CN113337756B - 一种镍基高温合金修复材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金修复材料，一方面解决了高Al+Ti镍基高温合金受高能束熔化产生裂纹，不但改善了界面处的晶界开裂现象，由于该修复材料中不含Ti元素，且控制Al元素在一个范围，避免修复过程出现的含Ti、Al等硬脆相，而且通过Co元素的添加稀释界面碳化物，降低由基体碳化物引起的应力开裂现象；通过组织成分优化避免了激光修复区液化裂纹的产生，成功达到无缺陷的修复效果；另一方面通过大幅度提高钼元素含量，使基体与熔覆材料形成镍与钼的无限固溶体，除了消除开裂倾向进一步提高了合金的使用温度，使其在高温条件下具有较高强度；基体材料的钛、铝与熔覆材料形成γ'沉淀相，进一步提高修复后的力学性能。

Description

一种镍基高温合金修复材料及其制备方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种镍基高温合金修复材料，还涉及一种镍基高温合金修复材料的制备方法。

背景技术

镍基高温合金为了提高其高温使用条件，通过增加Ti和Al含量以获得析出强化相，促进了γ'沉淀相与碳化物的析出，由此使耐高温性能与强度大幅提高，同时导致材料较高的应变时效裂纹敏感性。传统修复方法采用修复前预热与修复后保温避免裂纹产生，通常需要预热到700℃以上高温才能实现高Al+Ti镍基高温合金无裂纹修复，较高的预热温度不便于工程应用，如在高温合金叶片修复时采取高温预热会影响叶片使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基高温合金修复材料，能够有效避免由于界面碳化物导致的修复开裂问题。

本发明的目的还在于提供一种镍基高温合金修复材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种镍基高温合金修复材料，材料的粒径为75-175μm的粉末，按照质量百分比由以下组分组成：Ni:10％-35％，Co:40％-60％，Cr:10％-25％，Al:1％-7％，Ta:1％-8％，W:1-6％，Hf:0-2％，Y:0-1％，C:0-0.3％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

优选的，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：10％-14％，Co：52％-60％，Hf：1％-2％，Al：2％-5％，Ta:6％-8％，W：3％-6％，Cr：10％-15％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

优选的，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：15％-25％，Co：50％-56％，Hf：1％-2％，Al：3％-7％，W：1％-3％，Cr：15％-25％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

优选的，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：22％-35％，Co：40％-55％，Hf：0％-1％，Al：1％-4％，W：3％-6％，Cr：10％-15％，Y：0％-1％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种镍基高温合金修复材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、按照一种镍基高温合金修复材料中各成分百分比称取各组份金属，并将上述各组份金属冶炼获得合金块；

步骤2、对合金块冷加工，获得规格为直径50mm、长度600mm的棒坯，将棒坯加工为表面粗糙度为6.3的光亮面，获得棒材；

步骤3、将棒材置于旋转电极制粉设备中作为负极并加速旋转，正极采用钨电极，通电后，负极受热棒材熔化甩出，熔化的金属材料在惰性气体空间内形成均匀的粉末颗粒散落，即获得合金粉末；

步骤4、将所述合金粉末通过筛分机筛分获得粒径为75-175μm的粉末，即镍基高温合金修复材料。

本发明的特点还在于：

步骤3中棒材放置的仪器中通入纯度不小于99.999％的氩气。

步骤3中将负极的棒材旋转速度控制在15000r/min-22000r/min。

本发明的有益效果是：

本发明一方面解决了高Al+Ti镍基高温合金受高能束熔化产生裂纹，不但改善了界面处的晶界开裂现象；由于该修复材料中不含Ti元素，且控制Al元素在一个范围，在修复过程中能够避免出现的含Ti、Al等硬脆相，而且通过Co元素的添加稀释界面碳化物，降低由基体碳化物引起的应力开裂现象；通过组织成分优化避免了激光修复区液化裂纹的产生，成功达到无缺陷的修复效果。

另一方面通过大幅度提高钼元素含量，使基体与熔覆材料形成镍与钼的无限固溶体，除了消除开裂倾向进一步提高了合金的使用温度，使其在高温条件下具有较高强度；基体材料的钛、铝与熔覆材料形成γ'沉淀相，进一步提高修复后的力学性能。

结合激光熔覆修复技术，其高能聚集特点使修复过程的冷却速度达10⁵～10⁶K/s，有效改善修复后内部组织状态，使内部强化相γ'沉淀相尺寸控制在20-60μm，远低于铸造高温合金的300μm，进一步提高修复后材料的力学性能。

附图说明

图1中是以DZ125粉末为焊接材料激光熔覆修复方式修复DZ125材料金相图；

图2中是本发明实施例1制备的材料激光熔覆修复方式修复DZ125材料金相图；

图3中是原始DZ125基体铸造态高倍组织图；

图4中是本发明实施例1制备材料激光熔覆修复DZ125基体高倍组织图；

图5是采用K465材料进行同材质修复的界面金相照片；

图6中是本发明实施例2制备的材料激光熔覆修复方式修复K465基体的金相图；

图7中是本发明实施例3制备的材料激光熔覆修复方式修复K465基体的金相图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种镍基高温合金修复材料，材料是粒径为75-175μm的粉末，按照质量百分比由以下组分组成：Ni:10％-35％，Co:40％-60％，Cr:10％-25％，Al:1％-7％，Ta:1％-8％，W:1-6％，Hf:0-2％，Y:0-1％，C:0-0.3％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明一种镍基高温合金修复材料，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：15％-25％，Co：50％-60％，Hf：1％-2％，Al：3％-7％，Ta:1％-3％，W：1％-3％，Cr：15％-25％，Y：0％-1％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明一种镍基高温合金修复材料，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：22％-35％，Co：40％-55％，Cr：10％-15％，Al：1％-4％，Ta:2％-6％，W：3％-6％，Y：0％-1％，Hf：0％-1％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明一种镍基高温合金修复材料，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：10％-16％，Co：52％-60％，Hf：1％-2％，Al：2％-5％，Ta:2％-8％，W：3％-6％，Cr：10％-15％，上述各组分的质量百分比之和为100％。

本发明一种镍基高温合金修复材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、按照一种镍基高温合金修复材料中各成分百分比称取各组份金属，并将上述各组份金属冶炼获得合金块；

步骤2、对合金块冷加工，获得规格为直径50mm、长度600mm的棒坯，将棒坯加工为表面粗糙度为6.3的光亮面，获得棒材；

步骤3、将棒材置于旋转电极制粉设备中作为负极并加速旋转，正极采用钨电极，通电后，负极受热棒材熔化甩出，熔化的金属材料在惰性气体空间内形成均匀的粉末颗粒散落，即获得合金粉末；

步骤4、将所述合金粉末通过筛分机筛分获得粒径为75-175μm的粉末，即镍基高温合金修复材料。

步骤3中棒材放置的仪器中通入纯度不小于99.999％的氩气。

步骤3中将负极的棒材旋转速度控制在15000r/min-22000r/min。

本发明一种镍基高温合金修复材料中，由于不含Ti元素，且控制Al元素在一个范围，在修复过程中由于无法形成较多的硬脆相而降低开裂倾向。

通过Co元素的添加稀释界面碳化物，与Ni元素形成无限互溶；使界面形成置换固溶体增加位错密度，保证界面强度。

增加Hf元素，该元素在镍基高温合金中起到稳定晶界的作用，可以有效控制晶界微裂纹的生成。

增加W元素，该元素在镍基高温合金中起高温强化的作用，保证修复后高温性能。

增加Cr元素，该元素可以形成γ'相固溶体，提高基体强度；另一方面在合金表面形成Cr₂O₃有效提高高温抗氧化性能。

增加Y元素，可以有效避免高温液态裂纹产生。

增加Ta元素可以提高合金的固溶温度，使初生的γ'相数量增加从而细化，提高合金强度。

增加Re元素可以降低其它固溶元素的扩散速率，延缓γ'相长大从而细化γ'相，提高合金强度。

本发明中采用旋转电极法制粉：将制备好的棒材作为负极并加速旋转，通过另一侧钨极将其熔化甩出，熔化的金属材料在惰性气体空间内形成均匀的粉末颗粒散落，制备出合金粉末。

实施例1

一种镍基高温合金修复材料，材料是粒径为75-175μm的粉末，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：33％，Co：47％，Cr：10％，Al：2％，Ta:3％，W：4％，Y：0.5％，Hf：0.5％，采用激光熔覆修复方式进行镍基高温合金DZ125修复，通过激光高温熔化粉末将修复材料熔覆到待修复零件表面，达到冶金结合。采取的激光修复工艺参数：功率600W，扫描速度420mm/min，送粉量11g/min。激光修复过程在氩气保护或真空手套箱内进行，保证了高温条件下焊接熔池的质量稳定性。修复后检测表面与内部无裂纹，修复区与基体之间的结合界面为冶金熔合，组织均匀无界面，修复后内部强化组织为细小的γ'相。内部组织检测如图2所示，该图像中没有出现裂纹，

以DZ125粉末为焊接材料激光熔覆修复方式修复DZ125材料金相图如图1所示，根据图1与图2对比可知采取本发明所用材料修复DZ125材料可有效避免界面开裂问题，图1所示为采用DZ125粉末进行修复，可以看出修复后从界面位置有裂纹产生，并延伸至修复区。而图2中并未发现裂纹。

通过扫描电镜分析观察5000倍组织形貌，其高倍组织图如图4所示，经过激光修复后的组织γ'相，该组织尺寸约为0.1μm，对比图3为原始DZ125基体的内部组织，通过检测可以得到γ'相尺寸约为0.3μm。由此可以看出实施例1制备的材料经激光修复后γ'相组织细小且均匀。

实施例2

一种镍基高温合金修复材料，材料是粒径为75-175μm的粉末，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：18％，Co：54％，Hf：1.5％，Al：4％，Ta:3％，W：1.2％，Cr：18％，Y：0.3％。

实施例3

一种镍基高温合金修复材料，材料是粒径为75-175μm的粉末，按照质量百分比由以下组分组成：Ni：15％，Co：56％，Hf：2％，Al：5％，Ta:7％，W：5％，Cr：10％。

采用K465材料进行同材质修复，修复工艺选取激光修复方式，修复界面金相照片如图5所示，裂纹由基体的共晶相开始萌生裂纹，该裂纹直接产生于修复区并延伸。

对实施例2、实施例3中制备的材料进行K465基体修复，实施例2修复金相组织图如图6所示，实施例3修复效果图如图7所示；根据图6和图7可以看出，在基体的界面不会产生明显裂纹，图5中的碳化物MC并未发现裂纹，并且该位置晶界的碳化物MC边界弱化；图中6可以看出该位置的共晶相保持良好，没有产生延伸裂纹。由此可以看出该专利材料可以使用于K465的激光修复工艺。

通过上述方式，本发明一种镍基高温合金修复材料，通过材料成分的调整避免修复过程产生裂纹，同时使修复后获得不低于原始镍基高温合金的性能指标。该发明可以有效解决金属增材制造过程中的成型尺寸误差与成型后内部缺陷或组织不均匀等问题。

Claims (1)

1.一种镍基高温合金修复材料的制备方法，其特征在于，一种镍基高温合金修复材料按照质量百分比由以下组分组成：Ni：15%-25%，Co：50%-60%，Hf：1%-2%，Al：3%-7%，Ta:1%-3%，W：1%-3%，Cr：15%-25%，Y：0%-1%，上述各组分的质量百分比之和为100%；

制备方法具体按照以下步骤实施：

步骤1、按照所述一种镍基高温合金修复材料中各成分百分比称取各组份金属，并将上述各组份金属冶炼获得合金块；

步骤2、对合金块冷加工，获得规格为直径50mm、长度600mm的棒坯，将棒坯加工为表面粗糙度为6.3的光亮面，获得棒材；

步骤3、将棒材置于旋转电极制粉设备中作为负极并加速旋转，棒材放置的仪器中通入纯度不小于99.999%的氩气，将负极的棒材旋转速度控制在15000r/min-22000r/min，正极采用钨电极，通电后，负极受热棒材熔化甩出，熔化的金属材料在惰性气体空间内形成均匀的粉末颗粒散落，即获得合金粉末；

步骤4、将所述合金粉末通过筛分机筛分获得粒径为75-175μm的粉末，即镍基高温合金修复材料。

Images