CN109848638A - 一种高温合金复合修复方法及修复材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温合金复合修复方法及修复材料，涉及焊接技术领域，包括除去待修复合金的表面积碳层，确定并标记损伤区域，对损伤区域进行打磨并加工成平滑过渡的规则形状，清洗损伤区域，根据打磨后的损伤区域形状制备形状相同的修复基体，修复基体上制备有通孔，根据通孔体积制备修复钎料；修复基体置于损伤区域内，修复钎料置于修复基体的上表面，待修复合金、修复基体与修复钎料构成的组合体放置在钎焊炉中，在真空条件下逐渐升温至第一温度，并保温，之后逐渐降温至第二温度，再自然冷却至第三温度，充入惰性气体后出炉。本发明所述的高温合金复合修复方法及修复材料，使得钎料的收缩率较小，不易产生收缩裂纹和凹坑等二次缺陷。

Description

一种高温合金复合修复方法及修复材料

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种高温合金复合修复方法及修复材料。

背景技术

随着航空航天等高尖端技术行业的迅速发展，高温合金得到了广泛的应用和迅速的发展。现有技术中，高温合金长期在高温和一定的应力条件下工作，往往会由于过热烧蚀、高温氧化或外来打击等产生大蚀坑、大裂纹或击打坑之类的三维大尺寸缺陷，高温合金结构件的制造成本极为昂贵，采用新的高温合金结构件替换原来的损伤件必然会大幅增加成本。目前，高温合金修复技术方案主要有熔焊和钎焊两种方式，采用熔焊的修复方式，如MIG堆焊和激光堆焊等，虽然能够实现高温合金的大尺寸缺陷修复，但该方法热输入量较大且加热不均匀，修复Al、Ti元素含量较高的高温合金时，易导致焊接裂纹的产生；而钎焊修复方案均为传统合金粉末钎料填充钎焊，此种方法虽然能够实现均匀受热，但钎料焊后收缩率大，易产生收缩裂纹和凹坑，同时该方法常用于小尺寸的高温合金缺陷修复，面对三维尺寸缺陷和宽度大于1mm的裂纹时，操作难度大，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高温合金复合修复材料，以解决现有技术中对于高温合金大尺寸缺陷受热不均匀，易产生钎接裂纹，以及操作难度高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高温合金复合修复方法，包括：

除去待修复合金的表面积碳层，确定并标记所述损伤区域，对所述损伤区域进行打磨并加工成平滑过渡的规则形状，清洗所述损伤区域，根据打磨后的损伤区域形状制备形状相同的修复基体，所述修复基体上制备有通孔，再根据所述通孔体积制备修复钎料；

将所述修复基体置于所述损伤区域内，再将修复钎料置于所述修复基体的上表面，将所述待修复合金、所述修复基体与所述修复钎料构成的组合体放置在钎焊炉中，在真空条件下逐渐升温至第一温度T1，并保温时长t1，之后逐渐降温至第二温度T2，再自然冷却至第三温度T3，充入惰性气体后出炉。

进一步的，还包括修复基体的制备方法：采用与所述待修复合金成分相同的合金粉末，经致密化技术制备块状基体，再通过机加工制备得到形状与所述待修复合金损伤区域加工后的规则形状相匹配的修复基体，所述修复基体(1)与所述修复合金(3)损伤区域加工后的规则形状区域的尺寸误差小于0.1mm，在所述修复基体上加工出通孔。

进一步的，还包括修复钎料的制备方法：采用低熔点钎料粉末，经致密化技术制备得到修复钎料或制备成焊膏，所述修复钎料的体积为所述通孔体积的120～130％。

进一步的，所述低熔点钎料粉末包括Ni-Cr-Si-B系钎料粉末，Si的质量分数在3％～5％范围内，B的质量分数在1.5％～4％范围内，所述低熔点钎料粉末的粒度为-300～+350目。

进一步的，所述致密化技术包括冷压、热压或等离子活化烧结。

进一步的，所述损伤区域为贯穿性裂纹时，在所述贯穿性裂纹底部设置阻流片，所述阻流片固定连接在所述待修复合金的底面上。

进一步的，所述损伤区域为贯穿性裂纹时，采用氟化物先清洗所述裂纹内部氧化物，再打磨成平滑过渡的片、条或柱形状。

进一步的，真空状态下所述钎焊炉内压力小于0.002Pa；所述钎焊炉的升温速率在15～20℃/min范围内，所述第一温度T1在1050～1150℃范围内，所述时长t1在40～60min范围内，所述钎焊炉的降温速率在5～8℃/min范围内，所述第二温度T2在600～650℃范围内，所述第三温度T3在50～70℃范围内。

相对于现有技术，本发明所述的高温合金复合修复方法具有以下优势：

本发明所述的高温合金复合修复方法，在修复高温合金时，通过预制成型的修复基体与修复钎料填充修复区时，使得钎料的收缩率较小，不易产生收缩裂纹和凹坑等二次缺陷，能够有效的对高温合金的缺陷部分进行修复，提高高温合金的重复使用率，防止高温合金材料的浪费，简单易行，方法简单，修复成本不高。

本发明的另一目的在于提出一种高温合金复合修复材料，包括修复基体与修复钎料，所述修复基体与待修复合金的组成成分相同，所述修复基体为特定规则形状，所述修复基体上设有通孔，所述修复钎料由低熔点钎料制成，所述修复钎料包括固态钎料或膏态钎料，所述修复钎料的体积为所述通孔体积的120～130％。

进一步的，所述特定规则形状包括条状、圆柱状或半球状，所述通孔有多个，多个所述通孔的总体积与所述修复基体的体积比在5～10％范围内。

所述高温合金复合修复材料与上述高温合金复合修复方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的高温合金复合修复方法流程图；

图2为本发明实施例所述的高温合金复合修复方法示意图一；

图3为本发明实施例所述的阻流片示意图；

图4为本发明实施例所述的高温合金复合修复方法示意图二；

图5为本发明实施例所述的高温合金复合修复方法示意图三。

附图标记说明：

1-修复基体，11-通孔，2-修复钎料，3-待修复合金，31-阻流片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”和“下”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

实施例一

本实施例提供了一种高温合金复合修复方法，结合图1-图5所示，包括如下步骤：

S1、去除表面积碳层，常用的高温合金在工作过程中会有积碳层附着在合金表面，积碳层的存在会降低修复后合金的强度，在待修复合金修复之前，需先去除掉表面积碳层，本实施例，较好的采用喷砂法去除表面积碳层，喷砂法是一种通过喷砂装置将一定粒度的砂子喷在积碳层表面，利用砂子的冲击力与摩擦力去除积碳层的方法，分为干喷湿法与湿喷砂法，喷砂法常用于除锈方法，本实施例采用喷砂法去除表面积碳层，速度快，经喷砂处理的表面干净无金属杂质，可以一次性的同时去除表面积碳层，以及附着在合金表面的油污或金属锈蚀等多种污垢。

S2、确定并标记损伤区域，待修复合金表面上具有裂纹或蚀坑的，确定损伤区域的大小与形状，并对损伤区域进行标记，本实施例中，通过X射线探伤确定高温合金损伤区域，并进行标记，X射线探伤技术是指利用X射线穿透金属材料，但是材料对射线的吸收与散射的作用不同，而在底片上形成亮度不同的影响，依次来判断金属材料损伤区域(能够确定金属内部损伤)的检验方法，较好的，采用X射线探伤机进行确定。

S3、对损伤区域进行打磨，当确定并标记好损伤区域后，对标记区域进行打磨，在去除掉损伤区域区域内氧化物的同时，将损伤区域加工成为平滑过渡的片状、条状、柱状或半球状等特定规则形状，本实施里中，打磨损伤区域时，根据损伤区域的形状，计算并形成最小体积并覆盖所有损伤区域的特定规则形状，如对不规则烧蚀坑修复时，制备成柱状的规则形状，确定损伤区域内表面上在与待修复合金3表面相平行的平面内距离最远的两个点，两个点的间距为S1，以两个点之间的距离为直径，两个点连线的中点为圆心，圆心垂直于待修复合金3表面的垂线为轴，根据所述轴与确定的直径对待修复合金3的损伤区域进行打磨，打磨成为竖直的柱状，本实施例中的规则性状为圆滑过渡，且能够使得与其形状相同的修复合金从上至下顺利放入到损伤区域中，并保证无缝隙接触，本实施例先去除氧化物，能够增加钎料和待修复合金的润湿性，提高两者之间的连接性，本实施例中，较好的，采用硬质合金刀具对损伤区域进行打磨。

本实施例中，当损伤区域为贯穿性裂纹时，先采用氟化物等还原剂清洗并去除掉裂纹内部的氧化物，再通过硬质合金刀具等工具加工成平滑过渡的片状、条状或柱状等规则形状，氟化物在去除贯穿性裂纹内氧化物去除上有较好的去除效果，能够防止硬质合金刀具等工具去除时有残留的氧化物存在。

S4、对打磨加工后形成的规则形状损伤区域进行清洗，去除掉规则形状损伤区域上附着的油污或其他赃物，较好的，采用丙酮或酒精等除油剂对打磨区域进行清洗，能够快速有效的去除掉油污，价格便宜，易挥发；当损伤区域为贯穿性裂纹时，采用水基清洗剂清洗损伤区域内的油污，直至完全去除为止，水基清洗剂为是一种借助于含有的表面活性剂、乳化剂、渗透剂等的润湿、乳化、渗透、分散、增溶等作用来实现对物油污、油脂的清洗。

S5、将预制成型的修复基体1与修复钎料2放置在待修复合金的损伤区域上，结合图2所示，先将修复基体1放置并固定在损伤区域内，修复基体1的上表面高于损伤区域的上表面一定距离，便于后期对型面进行进一步加工，较好的，将修复基体1通过点焊的方式固定在损伤区域内，并确保修复基体1的侧面与底面与损伤区域的内表面紧密贴合，并在修复钎料2周围的修复基体1的型面上刷涂阻流剂，阻流剂是一种钎焊过程中用来保护被焊金属表面的一种药剂，能够在钎焊温度下有效的阻止熔融的钎料向不需要钎焊的表面随意流淌，并且能够在后期用热水等简单方法清洗掉，能够避免不必要的粘结，降低焊后清理表面的劳动强度，保护钎焊金属表面不受破坏，使得钎件更加的精密；当损伤区域为贯穿性裂纹时，结合图3所示，在损伤区域一侧安装阻流片31，防止钎焊过程中，钎料发生走漏现象，所述阻流片31为尺寸大于贯穿性损伤区域的圆片，在钎焊之前，将阻流片31固定在贯穿性损伤区域的底部，防止钎料发生走漏现象。

本步骤中，结合图5所示，修复基体1与修复钎料2的制备方法包括：

S51、将合金粉末混匀后通过致密化技术制备成块状基体，所述致密化技术包括冷压、热压或等离子活化烧结(SPS)，混匀方式为球磨混合30min-60min，合金粉末的组成成分与待修复合金的成分相同，确保修复后高温合金在损伤区域处保持较高的强度，也能够使得损伤区域部分在修复后与其他部分没有组分的差距，合金粉末的粒度为-300～+350目，制备成块状基体后，通过机加工将块状基体制备成与损伤区域形状相同的修复基体1，所述修复基体1与所述修复合金3损伤区域加工后的规则形状区域的尺寸误差小于0.1mm，也就是修复基体1放置到损伤区域内时，修复基体1与所述损伤区域相对应的外侧面距离损伤区域内侧面的垂直距离最大不超过0.1mm，损伤区域形状为步骤S3中打磨成型的片状、条状或圆柱状等规则形状，再将规则形状的修复基体1上加工出一通孔11，通孔11贯穿修复基体1，较好的为圆形通孔，通孔11共有多个，多个圆形通孔11的体积占修复基体1整体体积的5～10％，能够使得钎料在修复合金中的分布更加的均匀，修复基体1能够与待修复合金3之间更匹配。

本实施例中，冷压法制备包括在室温条件下，用压力器械以一定压力将高温合金粉末压制成具有一定形状的块状基体；热压法包括在300-600℃，在压力器械中以一定压力热压15min-60min，将高温合金粉末压制成具有一定形状的块状基体；等离子活化烧结法包括将高温合金粉末置于SPS快速烧结炉中，烧制成具有一定形状的块状基体。

S52、将低熔点钎料粉末混匀后通过致密化技术制备成形状与所述修复基体1的顶面面积相匹配的固态钎料，或制备成膏态钎料(焊膏)，本实施例以修复钎料2为例，修复钎料2为圆片状，使得修复钎料2能够均匀的流入到各个通孔11中，低熔点钎料粉末由低熔点Ni-Cr-Si-B系钎料粉末混合构成，粉末粒度为-300～+350目；在低熔点Ni-Cr-Si-B系钎料中，Si所占质量比例为3％～5％，B所占质量比例为1.5％～4％；混匀方式采用球磨混合30min-60min，直至混合均匀，修复钎料2的体积为所述通孔11总体积的120％～130％，使得修复钎料2能够填充慢通孔11，防止修复后有空洞或坑出现。

S6、将所述待修复高温合金、所述修复基体1与所述修复钎料2构成的组合体放置在钎焊炉中，在真空条件下逐渐升温至第一温度T1，并保温时长t1，之后逐渐降温至第二温度T2，再自然冷却至第三温度T3，充入惰性气体后出炉；本实施例中，所述钎焊炉的升温速率在15～20℃/min范围内，所述第一温度T1在1050～1150℃范围内，所述时长t1在40～60min范围内，所述钎焊炉的降温速率在5～8℃/min范围内，所述第二温度T2在600～650℃范围内，所述第三温度T3在50～70℃范围内；本实施例先将钎焊炉抽真空至内部压力小于0.002Pa，并以15～20℃/min的加热速率升温至1050～1150℃，保温40～60min；而后以5～8℃/min的降温速率冷却至600～650℃，最终随炉冷却至60℃，充入氩气等惰性气体后出炉；

S7、对修补后的高温合金结构件进行加工整型，使其恢复到原来的形状尺寸，本实施例中，结合图5所示，修复后待修复合金3的上顶面会突出一部分修复基体1与修复钎料2，通过打磨将高温合金损伤区域外突出的修复基体1与修复钎料2进行打磨，使合金成为平整或光滑的平面，通过预制成型的修复基体与修复钎料填充修复区时，使得钎料的收缩率较小，不易产生收缩裂纹和凹坑等二次缺陷。

本实施例中，还可对修补后的高温合金结构件进行修复质量和性能检验，达到要求后完成修复过程。

本实施例中，能够有效的对高温合金的缺陷部分进行修复，提高高温合金的重复使用率，防止高温合金材料的浪费。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，以某型燃气轮机叶片烧蚀坑修补为例，结合图2-图5所示，详细阐述本发明技术方案和优势。

S1、采用60目石英砂对叶片表面进行喷砂处理，去除损伤区域表面的积碳层；

S2、通过X射线探伤法确定叶片烧蚀坑所在的区域，并标记，经过检测，叶片烧蚀坑近似半球形，直径约3.1mm，并未贯穿叶片。

S3、利用硬质合金刀具去除烧蚀坑内部的氧化物，同时根据烧蚀坑形状，将其加工半球形，直径增加至3.2mm；

S4、采用丙酮试剂对加工后烧蚀坑区域进行清洗，直至表面没有油污和脏污；

S5、将预制成型的修复基体1与修复钎料2放置在待修复合金的烧蚀处，确保紧密贴合后，点焊固定位置；而后将圆片状修复钎料2置于修复基体1之上，确保紧密贴合后，点焊固定其位置，并在修复钎料2所在平面的待修复合金3的周围刷涂阻流剂，阻流剂距钎料0.3mm；

S51、制备修复基体1，将与叶片基体相同的合金粉末在球磨机中混匀60min，再置于600℃的真空炉中热压预成型，加压保温20min，随炉冷却后，充入氩气出炉，而后机加工得到与半球状待修复区域尺寸相同的修复基体1，并加工上7个通孔11,7个通孔11均匀分布，通孔11的总体积为修复基体1体积的8％；

S52、根据修通孔11的总体积，采用钎料粉末同样通过热压成型和机加工得到圆片状修复钎料2，修复钎料2的体积为通孔11体积的125％；

S6、将经过处理的待修复叶片置于钎焊炉中，对钎焊炉抽真空至0.001Pa；以18℃/min的大加热速率升温至1150℃，保温60min；以5℃/min的冷却速率冷却至650℃，而后随炉冷却至60℃，充入氩气后出炉；

S7、对修补后的高温合金结构件进行加工整型，使其恢复到原来的形状尺寸；

S8、修复后叶片通过X射线探伤检查，修复接头区域未发现气孔和裂纹等修复缺陷，钎料基本没有收缩；修复接头重熔温度大于1100摄氏度，室温与温拉伸性能为基体的86％，并通过了热冲击性能考核。

实施例三

本发明在上述实施例的基础上，提供一种高温合金复合修复材料，包括修复基体1与修复钎料2，修复基体1由与待修复合金3组成成分相同的金属制成，修复基体1为平滑过渡的片状、条状、圆柱状或半球状等特定规则形状，特定规则形状的尺寸不做限定，可根据待修复合金3的损伤区域打磨后的规则形状的常见尺寸相匹配，修复基体1上设有通孔11，较好的，通孔11有多个，多个通孔11的总体积与修复基体1的体积比在5～10％范围内；修复钎料2由低熔点钎料制成，修复钎料2可以为预制成型的片状或制备成的焊膏状，修复钎料2的体积为通孔11总体积的120～130％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温合金复合修复方法，其特征在于，包括：

除去待修复合金(3)的表面积碳层，确定并标记所述损伤区域，对所述损伤区域进行打磨并加工成平滑过渡的规则形状，清洗所述损伤区域，根据打磨后的损伤区域形状制备形状相同的修复基体(1)，所述修复基体(1)上制备有通孔(11)，再根据所述通孔(11)体积制备修复钎料(2)；

将所述修复基体(1)置于所述损伤区域内，再将修复钎料(2)置于所述修复基体(1)的上表面，将所述待修复合金(3)、所述修复基体(1)与所述修复钎料(2)构成的组合体放置在钎焊炉中，在真空条件下逐渐升温至第一温度T1，并保温时长t1，之后逐渐降温至第二温度T2，再自然冷却至第三温度T3，充入惰性气体后出炉。

2.根据权利要求1所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，其中，所述制备修复基体(1)包括：

采用与所述待修复合金(3)成分相同的合金粉末，经致密化技术制备块状基体，再通过机加工制备得到形状与所述待修复合金(3)损伤区域加工后的规则形状相匹配的修复基体(1)，所述修复基体(1)与所述修复合金(3)损伤区域加工后的规则形状区域的尺寸误差小于0.1mm，在所述修复基体(1)上加工出通孔(11)。

3.根据权利要求1所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，所述制备修复钎料(2)包括：

采用低熔点钎料粉末，经致密化技术制备得到修复钎料(2)。

4.根据权利要求3所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，所述低熔点钎料粉末包括Ni-Cr-Si-B系钎料粉末，Si的质量分数在3％～5％范围内，B的质量分数在1.5％～4％范围内，所述低熔点钎料粉末的粒度为-300～+350目。

5.根据权利要求2或3任一所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，所述致密化技术包括冷压、热压或等离子活化烧结。

6.根据权利要求1所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，所述损伤区域为贯穿性裂纹时，在所述贯穿性裂纹底部设置阻流片(31)，所述阻流片(31)固定连接在所述待修复合金(3)的底面上。

7.根据权利要求1所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，所述损伤区域为贯穿性裂纹时，采用氟化物先清洗所述裂纹内部氧化物，再打磨成平滑过渡的片、条或柱形状。

8.根据权利要求1所述的高温合金复合修复方法，其特征在于，真空状态下所述钎焊炉内压力小于0.002Pa；所述钎焊炉的升温速率在15～20℃/min范围内，所述第一温度T1在1050～1150℃范围内，所述时长t1在40～60min范围内，所述钎焊炉的降温速率在5～8℃/min范围内，所述第二温度T2在600～650℃范围内，所述第三温度T3在50～70℃范围内。

9.一种高温合金复合修复材料，其特征在于，包括修复基体(1)与修复钎料(2)，所述修复基体(1)与待修复合金(3)的组成成分相同，所述修复基体(1)为特定规则形状，所述修复基体(1)上设有通孔(11)，所述修复钎料(2)由低熔点钎料制成，所述修复钎料(2)包括固态钎料或膏态钎料，所述修复钎料(2)的体积为所述通孔(11)体积的120～130％。

10.根据权利要求9所述的高温合金复合修复材料，其特征在于，所述特定规则形状包括条状、圆柱状或半球状，所述通孔(11)有多个，多个所述通孔(11)的总体积与所述修复基体(1)的体积比在5～10％范围内。