CN110284087A - 一种修复k403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法 - Google Patents

一种修复k403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，包括以下步骤：去除叶片涂层，将所述叶片送入真空加热炉中随炉升温，以8～12℃每分钟的速率将炉温升至450～550℃，保温25～35分钟继续加热真空炉，以6～8℃每分钟的速率将炉温升至780～820℃，保温至少60分钟后继续加热，以8～12℃每分钟的速率将炉温升至1180‑1200℃，保温1:5～2:10小时后随炉升温，以1.0～1.4℃每分钟的速率将炉温升至1220～1240℃，保温5:50～6:10小时后以35～45℃每分钟的速率冷却真空炉至1190～1010℃，最后充入高纯惰性气体将炉温冷却至100℃以下，将叶片取出。本发明方法能耗低、效率高，能有效降低整机的维修成本，可广泛应用于航空和电站等领域。

Description

一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法
技术领域
本发明涉及航空发动机维修领域，特别是一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法。
背景技术
K403是镍基沉淀硬化型等轴铸造高温合金，是基于ЖС6К-ВИ合金研制出来的，现已应用于制作多种航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片，以及其他高温使用的零部件。然而，高压涡轮叶片在服役过程中承受高温、复杂应力及燃气腐蚀等苛刻条件，服役到一定寿命后将出现不同类型的损伤，引起材料的组织和性能衰退，影响其使用可靠性和安全性；同时，由于涡轮叶片存在材料成份复杂、制造工艺繁琐、更换新品叶片成本较高和叶片备件采购困难的原因，因此，对于在高温服役过程中因显微组织不稳定而出现的一类损伤，如高温蠕变损伤，多采用热等静压或恢复热处理技术，通过对显微组织的调整使材料性能恢复到甚至超过原来的水平，使其能够继续使用，避免涡轮叶片的更换。
现有的热等静压技术不但成本高，热等静压设备也比较昂贵，一台热等静压设备的价格是一台真空热处理炉的几倍甚至十几倍，而且该技术主要用于修复合金中的铸造疏松和蠕变空洞，因此只能部分恢复退化的组织。目前，国内只有几家单位有热等静压设备，而且有些在参数控制方面很局限，达不到工程化应用的要求。另外一种热等静压+恢复热处理方法，用于恢复未出现蠕变空洞的蠕变损伤，大材小用，这种技术主要应用于合金蠕变损伤累积到一定程度后出现蠕变空洞等场合。
除此之外，目前公开的合金涡轮叶片修复方法主要有：中国专利103643188A(公开日为2014年3月19日)公开了一种K465合金涡轮叶片修复热处理方法，该发明对使用一个寿命后的K465涡轮叶片恢复性能效果非常显著。中国专利104878329A(公开日为2015年9月2日)公开一种修复DZ125合金蠕变损伤的恢复热处理方法，该方法适用于DZ125合金蠕变损伤第二阶段中后期。中国专利106480386A(公开日为2017年3月8日)公开一种修复DZ125合金蠕变损伤的热等静压方法，可有效修复蠕变损伤和铸造缺陷，同时不会产生再结晶组织，修复后组织的显微硬度明显提高和高温力学性能得到恢复。但对于具有蠕变损伤的K403合金或ЖС6К-ВИ合金的组织和性能恢复，目前国内外还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种组织产生明显退化但未产生蠕变空洞的K403合金或ЖС6К-ВИ合金叶片蠕变损伤修复方法，以保证叶片的服役安全性和延长叶片服役寿命，减少备件需求，降低航空发动机维修成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.去除待处理叶片表面的涂层，将叶片和叶片夹具表面清洗干净；
S2.控制真空加热炉的初始温度，将叶片送入加热炉，并将炉内抽成真空；
S3.送电加热，控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至450～550℃时，停止加热并保温25～35分钟，保温结束后随炉升温；
S4.控制炉内温度上升速度在6～8℃每分钟，当炉温至780～820℃时，停止加热并保温至少60分钟，保温结束后随炉升温；
S5.控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至1180-1200℃时，停止加热并保温1:5～2:10小时，保温结束后随炉升温；
S6.控制炉内温度上升速度在1.0～1.4℃每分钟，当炉温至1220～1240℃时，停止加热并保温5:50～6:10小时；
S7.冷却真空炉，控制炉内温度冷却速度在35～45℃每分钟，当炉温至1190～1010℃时，停止冷却；
S8.充入氩气使炉温降至100°以下，将叶片出炉。
步骤S2中，初始炉温控制在150℃以下，炉内抽真空至压强大于10-2Pa。
步骤S2中，所述真空加热炉的炉温均匀性不低于HB5354规定的关于Ⅲ类炉的有关要求。
还包括气体回充步骤，当步骤S4中炉内温度上升至指定温度后，向炉内回充气体，控制炉内分压在1Pa～100Pa范围内。
所述气体为高纯惰性气体。
步骤S8中，充入氩气的量为0.2MPa～0.3MPa。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的恢复热处理方法能够有效恢复K403合金和ЖС6К-ВИ合金叶片产生组织退化而未形成蠕变空洞的蠕变损伤，恢复后的高压涡轮叶片能够继续使用，延长了叶片的使用寿命，减少备件需求，能明显地降低航空发动机和地面燃机的维修成本。
(2)本发明所提出的方法只需一台能够到达一定真空度、加热温度和冷却速度的真空热处理炉，以及少量的惰性气体，一炉至少可以处理一台份叶片。因此，本发明提出的方法工艺简单、成本低、效率高，是恢复高温合金组织和性能的一种有效、高效且低能耗的好方法。
(3)另外，本发明所提供的方法不仅可以用于K403合金叶片的蠕变损伤修复，还可以用于改善K403合金叶片在制造时出现的不合格组织，以及合金经过多次处理后出现的组织退化现象。
附图说明
图1为某型号的发动机大修示意图；
图2为不同服役寿命ЖС6К-ВИ合金叶片的高温区组织；
图3为恢复热处理后ЖС6К-ВИ合金叶片的高温区组织；
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1：
本发明采用某乌克兰轻型发动机高压涡轮工作叶片，其材料为ЖС6К-ВИ合金。如图1所示，该发动机的总寿命为4000h，有750h和1000h两种首翻期，发动机服役过程中要经历5次大修，2次更换叶片，首翻期为750h的在发动机1500h和3000h大修时更换叶片，首翻期为1000h的在发动机1750h和3250h大修时更换叶片，大修示意图如图1实线所示；本发明通过向合金中输入适当热能使退化的γ'相和碳化物溶解，并重新析出尺寸细小、均匀和形状规则的γ'相，从而恢复合金组织和性能延长叶片寿命，使叶片在一个发动机寿命周期内只需更换一次，如图1虚线所示，进而减少备件需求。
本发明采用以下步骤恢复合金组织：
S1.去除待处理叶片表面的涂层，将叶片和叶片夹具表面清洗干净；
S2.控制真空加热炉的初始温度，将叶片送入加热炉，并将炉内抽成真空；
步骤S2中，炉温控制在150℃以下，炉内抽真空至压强大于10-2Pa，所用真空加热炉的炉温均匀性不低于HB5354中关于Ⅲ类炉的有关要求。
S3.送电加热，控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至450～550℃时，停止加热并保温25～35分钟，保温结束后随炉升温；
S4.控制炉内温度上升速度在6～8℃每分钟，当炉温至780～820℃时，停止加热并保温至少60分钟，保温结束后随炉升温；
还包括气体回充步骤，当步骤S4中炉内温度上升至指定温度后，向炉内回充高纯惰性气体，控制炉内分压在1Pa～100Pa范围内。
S5.控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至1180-1200℃时，停止加热并保温1:5～2:10小时，保温结束后随炉升温；
S6.控制炉内温度上升速度在1.0～1.4℃每分钟，当炉温至1220～1240℃时，停止加热并保温5:50～6:10小时；
S7.冷却真空炉，控制炉内温度冷却速度在35～45℃每分钟，当炉温至1190～1010℃时，停止冷却；
S8.充入氩气使炉温降至100°以下，将叶片出炉。
步骤S8中，充入氩气的量为0.2MPa～0.3MPa。
图2为服役一定时间后的ЖС6К-ВИ合金叶片组织，其中，(a)、(b)分别为服役寿命1500h的叶片高温区进、排气组织，(c)、(d)分别为服役寿命1750h的叶片高温区进、排气边组织，由图2可知，叶片高温区γ'强化出现相边角钝化、尺寸变大、体积分数降低、碳化物分解等组织退化的特点，同时，服役寿命为1500h叶片具有形成γ'筏化组织倾向，未出现蠕变空洞。
图3为经本发明提出的恢复热处理方法处理后的ЖС6К-ВИ合金叶片组织，其中，(a)、(b)为1500h叶片的进气边组织，(c)、(d)为1750h叶片的进气边组织，(e)、(f)为新叶片进气边组织用于恢复效果对比，由图3可知，高温区进气边组织经恢复热处理后，回溶、重新析出细小均匀的γ'强化相，枝晶干和枝晶间组织之间没有明显差异，γ'强化相的尺寸、分布、形貌与新品叶片组织接近，服役叶片组织状态恢复到接近新品状态。
为进一步验证合金性能恢复效果，采用高温应力时效的方法模拟叶片的退化组织，即选用国产化材料K403合金试棒在接近叶片服役条件下进行时效模拟损伤叶片组织，表1为K403合金新试棒的高温拉伸和高温持久性能，再采用本发明提出的恢复热处理工艺进行处理，测试恢复后K403合金试棒的高温拉伸和高温持久性能，得出结果如表2所示。
表1 K403合金新试棒的高温拉伸和高温持久性能
表2 K403合金试棒恢复热处理后的高温拉伸和高温持久性能
从表1和表2可知，K403合金新试棒800℃的拉伸强度和800℃/510MPa条件下的持久寿命满足技术条件要求，而经高温应力时效组织退化的试棒恢复热处理后的高温拉伸强度和高温持久寿命都高于新试棒，分别提高了5％和20％。可见，K403合金或ЖС6К-ВИ合金经本发明提出的恢复热处理工艺处理后，组织和性能都能恢复到新品状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 去除待处理叶片表面的涂层，将叶片和叶片夹具表面清洗干净；
S2. 控制真空加热炉的初始温度，将叶片送入加热炉，并将炉内抽成真空；
S3. 送电加热，控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至450～550℃时，停止加热并保温25～35分钟，保温结束后随炉升温；
S4. 控制炉内温度上升速度在6～8℃每分钟，当炉温至780～820℃时，停止加热并保温至少60分钟，保温结束后随炉升温；
S5. 控制炉内温度上升速度在8～12℃每分钟，当炉温至1180-1200℃时，停止加热并保温1:5～2:10小时，保温结束后随炉升温；
S6. 控制炉内温度上升速度在1.0～1.4℃每分钟，当炉温至1220～1240℃时，停止加热并保温5:50～6:10小时；
S7. 冷却真空炉，控制炉内温度冷却速度在35～45℃每分钟，当炉温至1190～1010℃时，停止冷却；
S8. 充入氩气使炉温降至100°以下，将叶片出炉。
2.根据权利要求1所述的一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：步骤S2中，初始炉温控制在150℃以下，炉内抽真空至压强大于10-2Pa。
3.根据权利要求1所述的一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：步骤S2中，所述真空加热炉的炉温均匀性不低于HB5354规定的关于Ⅲ类炉的有关要求。
4.根据权利要求1所述的一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：还包括气体回充步骤，当步骤S4中炉内温度上升至指定温度后，向炉内回充气体，控制炉内分压在1Pa~100Pa范围内。
5.根据权利要求4所述的一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：所述气体为高纯惰性气体。
6.根据权利要求1所述的一种修复K403镍基高温合金叶片蠕变损伤的恢复热处理方法，其特征在于：步骤S8中，充入氩气的量为0.2MPa~0.3MPa。
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