CN114043043B - 一种cmt电弧修复镍基高温合金的修复方法 - Google Patents

一种cmt电弧修复镍基高温合金的修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，属于金属材料电弧修复技术领域，所述修复方法：选用CMT电弧为热源，对损伤镍基高温合金锻件进行CMT电弧修复，修复过程中施加旋转磁场。修复工艺过程为：锻件待修复处打磨→修复路径规划→磁场发生器放置→Ar气保护预热→CMT电弧修复→热处理→机加打磨。本发明通过施加旋转磁场，带动电弧旋转并搅拌熔池，抑制了合金凝固过程中枝晶间有害Laves相的大尺寸连续析出，解决了镍基高温合金修复锻件无法通过高温固溶热处理消除Laves相提高修复区塑韧性的难题，拓宽了CMT技术在高温零部件快速修复领域的应用。

Description

一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法
技术领域
本发明涉及金属材料电弧修复技术领域，具体涉及一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法。
背景技术
在航空发动机领域，镍基高温合金主要用于制造机匣、叶片和涡轮盘等高温端部件，同时也广泛应用于宇航、石油和核电等行业，该类合金裂纹敏感性系数较低，具有良好的成形性能。合金部件在服役期间所出现的损坏都会严重影响整套装备的使用寿命和安全性能。在零部件服役过程中，往往会受到摩擦磨损、冲击、振动和冷热交替而产生疲劳等作用，从而会在外形结构突变或组织薄弱位置出现疲劳裂纹和磨损等缺陷，且零部件在制造过程中也会出现机械加工失误造成的超差情况。将损伤零部件进行修复后继续投入使用，是节约制造成本，提高构件的使用寿命的常用手段。
目前，成熟的修复工艺中激光修复因为高的修复质量最受关注，但激光设备存在高昂价格，且修复效率较低(激光修复时单层熔敷高度约为0.2mm，而电弧修复的单层高度达到了2mm)。电弧修复技术具有修复效率高、周期短、材料浪费率低、成本低廉、受工件形状尺寸限制小等特点，因此有着极为广阔的前景，但传统的电弧修复技术(如TIG)存在热输入过大，修复部位热影响区范围广性能差的缺点，难以满足使用要求。冷金属过渡(ColdMetal Transfer，CMT)作为一种不产生焊渣，飞溅极小的新型焊接技术，这种技术主要通过控制焊丝的回抽，进而保证了熔滴的过渡方式均为短路过渡，同时改进了电压电流的波形，熔滴过渡时的电流几乎为零，极大地限制了焊接热输入，进而弱化了对界面组织的影响，基于此，CMT在电弧修复中有很好的应用前景。
CMT电弧修复技术由于所形成的熔池温度梯度较低，凝固末期极易在枝晶间生成大尺寸、连续分布的Laves晶间脆硬相，该相的存在会严重降低修复区的塑韧性。以镍基高温合金(GH4169)合金为例，在增材制造领域常用高温长时的固溶热处理消除Laves相，但是该手段并不适用于修复工艺，主要是由于该固溶温度下的修复基材晶粒会发生严重长大，性能急剧下降。也有报道采用900℃附近保温12h使得Laves相转化为δ相，再在δ相固溶温度1020℃附近保温10h溶解δ相，达到了Laves相消除的目的，但该方法热处理温度高，且保温时间长，存在合金元素烧损、基材组织恶化、热处理成本高以及耗费大量时间的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，采用旋转磁场作用下的CMT电弧技术对镍基高温合金锻件进行修复，在不需要进行高温固溶热处理的前提下，抑制大尺寸、长条状晶间Laves脆硬相生成。
为了实现上述发明目的，本发明具体内容如下：
本发明提出了一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，选用CMT电弧为热源，对损伤的待修复锻件进行CMT电弧修复，所述待修复锻件为镍基高温合金锻件；在进行CMT电弧修复的过程中施加磁场，通过施加的磁场带动电弧旋转并搅拌熔池。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述方法包括以下步骤:
步骤1：对损伤的待修复锻件的待修复区域进行预处理；
步骤2：对预处理后的锻件进行CMT电弧修复；
步骤3：对修复后的锻件进行检测并加工至所需尺寸。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤2.1：设置磁场装置和加热装置，所述磁场装置为磁场线圈；将磁场线圈放置在待修复锻件上方，并将待修复锻件上的待修复区域设置在磁场线圈的中心；
步骤2.2：通过加热装置对待修复锻件进行预热；
步骤2.3：测定预热后的待修复锻件的温度；
步骤2.4：连接电源，在放置的磁场线圈内通入电流，带动电弧旋转并搅拌熔池；
步骤2.5：逐层增加焊枪的移动速度，对损伤的锻件进行逐层沉积修复。
为了更好地实现本发明，进一步地，通入该磁场线圈的三相交流电电流值为10-20A、频率为50-80Hz、线圈中心所产生的旋转磁场强度峰值为45-75Gs。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.5中，对损伤的待修复锻件进行逐层沉积修复时的修复参数为：送丝速度WFS＝3.5-5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost＝240-300A，短路电流Iscwait＝80-100A，短路电流持续时间tb＝4.2-5.4ms，道间冷却间隔时间t＝5-10s，搭接率40-50％；在逐层沉积修复操作时，第一层修复时的焊枪移动速度为4.8-5.4m/min，从第一层之后开始，焊枪移动速度逐层增加0.2-0.4m/min至第五层，从第五层开始焊枪移动速度保持不变。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤2.1中的所述磁场线圈的内径为但不限于400mm，线圈高度为但不限于400mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.5中，待修复锻件到磁场线圈的距离不低于20mm，修复完成后的待修复锻件的顶部不超过磁场线圈的最高点。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.5中，在对待修复锻件进行CMT电弧修复的过程中，焊枪高度始终保持在位于焊丝尖端距锻件表面10mm处。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.1中，设置保护箱，将磁场装置、待修复锻件和加热装置放入保护箱中，在保护箱中持续通入Ar气，使得保护箱中氧分压低于100ppm，然后再进行后续操作。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.2中，通过加热装置将待修复锻件预热至150～200℃。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3中，对CMT电弧修复后的锻件进行超声探伤检测，直到修复操作界面处无缺陷，然后进行双级时效热处理，对双级时效热处理后的待修复锻件进行机械加工，去除余量至所需尺寸，得到成品修复锻件。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述双级时效热处理的操作为：先以720℃对待修复锻件保温8h，再以50℃/h的冷却速度冷却至620℃，最后保温8h后空气冷却。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤1中的所述机械去除处理操作采用机械打磨处理，通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位后，还需用无水乙醇清洗断口表面。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤1中的所述机械去除处理采用线切割处理操作，通过线切割切除损伤的待修复锻件的损伤部位，再使用超声清洗线切割面的油污并打磨露出金属光泽。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2.2中，对锻件进行预热的加热装置为平板加热台。
为了更好地实现本发明，更进一步地，所述步骤2.3中，对预热后锻件温度进行测量的位置为待修复锻件表面。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过在修复过程中施加旋转磁场，实现了镍基高温合金损伤的待修复锻件的快速修复，CMT工艺作为一种低热输入的电弧修复技术，在修复过程中大幅降低了电弧对界面的热作用，提高了界面的力学性能。
(2)修复后无需后续高温固溶热处理溶解Laves相，保护了基材组织不发生恶化，仅需时效热处理后机加去除余量即可投入使用，节省了大量时间和修复成本。
附图说明
图1为旋转磁场与熔池相互作用示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
(1)通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位，保留无损伤平整的基体部分，然后采用无水乙醇清洗断口表面；
(2)在Ar气保护箱中放置磁场装置和待修复锻件，通入持续的Ar气，保证保护箱氧分压低于100ppm，通过加热装置将待修复锻件预热至150℃，通入磁场线圈的三相交流电电流有效值为10A，频率为50Hz；
(3)采用CMT电弧对损伤的待修复锻件进行逐层沉积修复，修复参数为：送丝速度WFS＝3.5m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost＝240A，短路电流Iscwait＝80A，短路电流持续时间tb＝4.2ms，道间冷却间隔时间t＝5s，搭接率50％，第一层修复焊枪移动速度4.8m/min，并逐层增加0.2m/min至第五层后不再改变；
(4)修复后对锻件进行超声探伤检测，界面处未发现未熔合等缺陷，然后进行双级时效热处理提高锻件强度，最后对热处理后锻件进行机加，去除余量至所需尺寸。
实施例2：
(1)通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位，保留无损伤平整的基体部分，然后采用无水乙醇清洗断口表面；
(2)在Ar气保护箱中放置磁场装置和待修复锻件，通入持续的Ar气，保证保护箱氧分压低于100ppm，通过加热装置将待修复锻件预热至180℃，通入磁场线圈的三相交流电电流有效值为10A，频率为50Hz；
(3)采用CMT电弧对损伤的待修复锻件件进行逐层沉积修复，修复参数为：送丝速度WFS＝4m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost＝280A，短路电流Iscwait＝90A，短路电流持续时间tb＝4.2ms，道间冷却间隔时间t＝5s，搭接率50％，第一层修复焊枪移动速度4.8m/min，并逐层增加0.2m/min至第五层后不再改变；
(4)修复后对锻件进行超声探伤检测，界面处未发现未熔合等缺陷，然后进行双级时效热处理提高锻件强度，最后对热处理后锻件进行机加，去除余量至所需尺寸。
实施例3：
(1)通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位，保留无损伤平整的基体部分，然后采用无水乙醇清洗断口表面；
(2).在Ar气保护箱中放置磁场装置和待修复锻件，通入持续的Ar气，保证保护箱氧分压低于100ppm，通过加热装置将待修复锻件预热至200℃，通入磁场线圈的三相交流电电流有效值为10A，频率为50Hz；
(3)采用CMT电弧对损伤的待修复锻件进行逐层沉积修复，修复参数为：送丝速度WFS＝4.5m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost＝320A，短路电流Iscwait＝100A，短路电流持续时间tb＝4.2ms，道间冷却间隔时间t＝5s，搭接率50％，第一层修复焊枪移动速度4.8m/min，并逐层增加0.3m/min至第五层后不再改变；
(4)修复后对锻件进行超声探伤检测，界面处未发现未熔合等缺陷，然后进行双级时效热处理提高锻件强度，最后对热处理后锻件进行机加，去除余量至所需尺寸。
对比例1：
(1)通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位，保留无损伤平整的基体部分，然后采用无水乙醇清洗断口表面；
(2)在Ar气保护箱中放置磁场装置和待修复锻件，通入持续的Ar气，保证保护箱氧分压低于100ppm，通过加热装置将待修复锻件预热至150℃,修复过程中不添加磁场；
(3)采用CMT电弧对损伤的待修复锻件进行逐层沉积修复，修复参数为：送丝速度WFS＝3.5m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost＝240A，短路电流Iscwait＝80A，短路电流持续时间tb＝4.2ms，道间冷却间隔时间t＝5s，搭接率50％，第一层修复焊枪移动速度4.8m/min，并逐层增加0.3m/min至第五层后不再改变；
(4)修复后对锻件进行超声探伤检测，界面处未发现未熔合等缺陷，然后进行双级时效热处理提高锻件强度，最后对热处理后锻件进行机加，去除余量至所需尺寸。
对施加磁场的实施例1～3及无磁场的对比例1所述方案制备的镍基高温合金(GH4169)试样按照GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法进行力学性能测试，并按照GB/T 15749-2008定量金相测定方法对修复区Laves脆性相的体积分数进行测试，并对比了各修复方案的界面热影响区宽度，测试结果如表1所示：
表1实施例1～3及对比例1的力学性能、脆性相体积分数和热影响区宽度
测试样品 抗拉强度MPa 伸长率％ Laves相体积分数％ HAZ宽度μm
实施例1 1277 17 4.07 160
实施例2 1202 15 4.21 175
实施例3 1148 11 4.38 225
对比例1 1217 8 6.03 200
锻件标准 ≥1280 ≥12 / /
由表1测量结果可知，对比实施例1和对比例1，相同修复参数下，施加磁场的修复试样抗拉强度略微提高，伸长率大幅提升，Laves相体积分数明显下降，热影响区宽度缩窄，表明磁场的加入，阻碍了Laves相的大量析出，更多的Nb元素进入到枝晶干中强化了基体，因此强度和塑性均提升，磁场带动电弧旋转，增大了电弧与基体表面的接触面积，热集中效应减弱，基体表面组织受热发生长大的倾向变小，修复锻件的力学性能更佳。对比实施例1、2、3可知，随着热输入的高，修复试样的力学性能逐渐恶化，Laves相体积分数也出现上升，热影响区宽度明显增加，表明较小的修复参数更合适锻件的修复。
由以上实施例可知，本发明提供了一种磁场作用下的CMT电弧修复镍基高温合金的组织调控方法及修复技术，在几乎不影响基体力学性能的前提下，解决了修复试样Laves相连续大量析出的问题，大幅改善合金的塑性，并对修复界面起到了一定程度的改善。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，选用CMT电弧为热源，对损伤的待修复锻件进行CMT电弧修复，所述待修复锻件为镍基高温合金锻件；其特征在于，在进行CMT电弧修复的过程中施加磁场，通过施加的磁场带动电弧旋转并搅拌熔池，以抑制大尺寸、长条状晶间Laves脆硬相生成；
所述的CMT电弧修复，包括以下步骤：
步骤1：对待修复锻件的待修复区域进行预处理；
步骤2：对预处理后的锻件进行CMT电弧修复；
步骤3：对修复后的锻件进行检测并加工至所需尺寸；
所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：设置磁场装置和加热装置，所述磁场装置为磁场线圈；将磁场线圈放置在待修复锻件上方，并将待修复锻件的待修复区域设置在磁场线圈的中心；
步骤2.2：通过加热装置对待修复锻件进行预热；
步骤2.3：测定预热后的待修复锻件的温度；
步骤2.4：连接电源，在放置的磁场线圈内通入电流，带动电弧旋转并搅拌熔池；
步骤2.5：逐层增加焊枪的移动速度，对损伤的锻件进行逐层沉积修复。
2.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.4中，通入磁场线圈的三相交流电电流值为10-20A、频率为50-80Hz、线圈中心所产生的旋转磁场强度峰值为45-75Gs。
3.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.5中，对损伤的待修复锻件进行逐层沉积修复时的修复参数为：送丝速度WFS=3.5-5.0m/min，CMT非一元化调节起弧电流Iboost=240-300A，短路电流Iscwait=80-100A，短路电流持续时间tb=4.2-5.4ms，道间冷却间隔时间t=5-10s，搭接率40-50%；
在逐层沉积修复操作时，第一层修复时的焊枪移动速度为4.8-5.4m/min，从第一层之后开始至第五层，焊枪移动速度逐层增加0.2-0.4m/min，从第五层开始焊枪移动速度保持不变。
4.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，步骤2.1中的所述磁场线圈的内径为400mm，线圈高度为400mm。
5.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.5中，待修复锻件到磁场线圈的距离不低于20mm，修复完成后的待修复锻件的顶部不超过磁场线圈的最高点。
6.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.5中，在对待修复锻件进行CMT电弧修复的过程中，焊枪高度始终保持在位于焊丝尖端距锻件表面10mm处。
7.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.1中，设置保护箱，将磁场装置、待修复锻件和加热装置放入保护箱中，在保护箱中持续通入Ar气，使得保护箱中氧分压低于100ppm，然后再进行后续操作。
8.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.2中，通过加热装置将待修复锻件预热至150~200℃。
9.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤3中，对CMT电弧修复后的锻件进行超声探伤检测，直到修复操作界面处无缺陷，然后进行双级时效热处理，对双级时效热处理后的待修复锻件进行机械加工，去除余量至所需尺寸，得到成品修复锻件。
10.如权利要求9所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述双级时效热处理的操作为：先以720℃对待修复锻件保温8h，再以50℃/h的冷却速度冷却至620℃，最后保温8h后空气冷却。
11.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，步骤1中所述的预处理采用机械打磨处理，通过机械打磨处理损伤的待修复锻件的损伤部位后，还需用无水乙醇清洗断口表面。
12.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，步骤1中所述的预处理采用线切割处理操作，通过线切割切除损伤的待修复锻件的损伤部位后，再使用超声清洗线切割面的油污并打磨露出金属光泽。
13.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.2中，对锻件进行预热的加热装置为平板加热台。
14.如权利要求1所述的一种CMT电弧修复镍基高温合金的修复方法，其特征在于，所述步骤2.3中，对预热后锻件温度进行测量的位置为待修复锻件表面。
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