CN112481611A - 高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，包括如下步骤：步骤(1)：清除叶片表面裂纹；步骤(2)：对经过所述步骤(1)处理后的叶片进行第一次热处理，所述第一次热处理用于使得所述叶片恢复原叶片性能；步骤(3)：对经过所述步骤(2)处理后的叶片进行激光熔覆处理。根据本申请的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，能有效修复高温合金叶片激光熔覆裂纹。
Description
技术领域
本申请属于合金加工技术领域，具体涉及一种高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法。
背景技术
目前,燃气轮机高温合金叶片在服役过程中承受着高温高压，使叶片内部组织改变和性能衰退、叶身出现损伤、疲劳裂纹等问题，影响设备的安全性。是否能恢复上述问题,具有重要的意义。
但是，高Al、Ti高温合金叶片制造工艺繁琐，金属元素种类很多，且一般不做备件处理，不同批次型号叶片制造很难找到合适的叶片制造磨具，磨具制造周期很长。更换新叶片成本很高，新制叶片还不能完全符合机组要求。燃气轮机高温合金叶片属于高Al、Ti高温合金，此类合金内部存在大量的γ’强化相，在焊接过程中很容易出现凝固裂纹、液化裂纹、应变时效裂纹。
因此，如何提供一种能有效修复高温合金叶片激光熔覆裂纹的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，能有效修复高温合金叶片激光熔覆裂纹。
为了解决上述问题，本申请提供一种高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，包括如下步骤：
步骤(1)：清除叶片表面裂纹；
步骤(2)：对经过步骤(1)处理后的叶片进行第一次热处理，第一次热处理用于使得叶片恢复原叶片性能；
步骤(3)：对经过步骤(2)处理后的叶片进行激光熔覆处理。
优选地，高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法在步骤(1)之前还包括如下步骤：检测叶片损伤情况；
和/或，在步骤(3)中，在进行激光熔覆处理的同时还包括：对叶片同时进行预热和感应加热；
和/或，所述叶片的材质为高Al+Ti镍基高温合金。
优选地，检测叶片损伤情况包括如下步骤：通过目视和金相分析法检验高温合金叶片，同时用三坐标工作站和超声波测厚仪测量叶片缺少尺寸和损伤情况，并标记出来位置；
和/或，还包括步骤(4)：将步骤(3)处理后的叶片轮廓进行机械抛修，并形成修复区域；
和/或，在步骤(1)之前，并在检测高温合金叶片损伤情况之后，还包括如下步骤：去除叶片表面的涂层及氧化物；
和/或，高Al+Ti镍基高温合金中AI和Ti含量之和高于6％。
优选地，还包括步骤(5)：检测步骤(4)处理后叶片修复区域的透光值。
优选地，还包括步骤(6)：对步骤(5)处理后的叶片进行第二次热处理，第二次热处理用于消除激光熔覆处理后叶片的残余应力。
优选地，还包括步骤(7)：
对步骤(6)处理后的叶片，进行无损检测；
根据无损检测的结果以及透光值，判断叶片是否修复成功。
优选地，去除叶片表面的涂层及氧化物中，采用的设备为手持式喷砂机；
和/或，第一次热处理采用固溶热处理980-1010℃/0.5-1h；
和/或，对叶片依次进行预热包括如下步骤：使用仿形火焰加热器将叶片预热到280-420℃；
和/或，对叶片进行感应加热包括如下步骤：激光头上安装同步感应加热头，使激光熔覆区维持280-420℃；
和/或，激光熔覆处理包括如下步骤：采用光束质量高，小光斑激光熔覆头，光斑直径0.5-1mm.通过调整工艺窗口对熔覆裂纹进行抑制；优选地，激光熔覆处理的工艺参数为：激光功率为400～800W，采用氩气保护，保护气氩气流量为8～12L/min，激光扫描速度为10～16mm/s，送粉速度为4.7～6.0g/min，道与道之间的搭接率为35～45％；
和/或，机械抛修包括如下步骤：使用砂带机和气动抛修工具对叶片轮廓机械抛修恢复；
和/或，第二次热处理包括如下步骤：先进行固溶热处理后空冷至室温；再依次进行第一次时效处理和第二次时效处理。
优选地，无损检测包括荧光和/或X光检验；
和/或，清除叶片表面裂纹采用的设备为气动打磨工具。
优选地，激光熔覆处理中采用的合金成分与叶片成分相近，性能相当，在本申请中，成分相近指的是基础元素相同，如都以镍铬为基础元素；性能相当指：添加形成的γ”形成元素Nb，将熔覆层的强化机制由γ’变成γ”，以达到强化作用。同时熔覆材料室温拉伸性能要超过母材。
优选地，机械抛修中，砂带机转速为30-40r/min,砂带粒度80-100；
和/或，气动抛修工具转速为2000-2500r/min，磨头形状为圆柱型和针状型，抛光头为橡胶抛光轮；
和/或，手持喷砂机的压力为0.2-0.4Mpa；优选地，砂材质为氧化铝；优选地，砂粒粒度150-180um；
和/或，固溶处理的参数为：900-950℃*0.3-0.6h/AC；
和/或，第一次时效处理的参数为：720℃*8-10h/FC；第二次时效处理的参数为：620℃*8-10h/AC
固溶处理后空冷到室温，然后不需要时间间隔，可以直接时效处理.
时效处理是将叶片放在炉子里，叶片随炉升温到720℃保温8-10小时，强制风冷，降到620℃，保温8-10小时，再空冷至室温。
本申请提供的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法；可以有效的抑制激光熔覆中高温合金基体及熔覆层出现的裂纹，首先将检测高温合金叶片损伤情况，其次将高温合金叶片表面的涂层及氧化物去除，对叶片进行第一次热处理，然后选用与基材成分相近、力学性能相当的合金粉末，采用预热、感应加热和激光熔覆工艺调整抑制裂纹产生，机械抛修恢复叶片轮廓同时使用测具测量叶片透光率，抛修后荧光、X光检验，并通过过时效热处理去除熔覆后叶片中的残余应力和恢复原叶片性能。本发明对熔覆裂纹进行有效抑制，并通过感应加热维持预热温度；增加了第一次热处理，改变了传统焊后热处理的工序，提升高温合金材料的焊接性能；同时使预热、感应加热、激光熔覆工艺实现同步，利用小光斑激光熔覆，同时利用预热和感应加热减少工件的温度梯度实现抑制熔覆裂纹。本发明首先将叶片表面进行清理，然后选用沉淀强化高温合金粉末，同时采用恢复热处理工艺恢复叶片蠕变性能，采用预热加感应加热，并调控激光熔覆工艺，抑制熔覆裂纹的产生，机加工恢复尺寸，并通过过时效去除熔覆层的残余应力。
附图说明
图1为本申请实施例的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复结果；
图2为现有技术的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复结果；
图3为本申请实施例叶片预热感应加热示意图；
图4为本申请实施例叶片激光熔覆感应加热示意图。
附图标记表示为：
1、叶片；11、感应加热区；12、熔覆层；2、第一感应加热线圈；3、感应加热控制器；4、激光熔覆头；5、激光束；6.第二同步激光感应加热线圈。
具体实施方式
实施例1
本发明采用某型号燃气轮机涡轮转子叶片，其材料为K417G合金。在高温环境服役过程中叶片组织改变性能衰退，叶片进气边有热疲劳裂纹。
步骤(1)：利用150um氧化铝喷砂去除该叶片的表面氧化物,再用气动打磨工具清除裂纹，转速2000r/min,选用圆形和针状磨头，并露出金属光泽；
步骤(2)：对该叶片通过第一次热处理：温度1000℃，使得叶片恢复原叶片性能；此处的原叶片性能指的是与叶片受损前的原微观组织基本保持一致，改善原叶片的蠕变损伤；
步骤(3)：通过设置感应加热控制器3温度300℃，第一感应加热线圈对该叶片预热300℃,在叶身上不停移动，持稳时间10min后，将第一感应加热线圈2更换为第二感应加热线圈6，将感应加热器3设置300℃对叶片进行维温，减少叶片的温度梯度，第二同步激光感应加热线圈6跟随激光头4行进路径共同移动，用0.5mm激光束5激光熔覆，激光功率为500W，采用氩气保护，保护气氩气流量为8L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为4.8g/min，道与道之间的搭接率为40％。采用合金粉末包括如下重量百分比的化学成分：0.04％C，30％Cr，3.0％Mo，1.5％Al，2.0％Ti，18.2％Fe，5％Nb,余量的Ni；
步骤(4)：使用砂带机和气动抛修工具对叶片轮廓进行机械抛修恢复，砂带机转速35r/min,砂带粒度80，气动抛修工具转速为2000r/min，磨头形状使用圆柱型，抛光头使用橡胶抛光轮；
步骤(5)：叶片进气边要求透光在±0.1mm.利用定制量具测量抛修好的修复区域，检测透光，透光尺寸小于0.1mm,满足叶片进气边透光。
步骤(6)：进行第二次热处理去除熔覆后叶片中的残余应力和恢复原叶片性能；固溶热处理温度900℃/0.3h；两次时效处理720℃/8h和620℃/8h；
步骤(7)：对修补位置进行荧光检验和X光检验，具体检测结果如下表1所示；
步骤(8)：对叶背、叶盆、透光进行检测，透光结果如下表2所示.成功对In718合金燃气轮机叶片修复。
实施例2
本发明采用某型号燃气轮机涡轮转子叶片，其材料为K438合金。在高温环境服役过程中叶片组织改变性能衰退，叶片排气边有热烧蚀等微裂纹。
步骤(1)：利用150um氧化铝喷砂去除该叶片表面氧化物,再用气动打磨工具清除裂纹，转速2300r/min,选用圆形和针状磨头，并露出金属光泽；
步骤(2)：对该叶片进行第一次热处理，第一次热处理温度：1010℃；
步骤(3)：通过设置感应加热控制器3温度400℃，第一感应加热线圈对该叶片预热400℃,在叶身上不停移动，持稳时间15min后，将第一感应加热线圈2更换为第二感应加热线圈6，将感应加热器3设置300℃对叶片进行维温，减少叶片的温度梯度，第二同步激光感应加热线圈6跟随激光头4行进路径共同移动，用0.5mm激光束5激光熔覆，激光功率为600W，采用氩气保护，保护气氩气流量为9L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为5.2g/min，道与道之间的搭接率为45％。采用合金粉末包括如下重量百分比的化学成分：0.04％C，25％Cr，4.5％Mo，2.6％Al，2.2％Ti，Fe19％，Nb5.2％,余量的Ni；
步骤(4)：使用砂带机和气动抛修工具对叶片轮廓机械抛修恢复，砂带机转速38r/min,砂带粒度100.气动抛修工具转速为2000r/min，磨头形状使用圆柱型，抛光头使用橡胶抛光轮。
步骤(5)：叶片排气边要求透光在±0.08mm.利用定制量具测量抛修好的修复区域，检测透光，叶片排气边透光尺寸小于0.08mm,满足叶片排气边透光；
步骤(6)：进行第二次热处理去除熔覆后叶片中的残余应力和恢复原叶片性能；固溶热处理温度920℃/0.4h.两次时效处理720℃/9h和620℃/9h；
步骤(7)：第二次热处理后对修补位置进行荧光检验和X光检验，具体检测结果如下表1所示；
步骤(8)：对叶背、叶盆、透光进行检测，透光结果如下表2所示。成功对K438合金燃气轮机叶片修复。
实施例3
本发明采用某型号燃气轮机涡轮转子叶片，其材料为K452合金。在高温环境服役过程中叶片组织改变性能衰退，叶片进气排气边有晶界裂纹。
步骤(1)：利用150um氧化铝喷砂去除该叶片表面氧化物,再用气动打磨工具清除裂纹，转速2000r/min,选用圆形和针状磨头，并露出金属光泽。
步骤(2)：对该叶片进行第一次热处理温度：1000℃；
步骤(3)：通过设置感应加热控制器3温度350℃，第一感应加热线圈对该叶片预热350℃,在叶身上不停移动，持稳时间15min后，将第一感应加热线圈2更换为第二感应加热线圈6，将感应加热器3设置300℃对叶片进行维温，减少叶片的温度梯度，第二同步激光感应加热线圈6跟随激光头4行进路径共同移动，用0.5mm激光束5激光熔覆，激光功率为650W，采用氩气保护，保护气氩气流量为8L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为6g/min，道与道之间的搭接率为50％。采用合金粉末包括如下重量百分比的化学成分：0.04％C，35％Cr，3.6％Mo，2.6％Al，2.1％Ti，19.5％Fe，5.2％Nb,余量的Ni。
步骤(4)：使用砂带机和气动抛修工具对叶片轮廓机械抛修恢复，砂带机转速38r/min,砂带粒度100，气动抛修工具转速为2300r/min，磨头形状使用圆柱型，抛光头使用橡胶抛光轮。
步骤(5)：叶片进排气边要求透光在±0.12mm。利用定制量具测量抛修好的修复区域，检测透光，透光尺寸小于0.12mm,满足叶片排气边透光。
步骤(6)：进行第二次热处理去除熔覆后叶片中的残余应力和恢复原叶片性能：固溶热处理温度950℃/0.6h；两次时效处理720℃/10h和620℃/10h；
步骤(7)：热处理后对修补位置进行荧光检验和X光检验，具体检测结果如下表1所示；
步骤(8)：对叶背、叶盆、透光进行检测，透光结果如下表2所示。成功对K452合金燃气轮机叶片修复。
表1：实施例1-3的荧光检测和X光检测结果
表2：实施例1-3的透光结果
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：清除叶片表面裂纹；
步骤(2)：对经过所述步骤(1)处理后的叶片进行第一次热处理，所述第一次热处理用于使得所述叶片恢复原叶片性能；
步骤(3)：对经过所述步骤(2)处理后的叶片进行激光熔覆处理。
2.根据权利要求1中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法在所述步骤(1)之前还包括如下步骤：检测叶片损伤情况；
和/或，在所述步骤(3)中，在进行激光熔覆处理的同时还包括：对所述叶片同时进行预热和感应加热；
和/或，所述叶片的材质为高Al+Ti镍基高温合金。
3.根据权利要求2中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述检测叶片损伤情况包括如下步骤：通过目视和金相分析法检验所述高温合金叶片，同时用三坐标工作站和超声波测厚仪测量叶片缺少尺寸和损伤情况，并在叶片上标记；
和/或，还包括步骤(4)：将所述步骤(3)处理后的叶片轮廓进行机械抛修，并形成修复区域；
和/或，在所述步骤(1)之前，并在检测高温合金叶片损伤情况之后，还包括如下步骤：去除所述叶片表面的涂层及氧化物；
和/或，所述高Al+Ti镍基高温合金中AI和Ti含量之和高于6％。
4.根据权利要求3中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，还包括步骤(5)：检测所述步骤(4)处理后叶片修复区域的透光值。
5.根据权利要求4中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，还包括步骤(6)：对所述步骤(5)处理后的叶片进行第二次热处理，所述第二次热处理用于消除所述激光熔覆处理后叶片的残余应力。
6.根据权利要求5中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，还包括步骤(7)：
对所述步骤(6)处理后的叶片，进行无损检测；
根据所述无损检测的结果以及所述透光值，判断所述叶片是否修复成功。
7.根据权利要求6中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述去除所述叶片表面的涂层及氧化物中，采用的设备为手持式喷砂机；
和/或，所述第一次热处理采用固溶退火热处理980-1010℃*0.5-1h/AC；
和/或，对所述叶片依次进行预热包括如下步骤：使用仿形火焰加热器将叶片预热到280-420℃；
和/或，对所述叶片进行感应加热包括如下步骤：激光头上安装同步感应加热头，使激光熔覆区维持280-420℃；
和/或，所述激光熔覆处理包括如下步骤：采用光束质量高，小光斑激光熔覆头，光斑直径0.5-1mm.通过调整工艺窗口对熔覆裂纹进行抑制；优选地，所述激光熔覆处理的工艺参数为：激光功率为400～800W，采用氩气保护，保护气氩气流量为8～12L/min，激光扫描速度为10～16mm/s，送粉速度为4.7～6.0g/min，道与道之间的搭接率为35～45％；
和/或，所述机械抛修包括如下步骤：使用砂带机和气动抛修工具对叶片轮廓机械抛修恢复；
和/或，所述第二次热处理包括如下步骤：先进行固溶热处理后空冷至室温；再依次进行第一次时效处理和第二次时效处理。
8.根据权利要求6中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述无损检测包括荧光和/或X光检验；
和/或，所述清除叶片表面裂纹采用的设备为气动打磨工具。
9.根据权利要求1中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述激光熔覆处理中采用的合金成分与所述叶片成分相近，性能相当。
10.根据权利要求7中所述的高温合金叶片激光熔覆裂纹的修复方法，其特征在于，所述机械抛修中，所述砂带机转速为30-40r/min,砂带粒度80-100；
和/或，气动抛修工具转速为2000-2500r/min，磨头形状为圆柱型和针状型，抛光头为橡胶抛光轮；
和/或，所述手持喷砂机的压力为0.2-0.4Mpa；优选地，砂材质为氧化铝；优选地，砂粒粒度150-180um；
和/或，所述固溶处理的参数为：900-950℃*0.3-0.6h/AC；
和/或，第一次时效处理的参数为：720℃*8-10h/FC；第二次时效处理的参数为：620℃*8-10h/AC。
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