CN110042334A - 基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及涡轮叶片技术领域,尤其涉及一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法。该延寿方法包括:对镍基单晶合金叶片进行固溶处理,以使镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;对经过固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,以使强化相从基体相中部分析出;对经过降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,以使强化相从基体相中完全析出。该延寿方法能够对镍基单晶合金叶片的微观组织损伤进行修复,进而延长该镍基单晶合金叶片的使用寿命。

Description

基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法
技术领域
本公开涉及涡轮叶片技术领域,尤其涉及一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法。
背景技术
在航空工业中,镍基单晶合金因其在高温下优异的力学性能,尤其是抗氧化、耐腐蚀、高韧性以及良好的加工塑性等,已然成为航空发动机中涡轮叶片的首选材料。涡轮叶片的工作温度较高,已经接近甚至超过了1000℃。涡轮叶片在高温下承受高压和振动,所以镍基单晶合金不可避免地会发生一定程度的组织损伤和性能退化,导致涡轮叶片最终发生失效破坏。为了避免因涡轮叶片失效引起的事故,需要定期更换涡轮叶片,但成本较高,所以对涡轮叶片的损伤进行处理的修复技术逐渐被重视。
现有技术中,可通过激光熔焊或固相焊等技术对涡轮叶片的裂纹、孔洞等表观损伤进行修复,但对涡轮叶片的微观组织损伤无法进行修复。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解,因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,能够对镍基单晶合金叶片的微观组织损伤进行修复,进而延长该镍基单晶合金叶片的使用寿命。
为实现上述发明目的,本公开采用如下技术方案:
根据本公开的一个方面,提供一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,包括:
对达到预定损伤程度的镍基单晶合金叶片进行固溶处理,以使所述镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;
对经过所述固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,以使所述强化相从所述基体相中部分析出;
对经过所述降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,以使所述强化相从所述基体相中完全析出。
在本公开的一种示例性实施例中,所述固溶处理和所述时效处理均在真空环境下进行。
在本公开的一种示例性实施例中,经过所述固溶处理后,所述镍基单晶合金叶片的温度为1330℃~1340℃。
在本公开的一种示例性实施例中,所述降温处理的降温速率的取值范围为0.12℃/s~0.15℃/s。
在本公开的一种示例性实施例中,经过所述降温处理后,所述镍基单晶合金叶片的温度为20℃~30℃。
在本公开的一种示例性实施例中,所述时效处理包括降温阶段和先于所述降温阶段的升温阶段,多次所述时效处理至少包括第一次时效处理和第二次时效处理。
在本公开的一种示例性实施例中,经过所述第一次时效处理的升温阶段后,所述镍基单晶合金叶片的温度为1115℃~1125℃。
在本公开的一种示例性实施例中,经过所述第二次时效处理的升温阶段之后,所述镍基单晶合金叶片的温度为865℃~875℃。
在本公开的一种示例性实施例中,在所述第一次时效处理和所述第二次时效处理的降温阶段中,所述镍基单晶合金叶片的降温速率均为0.12℃/s~0.15℃/s。
在本公开的一种示例性实施例中,经过所述第一次时效处理和所述第二次时效处理的降温阶段之后,所述镍基单晶合金叶片的温度均为20℃~30℃。
本公开提供的基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,在处理过程中,首先,对服役过一段时间的镍基单晶合金叶片(微观组织具有一定程度的损伤)进行固溶处理,并保温一定时间,以使镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;接着,对经过固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,在降温过程中,温度降低使强化相在基体相中的溶解度降低,导致部分强化相从基体相中重新析出;最后,对经过降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,使得镍基单晶合金叶片中以铝原子、铬原子等为代表的溶质原子从基体相向强化相扩散,并最终使强化相从基体相中完全析出。经过该延寿方法后,镍基单晶合金叶片中的强化相的立方度变高、排列变得规则有序,力学性能随之提高,所以,该延寿方法能够对镍基单晶合金叶片的微观组织损伤进行修复,进而延长该镍基单晶合金叶片的使用寿命。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施方式基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法的流程图。
图2为本公开实施方式热处理修复之前的镍基单晶叶片的微观组织示意图。
图3为本公开实施方式热处理修复之后的镍基单晶叶片的微观组织示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本发明将全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语,例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系,但是这些术语用于本说明书中仅出于方便,例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是,如果将图标的装置翻转使其上下颠倒,则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时,有可能是指某结构一体形成于其它结构上,或指某结构“直接”设置在其它结构上,或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等;用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等;用语“第一”、“第二”仅作为标记使用,不是对其对象的数量限制。
本公开提供一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,如图1所示,该延寿方法可以包括以下步骤:
步骤S110,对镍基单晶合金叶片进行固溶处理,以使镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;
步骤S120,对经过固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,以使强化相从基体相中部分析出;
步骤S130,对经过降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,以使强化相从基体相中完全析出。
本公开提供的基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,在处理过程中,首先,对服役过一段时间的镍基单晶合金叶片(微观组织具有一定程度的损伤)进行固溶处理,并要保温一定时间,以使镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;接着,对经过固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,在降温过程中,温度降低使强化相在基体相中的溶解度降低,导致部分强化相从基体相中重新析出;最后,对经过降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,使得镍基单晶合金叶片中以铝原子、铬原子等为代表的溶质原子从基体相向强化相扩散,并最终使强化相从基体相中完全析出。经过该延寿方法后,镍基单晶合金叶片中的强化相的立方度变高、排列变得规则有序,力学性能随之提高,所以,该延寿方法能够对镍基单晶合金叶片的微观组织损伤进行修复,进而延长该镍基单晶合金叶片的使用寿命。
下面结合附图对本公开实施方式提供的基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法进行详细说明:
在步骤S110中,对镍基单晶合金叶片进行固溶处理,以使镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中。
镍基合金是以镍为基体(含量一般大于50%),含有铬、铝、钼、钴等合金元素,且在650~1000℃高温下具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力的高温合金。而镍基单晶合金是指熔融状态下的高温镍基合金在凝固过程中只产生一个晶核,定向生长,并最后由一个晶粒组成的晶体。镍基单晶合金的耐热性能比普通的镍基合金大幅提高,因此可用其制造航空发动机的涡轮叶片等高温零部件,此处不再一一列举。
镍基单晶合金属于固溶体合金,也就是说,组成镍基单晶合金的各种元素不仅在熔融时能够互相溶解,在凝固时也能保持互溶状态,其中,含量相对较多的元素称为溶剂,含量相对较少的元素称为溶质。在固溶体合金的晶相中,基体相含有较多的溶剂元素的晶相及较少的溶质元素的晶相,而强化相含有较少的溶剂元素的晶相及较多的溶质元素的晶相,当然,强化相的硬度值和强度值远远高于基体相。如图2和图3所示,颜色相对较浅的为基体相,而颜色相对较深的为强化相,且强化相位于基体相组成的网格之中。
镍基单晶合金叶片在高温下长时间受到高压和振动的影响,不可避免地会导致镍基单晶合金中的强化相发生位错、筏化等蠕变损伤,并最终使叶片最终发生失效破坏。所以,在镍基单晶合金叶片发生失效破坏之前,可对其进行热处理修复,以延长使用寿命。
而对镍基单晶合金叶片进行固溶处理,首先可将该叶片置于加热装置中对其进行加热,因为镍基单晶合金的溶解温度为1315℃,所以固溶处理的温度可以为1330℃~1340℃,也就是说,经过固溶处理后,镍基单晶合金叶片的温度为1330℃~1340℃,举例而言,具体温度值可以为1335℃;其次,还要注意保温的时间,保温的时间与叶片的尺寸正相关,也就是说,叶片越大、越厚,则保温的时间也越长,需要保证该叶片热透,即强化相完全溶解在其基体相中。举例而言,该镍基单晶合金叶片的保温的时间可以为4个小时,此处不再赘述。
需要注意的是,固溶处理需要在真空环境下进行,以防止该镍基单晶合金叶片在高温下发生氧化,并生成Al2O3等难溶氧化物,进而保证该叶片的质量。举例而言,上述加热装置可以为高温真空管式炉等,此处不再一一列举。
在步骤S120中,对经过固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,以使强化相从基体相中部分析出。
在降温过程中,温度降低会使该镍基单晶合金叶片中的强化相在基体相中的溶解度降低,此时,固溶体合金由过饱和状态重新析出强化相。
经过降温处理后,该镍基单晶合金叶片的温度可以为20℃~30℃,举例而言,具体温度值可以为25℃,即:该镍基单晶合金叶片的温度可降至室温,以方便后续的操作。另外,该降温处理的降温速率的取值范围可以为0.12℃/s~0.15℃/s,也就是说,经过2.5~3个小时即可完成该降温处理,举例而言,具体的降温速率可以为0.13℃/s,以使该镍基单晶合金叶片中的强化相能缓慢而稳定地析出。
举例而言,可使该叶片随上述高温真空管式炉一起冷却,当然,也可以是其他冷却方式,此处不作特殊限定。
需要注意的是,在降温过程中强化相从基体相中只是部分析出,所以后续还需要对该镍基单晶合金叶片进行时效处理。
在步骤S130中,对经过降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,使得基体相中部分以铝原子、铬原子等为代表的溶质原子迁移到强化相中,并最终使强化相从基体相中完全析出。
时效处理包括升温阶段和降温阶段,而本申请中的多次时效处理至少包括第一次时效处理和第二次时效处理,以使强化相从基体相中完全析出,所以步骤S130至少包括两次升温过程和两次降温过程。可将经过降温处理后的镍基单晶合金叶片置于上述高温真空管式炉等加热装置中,并对其进行加热。
在第一次时效处理的升温阶段,其加热温度可以为1115℃~1125℃,也就是说,经过第一次时效处理的升温阶段,该镍基单晶合金叶片的温度为1115℃~1125℃,举例而言,具体温度值可以为1120℃,而保温的时间可以为4小时,以使该镍基单晶合金叶片能够热透。
在第一次时效处理的降温阶段,该镍基单晶合金叶片的降温速率可以为0.12℃/s~0.15℃/s,举例而言,具体的降温速率可以为0.13℃/s,且降温后的该叶片的温度可以为20℃~30℃,举例而言,具体温度值可以为25℃,以使强化相能够从基体相中部分析出。
在第二次时效处理的升温阶段,其加热温度可以为865℃~875℃,也就是说,经过第二次时效处理的升温阶段,该镍基单晶合金叶片的温度为865℃~875℃,举例而言,具体温度值可以为870℃,而保温的时间可以为32小时,再经过第二次时效处理的降温阶段,如图3所示,该镍基单晶合金叶片中的强化相的立方度变高、排列变得规则有序,力学力能也随之提高。
第二次时效处理的降温阶段和第一次时效处理的降温阶段相同,此处不再赘述。
需要注意的是,同固溶处理一样,该时效处理也在真空环境下进行,以防止该镍基单晶合金叶片在高温下发生氧化,并生成Al2O3等难溶氧化物,进而保证该叶片的质量。
本公开实施方式还提供一种验证方法,用于对上述任意一项基于热处理修复的镍基单晶叶片的延寿方法进行验证,以证明该延寿方法能够对该镍基单晶叶片的微观组织进行修复。
举例而言,该验证方法可包括以下步骤:
(1)在镍基单晶合金叶片上取样,并切取便于观测的立方体小块,且在该立方体小块选取一观测面;
(2)对该观测面进行打磨和抛光处理,并使该观测面的光洁度满足在50倍放大镜下看不到划痕,以方便后续的观测;
(3)采用腐蚀液对观测面上的强化相进行腐蚀处理,使得强化相被部分腐蚀,以在观测面上形成凹陷部,如图2所示。该腐蚀液包括丙三醇、氢氟酸和浓硝酸,且丙三醇、氢氟酸和浓硝酸的体积比例为3:2:1,此处不再详细描述;
(4)通过扫描电子显微镜(SEM)对凹陷部的形状和凹陷部的分布情况进行观测,以对该镍基单晶合金叶片的损伤程度进行判断;
(5)对立方体小块进行上述固溶处理、降温处理及时效处理;
(6)重新对立方体小块的观测面重新进行打磨、抛光和腐蚀处理,并借助扫描电子显微镜(SEM)对凹陷部的形状和凹陷部的分布情况进行观测,以对该镍基单晶合金叶片的修复效果进行判定。
如图2所示,在热处理修复之前,镍基单晶叶片的凹陷部(强化相)形状大小不一、且分布散乱;如图3所示,在热处理修复之后,镍基单晶叶片的凹陷部(强化相)立方度变高、排列变得规则有序,也就是说,该镍基单晶合金叶片的力学性能提高,则本申请的基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法能够达到对镍基单晶合金叶片微观组织进行修复的目的,进而延长使用寿命。
易于理解的是,此镍基单晶合金叶片经过取样操作后,结构受到破坏,不能再重新使用。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种基于热处理修复的镍基单晶合金叶片的延寿方法,其特征在于,所述延寿方法包括:
对镍基单晶合金叶片进行固溶处理,以使所述镍基单晶合金叶片的强化相完全溶解在其基体相中;
对经过所述固溶处理后的镍基单晶合金叶片进行降温处理,以使所述强化相从所述基体相中部分析出;
对经过所述降温处理后的镍基单晶合金叶片进行多次时效处理,以使所述强化相从所述基体相中完全析出。
2.根据权利要求1所述的延寿方法,其特征在于,所述固溶处理和所述时效处理均在真空环境下进行。
3.根据权利要求1所述的延寿方法,其特征在于,经过所述固溶处理后,所述镍基单晶合金叶片的温度为1330℃~1340℃。
4.根据权利要求1所述的延寿方法,其特征在于,所述降温处理的降温速率的取值范围为0.12℃/s~0.15℃/s。
5.根据权利要求1所述的延寿方法,其特征在于,经过所述降温处理后,所述镍基单晶合金叶片的温度为20℃~30℃。
6.根据权利要求1所述的延寿方法,其特征在于,所述时效处理包括降温阶段和先于所述降温阶段的升温阶段,多次所述时效处理至少包括第一次时效处理和第二次时效处理。
7.根据权利要求6所述的延寿方法,其特征在于,经过所述第一次时效处理的升温阶段后,所述镍基单晶合金叶片的温度为1115℃~1125℃。
8.根据权利要求6所述的延寿方法,其特征在于,经过所述第二次时效处理的升温阶段之后,所述镍基单晶合金叶片的温度为865℃~875℃。
9.根据权利要求6所述的延寿方法,其特征在于,在所述第一次时效处理和所述第二次时效处理的降温阶段中,所述镍基单晶合金叶片的降温速率均为0.12℃/s~0.15℃/s。
10.根据权利要求6所述的延寿方法,其特征在于,经过所述第一次时效处理和所述第二次时效处理的降温阶段之后,所述镍基单晶合金叶片的温度均为20℃~30℃。
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