.2mm～5mm，热端部件烧蚀洞或腐蚀坑的尺寸大小为Φ0.5mm～Φ5mm。

本发明的优点及有益效果是：

1、采用本发明复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，可以实现服役损伤失效的航空发动机和工业燃气轮机的热端部件三维形状的重构。

2、本发明可实现高Al、Ti含量镍基高温合金热端部件缺陷区域的近等强度重构，延长高温合金热端部件的使用寿命。

3、本发明在复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复过程中，通过预烧结成形降低高温合金基体热影响区，抑制热影响区裂纹的形成。

4、本发明操作简单，修复效率高，利于批量生产。

5、本发明适用于诸如航空发动机、电力燃机和舰艇燃机的热端部件，经服役使用过程所引起的裂纹、烧蚀洞与腐蚀坑等缺陷。

6、本发明借助激光增材制造系统和预填粉末烧结可以有效降低高Al+Ti镍基高温合金熔化成形过程中的裂纹，具有非常高的经济价值。

附图说明：

图1为实施例1在K417G基体上采用DZ40M进行修复后的宏观组织。

图2为实施例2在K438G基体上采用IN 738进行修复后的微观组织。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明高温合金热端部件大间隙缺陷瞬态液相熔渗修复方法，具体步骤如下：

(1)采用机械法去除缺陷附近的衰变组织；(2)镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温预烧结形成多孔结构；(3)将CAD等绘图软件对零件缺陷部分进行三维建模，并采用专用数据处理软件对数据进行切片处理；(4)打磨清理；(5)将经激光增材制造修复后的高温合金热端部件在高温下进行去应力退火处理。

步骤(1)中，洁净化处理时，可采用机械法彻底去除缺陷附近的氧化层、硫化物等衰变组织。

步骤(2)中，采用商业塑化成型剂将镍基或钴基材料进行塑化，塑化成型剂为商用水基粘结剂，并将塑化后的粉末填充至缺陷空间中，并在高温下进行预烧结处理。脱塑化成型剂温度为200～450℃，时间为0.5～2小时；预烧结处理，温度为900～1000℃，时间为0.5～2小时，预烧结后致密度大于85％。

步骤(3)中，将缺陷部分进行三维建模，并采用专用数据处理软件对数据进行切片处理，处理后将数据导入激光器中，然后激光器将按照数据对高温预烧结的区进行激光熔化致密化处理和修复处理。所采用的激光功率为400～900W，激光扫描速度为200～1000mm/min，光斑直径为0.2～0.8mm，送粉速率为0.5～50g/min，搭接率为30～50％。

步骤(5)中，将经激光修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理；去应力处理温度为900～1000℃，时间为2～6小时；控温采用铂-铑热电偶，控温精度为±10℃。

从而，可以解决高Al+Ti含量复杂薄壁高温合金热端部件服役过程形成裂纹而报废问题，实现高强度连接，修复合格率高，适用于地面燃气轮机和航空发动机的热端部件服役使用过程所引起的裂纹等缺陷。

下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

某航空发动机高温部件转角处有疲劳裂纹，裂纹长度约为1mm，此处壁厚约3mm，叶片为空心结构，叶片材料为K417G合金。合金中Al+Ti的总含量＞9wt％，采用氩弧焊、电子束焊等熔焊方法进行修复时，易导致基体热影响区产生裂纹。采用本发明不仅可以快速方便地将裂纹愈合，而且可以满足叶片使用性能要求。

K417G合金裂纹的修复工艺：

采用机械打磨法去除热裂纹清除→丙酮清洗→将填充材料塑化处理并填充间隙中→高温预烧结→采用激光增材制造方法进行填充区的致密化和修复→整形加工→叶片去应力热处理。

本实施例中，填充材料为钴基合金DZ40M合金粉末，DZ40M合金粉末粒度为300目，向DZ40M粉末中添加塑化成型剂，塑化成型剂的加入量占所述DZ40M合金粉末重量的2％，塑化成型剂为商用水基粘结剂。

本实施例中，预烧结工艺参数为：

高温预烧结处理在真空炉中进行，预烧结真空度5×10⁰～5×10^-2Pa，具体工艺为，脱塑化成型剂温度为200℃，保温时间为1.5小时，随后进行预烧结，温度为1000℃，时间为2小时；预烧结后致密度为91％，并随炉冷却。

本实施例中，激光熔化致密化处理工艺参数为：

激光熔化致密化处理所采用的设备为CP4000激光器，所采用的激光功率为400W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为0.2mm，送粉速率为0.5g/min，搭接率为30％。

本实施例中，去应力热处理工艺参数为：

打磨清理后进行去应力热处理，去应力处理温度为900℃，时间为2小时，最后采用随炉冷却。

如图1所示，在K417G基体上采用DZ40M进行修复后的宏观组织，修复的缺陷处经荧光检查符合指标要求。

实施例2

某燃气轮机叶片叶尖处产生烧蚀坑，叶片材料为K438G合金。合金中Al+Ti的总含量＞7wt％，采用常规熔焊方法热影响区易形成裂纹，无法满足使用要求，虽然采用高能微弧火花沉积可以进行修复，但工作量大且效率低。采用本发明不仅可以快速方便地将对叶尖烧蚀坑进行修复，还可以进行批量处理，可大大提高效率、降低修复成本。同时在预烧结时结合该合金恢复热处理制度，对叶片本身组织及性能进行修复。

叶片叶尖烧蚀坑的激光熔化修复工艺：

采用机械打磨法去除烧蚀坑附近的衰变组织→丙酮清洗→将填充材料塑化处理并放置烧蚀坑处→高温预烧结→激光增材制造方法进行填充区的致密化和修复→整形加工→叶片去应力热处理。

本实施例中，填充材料为IN738合金粉末，粒度为200目，塑化成型剂的加入量占所述IN738合金粉末重量的8％，塑化成型剂为商用水基粘结剂。将与塑化成型剂混合好的镍基合金粉末填充至待修复区，采用真空机械搅拌加工形成可塑粉末。

本实施例中，预烧结工艺参数为：

高温预烧结处理在真空炉中进行，预烧结真空度5×10⁰～5×10^-2Pa，具体工艺为，脱塑化成型剂温度为300℃，保温时间为0.5小时，随后进行预烧结，温度为1000℃，时间为1.5小时；预烧结后致密度为88％，并随炉冷却。

本实施例中，激光熔化致密化处理工艺参数为：

激光熔化致密化处理所采用的设备为CP4000激光器，所采用的激光功率为500W，激光扫描速度为800mm/min，光斑直径为0.5mm，送粉速率为10g/min，搭接率为40％。

本实施例中，去应力热处理工艺参数为：

打磨清理后进行去应力热处理，去应力处理温度为950℃，时间为2小时，最后采用随炉冷却。

如图2所示，在K438G基体上采用IN 738进行修复后的微观组织表明，修复处经荧光检查及X射线检测符合指标要求，使用性能良好。

实施例3

某调节片在铸造时由于转角R过小，在凝固后期易成形热裂纹，调节片材料为M951合金，若采用常规激光增材制造方式，则存在激光焦距与送粉焦距不重合，并需要复杂胎具及三轴联动机床等，效率低。采用本发明可以有效将转角R处的裂纹进行修复，并可以有效避免基体热影响区裂纹的形成。

M951合金调节片的修复工艺为：

采用机械打磨法去除烧蚀坑附近的衰变组织→丙酮清洗→将填充材料塑化处理并放置烧蚀坑处→高温预烧结→激光增材制造方法进行填充区的致密化和修复→整形加工→叶片去应力热处理。

本实施例中，填充材料为GH4810合金粉末，粒度为300目，塑化成型剂的加入量占所述GH4810合金粉末重量的10％，塑化成型剂为商用水基粘结剂。采用真空机械搅拌加工形成可塑粉末，将与塑化成型剂混合好的镍基合金粉末填充至待修复区。

本实施例中，预烧结工艺参数为：

脱塑化成型剂温度为450℃，时间为2小时；预烧结温度为1000℃，时间为2小时；预烧结后致密度为90％，并随炉冷却。

本实施例中，激光致密化参数为：

采用的激光功率为900W，激光扫描速度为1000mm/min，光斑直径为0.8mm，送粉速率为50g/min，搭接率为50％。

本实施例中，去应力热处理参数为：

将经激光修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理；去应力处理温度为1000℃，时间为6小时，随炉空冷。

结果表明，修复处经荧光检查及X射线检测符合指标要求，使用性能良好。

Claims (8)

1.一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)洁净化处理

采用机械法去除缺陷附近的衰变组织，使处理区呈现金属光泽；

(2)金属粉末填充

采用镍基或钴基合金粉末填充缺陷空间，并塑化成型，随后经高温预烧结形成多孔结构；

(3)缺陷区的三维重构

借助CAD建模软件对待修复区进行三维建模，并进行切片处理，将激光按照预先设定好的路径对修复区进行熔化成形；

(4)打磨清理；

(5)去应力热处理

将经激光增材制造修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理。

2.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，步骤(1)中，洁净化处理时，采用机械法或化学法彻底去除缺陷附近的裂纹组织，使缺陷附近呈现金属光泽。

3.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，步骤(2)中，制备多孔结构时，先将叶片基体合金粉末或其它镍基、钴基或铁基高温合金粉末，通过添加塑化成型剂方式使合金粉末具有可塑化的作用，塑化成型剂的加入量占所述粉末重量的2～10％；随后将此材料填充到缺陷中，并在高温下进行预烧结处理，采用真空炉或惰性气体保护下的热处理炉升温加热过程，由脱塑化成型剂→预烧结→炉冷阶段所构成，控温采用铂-铑热电偶，控温精度为±10℃。

4.按照权利要求3所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，脱塑化成型剂温度为200～450℃，时间为0.5～2小时；预烧结温度为900～1000℃，时间为0.5～2小时；预烧结后致密度大于85％。

5.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，步骤(3)中，借助CAD建模软件对待修复区进行三维建模，再利用专用数据切片软件对重构区进行切片处理，并对激光扫描路径进行优化。

6.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，步骤(3)中，将经高温预烧结的部件进行激光熔化致密化处理，所采用的激光功率为400～900W，激光扫描速度为200～1000mm/min，光斑直径为0.2～0.8mm，送粉速率为0.5～50g/min，搭接率为30～50％。

7.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，步骤(5)中，将经激光修复后的复杂薄壁高温合金热端部件在高温下进行去应力处理；去应力处理温度为900～1000℃，时间为2～6小时；控温采用铂-铑热电偶，控温精度为±10℃。

8.按照权利要求1所述的复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，其特征在于，高温合金热端部件的Al+Ti大于6.0wt％，裂纹长度≥1.0mm，裂纹宽度0.2mm～5mm，热端部件烧蚀洞或腐蚀坑的尺寸大小为Φ0.5mm～Φ5mm。