CN113151761A - 一种合金蠕变损伤的修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种合金蠕变损伤的修复方法，包括热等静压处理及热处理，其中，所述热等静压处理的处理制度包括两段升温，具体包括：一段升温时，炉温从20℃～40℃升至1200℃～1300℃，保温1h～3h；二段升温时，炉温继续升至1220℃～1390℃，保温2h以上；冷却至20℃～40℃。本发明所述的修复方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在第三代单晶高温合金涡轮工作叶片的翻修中具有广阔的前景。

Description

一种合金蠕变损伤的修复方法
技术领域
本发明涉及高温合金组织修复技术领域，特别是涉及一种合金蠕变损伤的修复方法。
背景技术
航空发动机是飞机的“心脏”，我国的航空发动机目前无论是从发动机寿命、翻修期还是叶片寿命都远落后于美英等国。第三代单晶高温合金已经逐步应用于先进航空发动机涡轮转子叶片，其具有较好的高温力学性能，但是涡轮叶片的服役环境非常苛刻，常受到不同程度的由离心力导致的服役蠕变组织损伤，使其性能退化导致失效破坏，蠕变损伤的主要形式为显微组织退化和蠕变孔洞的形核及长大。据统计，航空发动机高压涡轮工作叶片的失效占航空发动机失效的40％左右。因此，定期对服役叶片进行更换或翻修具有重大的现实意义。国内现有技术中并没有有效的修复工艺，因此需要根据第三代单晶合金的特征研究出一种损伤组织的修复工艺，来提高部件的使用寿命，降低成本，从而延长航空发动机使用寿命。
热等静压工艺参数的选择与合金的损伤程度及合金类型密切相关，特别是对于第三代单晶高温合金来说，热等静压的参数选取异常重要，不当的温度选择可能会在愈合孔洞附近产生内部再结晶。1977年，伴随着热等静压技术第一次被用于恢复服役航空发动机高压涡轮工作叶片的性能，“恢复(rejuvenation)”一词开始被广泛接受。1979年，国外的发动机修理公司，如Liburdi Turbine Services，开始报道X750和U500涡轮部件的恢复热处理。紧接着，在很短的时间内，又开发了IN700，IN738，U520合金的完全热等静压恢复热处理。变形高温合金和普通铸造高温合金，单晶高温合金的比例相对较小。随着单晶高温合金被广泛应用于航空航天领域，展开对定向凝固和单晶高温合金的恢复热处理的研究也变得尤为迫切。2012年，Rettberg等报道了GTD444定向凝固高温合金和Rene N5单晶高温合金恢复热处理研究的初步进展，2017年Benjamin Ruttert等人利用热等静压技术对蠕变后的镍基单晶高温合金CMSX-4的组织进行恢复热处理，可以完全恢复已蠕变试样的蠕变性能。但是O.M.Horst在随后研究中也指出热等静压恢复处理虽然能够提高蠕变强度，组织变化却没有完全消除。
合适的热等静压参数是决定恢复热处理效果的重要因素。目前对定向凝固及单晶高温合金的热等静压恢复热处理研究仍然非常有限，一方面由于技术封锁及保密需要，另外一方面，相比等轴晶而言，定向凝固合金与单晶高温合金具有更苛刻的凝固条件及复杂的合金成分，晶界的部分及完全消除使得其对恢复热处理过程中热等静压参数更为敏感。第三代单晶高温合金提高了合金中Re元素的含量，大大增加了其制备成本，使得第三代单晶高温合金恢复热处理工艺的研究更为迫切，亟待探索出一条适合修复第三代单晶高温合金涡轮叶片组织退化的恢复热处理方案。由于合金在高温服役条件下不可避免的出现组织缺陷，会大大影响合金的高温力学性能，为了节约制备成本并延长合金的使用寿命，结合热等静压的恢复热处理方案已经成为定向凝固及单晶合金组织与性能恢复的必要途径，以期能在降低合金显微缺陷的同时恢复损伤组织，提高合金的高温综合力学性能，延长第三代单晶高温合金涡轮叶片的使用寿命。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种合金蠕变损伤的修复方法，以及该方法在合金蠕变损伤修复中的应用，以延长合金的使用寿命。应用该方法对第三代单晶高温合金涡轮工作叶片进行翻新，修复后组织的显微硬度明显提高，高温力学性能得到恢复。
本发明的目的之一在于提供一种合金蠕变损伤的修复方法，包括热等静压处理及热处理，其中，所述热等静压处理的处理制度包括两段升温，具体包括：一段升温时，炉温从20℃～40℃升至1200℃～1300℃，保温1h～3h；二段升温时，炉温继续升至1220℃～1390℃，保温2h以上；冷却至20℃～40℃。通过热等静压处理，使蠕变损伤的γ’相及残余共晶全部回溶入γ基体，形成γ单相组织。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述热处理包括一次时效处理和二次时效处理，其中，一次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至1050℃～1240℃，保温3h～8h，冷却至20℃～40℃；
二次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至700℃～950℃，保温10h～40h，冷却至20℃～40℃。通过二次时效处理，使细小的γ’相析出更加充分。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述热等静压处理在压力介质中氛围下进行，一段升温的同时，所述压力介质的压力从1个大气压升至30MPa～50MPa，保温的同时保持压力；二段升温的同时，所述压力介质的压力继续升至100MPa～150MPa，保温的同时保持压力。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一段升温中，温度从20℃～40℃升至1270℃～1280℃，保温保压时间为1h～1.5h。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述二段升温中，温度继续升至1290℃～1310℃，保温保压时间为3h以上。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一段升温和二段升温的升温速率各自独立地为5℃/min～15℃/min。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一段升温结束之后与所述二段升温开始之前的时间间隔为0～6h，优选为0～3h。根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述热等静压处理的冷却速率为200℃ /min～300℃/min。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述热等静压处理的压力介质为高纯氮气和/或高纯惰性气体，优选为高纯Ar气。如本领域技术人员公知的，所述高纯气体指的是纯度等于或高于99.999％的气体。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一次时效处理和所述二次时效处理各自独立地在真空条件下进行，优选合适条件的真空度。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至1100℃～1140℃，保温4h～6h，冷却至 20℃～40℃。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述二次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至860℃～880℃，保温24h～28h，冷却至20℃～40℃。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一次时效处理和所述二次时效处理的冷却速率各自独立地为200℃/min～300℃/min。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述一次时效处理结束之后与所述二次时效处理开始之前的时间间隔为0～6h，优选为0～3h。
根据本发明所述的修复方法的一些优选的实施方式中，所述热等静压处理结束之后与所述热处理开始之前的时间间隔为0～6h，优选为0～3h。
本发明的目的之二在于提供上述合金蠕变损伤的修复方法在第三代单晶高温合金蠕变损伤修复中的应用，优选适用于第三代单晶高温合金蠕变伸长率小于 1％的蠕变损伤修复。在本发明中，所述合金蠕变伸长率由本领域常规的合金蠕变伸长率的测试方法而得。
根据本发明所述的应用一些优选的实施方式中，所述第三代单晶高温合金中包含元素铼；优选地，所述铼元素的含量为4.5wt.％～6.5wt.％。
根据本发明所述的应用一些优选的实施方式中，用于DD19单晶高压合金涡轮叶片叶身的修复。
本发明所述的修复方法不但能够使恢复热处理后的试样的γ’相恢复至原始状态，还能够消除残余共晶并使组织均匀化，从而使恢复热处理后性能接近甚至超过原始水平，实现修复航空发动机高压涡轮工作叶片用单晶高温合金蠕变损伤组织和性能的目标。蠕变损伤的第三代单晶高温合金经恢复热处理后，其显微组织恢复至接近原始组织水平，大的立方状的γ’相和小的颗粒状的γ’相共存，γ’相体积分数亦恢复原始水平，其总蠕变断裂寿命提高约50％。
本发明的有益效果至少在于以下几个方面：
本发明所述的修复方法通过合理的热等静压工艺处理后，使得服役叶片组织得到修复，有效修复蠕变损伤及铸造缺陷的同时不会产生内部再结晶，修复后组织的显微硬度明显提高，高温力学性能得到恢复。本发明所述的修复方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在第三代单晶高温合金涡轮工作叶片的翻修中具有广阔的前景。
附图说明
图1为实施例1涉及的第三代单晶高温合金的榫头处显微组织；
图2为实施例1涉及的第三代单晶高温合金涡轮叶片服役后叶身显微组织；
图3为实施例1涉及的第三代单晶高温合金服役后叶片再经修复处理后的显微组织；
图4为实施例1涉及的第三代单晶高温合金服役后叶片再经修复处理后的蠕变曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
以下实施例中，蠕变断裂实验根据GB/T 2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法进行。
【实施例1】
以DD19定向凝固第三代单晶高温合金某型号航空发动机涡轮叶片为修复对象，对榫头和叶身处组织进行观察，榫头处由于服役温度不高，可视为原始组织，如图1所示。对服役后叶片长度进行测量，服役后叶片长度相对原始叶片伸长率为0.67％。服役后叶片叶身显微组织如图2所示，叶身处经受较高的服役温度，组织发生明显退化。将定向凝固第三代单晶高温合金涡轮叶片叶身取样加工成蠕变试样，并进行1100℃，130MPa条件下得蠕变断裂实验，蠕变曲线如图4所示。
对服役后叶片叶身的蠕变试样进行修复处理，具体的步骤如下：
步骤一、对蠕变试样进行1300℃热等静压处理，具体为：高纯Ar气氛围下，以10℃/min的升温速率从30℃升至1270℃，压力升至50MPa，在1270℃、50MPa 条件下保温保压1.5h，再以10℃/min的升温速率继续升温至1300℃，并继续升压至150MPa，在1300℃、150MPa条件下保持3h后冷却至30℃；冷却速率为 250℃/min。
步骤二、对蠕变试样进行1120℃下的一次时效处理，具体为：真空条件下，炉温从30℃升至1120℃±5℃，保温5h后空冷至30℃，冷却速率为250℃/min。
步骤三、对蠕变试样进行870℃下得二次时效处理，具体参数为：真空条件下，炉温从30℃升至870℃±3℃，保温24h后空冷至30℃，冷却速率为250℃/min。
步骤一结束后到步骤二开始前的时间间隔为1h。
步骤二结束后到步骤三开始前的时间间隔为1h。
对经过以上修复热处理工艺的试样进行组织观察(见图3)和蠕变实验，并与修复热处理前原始组织和蠕变寿命进行对比，结果图4所示。实验结果表明，修复热处理后试样的显微组织恢复至接近原始组织水平，大的立方状的γ’相和小的颗粒状的γ’相共存，γ’相体积分数亦恢复原始水平，其蠕变断裂寿命接近原始水平。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种合金蠕变损伤的修复方法，包括热等静压处理及热处理，其中，所述热等静压处理的处理制度包括两段升温，具体包括：一段升温时，炉温从20℃～40℃升至1200℃～1300℃，保温1h～3h；二段升温时，炉温继续升至1220℃～1390℃，保温2h以上；冷却至20℃～40℃。
2.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述热处理包括一次时效处理和二次时效处理，其中，一次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至1050℃～1240℃，保温3h～8h，冷却至20℃～40℃；
二次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至700℃～950℃，保温10h～40h，冷却至20℃～40℃。
3.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述热等静压处理在压力介质中氛围下进行，一段升温的同时，所述压力介质的压力从1个大气压升至30MPa～50MPa，保温的同时保持压力；
二段升温的同时，所述压力介质的压力继续升至100MPa～150MPa，保温的同时保持压力；
优选地，一段升温中，温度从20℃～40℃升至1270℃～1280℃，保温保压时间为1h～1.5h；
优选地，二段升温中，温度继续升至1290℃～1310℃，保温保压时间为3h以上；
优选地，所述一段升温和二段升温的升温速率各自独立地为5℃/min～25℃/min，进一步优选为5℃/min～15℃/min；
优选地，所述一段升温结束之后与所述二段升温开始之前的时间间隔为0～6h，进一步优选为0～3h；
优选地，所述热等静压处理的冷却速率为200℃/min～300℃/min。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的修复方法，其特征在于，所述热等静压处理的压力介质为高纯氮气和/或高纯惰性气体，进一步优选压力介质为高纯Ar气。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的修复方法，其特征在于，所述一次时效处理和所述二次时效处理各自独立地在真空条件下进行，优选合适条件的真空度；
优选地，所述一次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至1100℃～1140℃，保温4h～6h，冷却至20℃～40℃；
优选地，所述二次时效处理的热处理制度包括：炉温从20℃～40℃升至860℃～880℃，保温24h～28h，冷却至20℃～40℃。
6.根据权利要求2所述的修复方法，其特征在于，所述一次时效处理和所述二次时效处理的冷却速率各自独立地为200℃/min～300℃/min；
优选地，所述一次时效处理结束之后与所述二次时效处理开始之前的时间间隔为0～6h，进一步优选为0～3h；
优选地，所述热等静压处理结束之后与所述热处理开始之前的时间间隔为0～6h，进一步优选为0～3h；。
7.权利要求1-6中任意一项所述的修复方法在第三代单晶高温合金蠕变损伤修复中的应用。
8.根据权利要求7所述的修复方法的应用，其特征在于，用于第三代单晶高温合金蠕变伸长率小于1％时的蠕变损伤修复。
9.根据权利要求7所述的修复方法的应用，其特征在于，所述第三代单晶高温合金中包含元素铼；优选地，所述铼元素的含量为4.5wt.％～6.5wt.％。
10.根据权利要求7所述的修复方法的应用，其特征在于，用于DD19单晶高压合金涡轮叶片叶身的修复。
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