CN114632990B

CN114632990B - 一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺

Info

Publication number: CN114632990B
Application number: CN202210253534.XA
Authority: CN
Inventors: 章林; 喻颜康; 刘烨; 王天剑; 高振桓; 李清松; 陈旭; 曲选辉; 秦明礼; 陈刚; 张百成
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Xiangtan University
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Xiangtan University
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: CN114632990A

Abstract

本发明属于燃气轮机叶片修复的研究领域，特别提供了一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺，该工艺将镍基多主元合金粉末作为骨架保持固态，以黏结流体为载体将含Zr的低熔点粉末熔化后流动并填充骨架空隙，使液相溶解的骨架和高温合金叶片基材的表层熔化完成连接，再通过热处理使组织逐渐均匀化，最终完成对高温合金叶片的缺陷修复。本发明的有益效果是：采用上述方法修复后的修复层与基体结合牢固，修复区域孔隙少，且有害相含量较少，对力学性能影响较少，且提供的修复材料和工艺适用性广、灵活性强，可以根据叶片缺陷或破损处的尺寸和形状任意调节优化，以达到高效修复重型燃气轮机叶片的目的。

Description

一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺

技术领域

本发明属于燃气轮机叶片修复的研究领域，特别提供了一种适用于用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺。

背景技术

Mar-M247高温合金具有良好的高温强度和抗氧化抗腐蚀性能，优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性，在近几十年来被广泛用来制造重型燃气轮机高温叶片等热端部件。重型燃气轮机高温叶片在长期受磨损、冲击、高温燃气及冷热疲劳等作用，易产生腐蚀、裂纹、变形和凹坑缺陷，而燃气轮机叶片制造工序复杂繁重，且制备叶片原材料价格昂贵，使重新制造燃气轮机叶片的成本高昂。因此，若能够采用修复技术对缺陷和损伤部位进行修复，从而恢复其性能，延长其使用寿命，具有巨大的经济效益。

重型燃气轮机高温叶片的修复工艺主要有焊接法和瞬时液相连接修复法。由于Mar-M247合金中合金元素较多、析出相含量高，使用焊接法修复时在焊缝和热影响区容易产生热裂纹，故合金的焊接性较差，传统修复难度较大。而瞬时液相连接法(Transientliquid phase bonding, TLP)使用中间层在保温过程中熔化并润湿填充叶片需修复处表面。在与母材接触的过程中，中层层液相将部分母材熔化完成连接，最后通过等温凝固使液相消失，修复区域组织逐渐均匀化而完成修复过程。瞬时液相连接技术综合了高温钎焊的工艺简便和固态扩散连接的高强度优点，可同时连接多个工件、多个焊缝，效率高且成本低。

然而，瞬态液相连接修复的过程中，为保证在较低的温度中间层可以完全液相，必须添加较多的降熔元素，即中间层和母材在元素组成和微观组织下存在较大的差异。如在中间层材料中增加锆元素可以有效的降低其熔点，且合金中添加适量锆元素不仅可以提高晶界结合力而强化晶界，还可以通过进入γ′相提升合金的高温强度。但为了满足降熔要求，中间层材料中必须加入较多的锆元素，而过多的锆元素引入对修复区域组织有不利的影响。尽管通过扩散可以使中间层和附近的母材元素均匀化，但是仍然不可避免会诱发γ+γ′相的共晶组织和Ni₅Zr、Ni₇Zr₂金属间化合物相在修复区内部和修复区/基体界面处生成，导致修复后的叶片性能下降。

发明内容

本发明公开了一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺，该工艺将镍基多主元合金粉末作为骨架保持固态，以黏结流体为载体将含Zr的低熔点粉末熔化后流动并填充到所述骨架的空隙中，使液相溶解的骨架和Mar-M247高温合金叶片的基材的表层熔化完成连接，再通过热处理使组织逐渐均匀化，最终完成对Mar-M247高温合金叶片的缺陷修复。

进一步，所述工艺具体包括以下步骤：

S1）分别配置镍基多主元合金粉末和含Zr的低熔点粉末，并混合，得到混合粉末；

S2）配置黏结流体，并加入混合粉末中，搅拌后到胶凝态修复剂；

S3)将S2)得到胶凝态修复剂涂覆于高温合金叶片的待修复处，并置于真空炉中，经过等温凝固固化和高温扩散处理，及完成缺陷修复。

进一步，所述含Zr的低熔点粉末和镍基多主元合金粉末的质量比为0.1-0.3:1。

进一步，所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：8-25at.%Cr、8-25at.%Co、8-20at.%Al、1-10at.%W、1-8at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述含Zr的低熔点粉末中的各个成分质量百分数为：3-15wt.%Cr、5-15wt.%Co、2-10wt.%Al、2-8wt.%Ti、3-15wt.%Zr，余量为Ni和不可避免的杂质。

进一步，所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：10-20at.%Cr、10-20at.%Co、10-15at.%Al、1-6at.%W、2-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述含Zr的低熔点粉末中的各个成分质量百分数为：4-12wt.%Cr、7-12wt.%Co、2-5wt.%Al、2-6wt.%Ti、3-13wt.%Zr，余量为Ni和不可避免的杂质。

进一步，所述黏结流体的各个组分的质量百分数为：0.5-4wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.% 聚丙烯酰胺、0.1-1wt.% 硬脂酸、0.1-1wt.% 三乙醇胺、30-45wt.%丙醇和余量为乙醇。

进一步，所述热处理的工艺具体为：在真空度为先10^-4Pa下，先以5℃/min升温至400-500℃保温1-3小时，再以10℃/min升温至1000-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却至700-900℃后通氩气快冷至室温。

进一步，所述镍基多主元合金粉末为粒径53~106μm ，所述含Zr的低熔点粉末的粒径为8-20μm；

溶剂为酒精，保护气氛为氩气，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在20-60转/分钟的转速下混合2-12小时。

进一步，所述S2）中混合粉末和黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟。

进一步，所述修复后的Mar-M247高温合金叶片的修复区的孔隙率<0.5%，连接接头部与母材合金之间的强度比≥65%。

本发明通过合理的成分设计，多主元合金粉末在修复过程中不发生熔化，成为修复区域的填充骨架。多主元设计可以在一定程度上降低粉末组元A和B之间的合金元素扩散速度，延缓液相的凝固动力学过程，从而保证在尽量少添加降熔元素的前提下完成修复过程，最终获得有害相少、近乎全致密的修复区域。两种修复金属中均未添加Ta，同时加入了一定的Ti，可以抑制镍锆金属间化合物的析出。使用粉末冶金法修复涡轮叶片可以有效改善瞬时液相链接法的缺陷。在粉末冶金法修复涡轮叶片的过程中，使用一部分高熔点粉末作为骨架保持固态，而另一部分低熔点粉末熔化、流动并填充骨架空隙，液相溶解骨架和基材的表层熔化完成连接，再通过等温凝固固化和高温扩散组织逐渐均匀化而完成修复过程。由于在修复过程中只使用部分低熔点粉末为修复原料，故粉末冶金法修复涡轮叶片既可以降低修复成本，又可以有效降低有害相的生成，以获得较高的修复后强度。

在粉末冶金法修复涡轮叶片的过程中，低熔点粉末中锆元素的添加可以确保在修复过程中液相的出现。但若粉末原料的成分设计不当会使降熔元素在修复过程中迅速流失，在未完成填充过程时就发生等温凝固，最终修复区域孔隙过多而造成修复失败。故通过合理的修复粉末成分设计，以在不增加修复区域有害相的前提下保证液相能存在足够时间、完成填充过程至关重要。

高熵（多主元）合金在近年来的发展为申请人在粉末冶金法修复Mar-M247高温合金涡轮叶片提供了新的思路。由三种或者三种以上的金属元素通过等摩尔比或近等摩尔比组合而成的高熵合金由于其极具潜力的结构和功能应用受到了各行业的广泛关注。特别是多主元特性及严重的晶格畸变造成高熵合金的扩散需要同时克服多个组元的协同扩散及晶格畸变引起的阻力。因此相较于传统单一主元合金，高熵合金有效扩散速率将会大大降低。使用镍基多主元合金粉末作为粉末冶金法修复涡轮叶片中的高熔点组元粉末，通过合理的成分设计延缓液相中低熔点元素的扩散、增加液相的流动时间，以降低修复过程中降熔元素的引用，并有效抑制修复区域有害相的析出、提升修复叶片力学性能。

Mar-M247是镍基高温合金的牌号，其各个组分的质量百分比为：0.15wt.%C、8.0wt.%Cr、0.6 wt.%Mo、1 wt.%Ti、10.0wt.%Co、10.0 wt.% W、3.0wt.%Ta、5.5wt.%Al、1.5wt.%Hf 、0.015wt.%B、0.03 wt.%Zr，余量为Ni。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明为Mar-M247材料的燃气轮机叶片表面修复提供了一种新工艺，为叶片的近、等强修复提供了一种新思路。

2、本发明中修复层与基体结合牢固性，修复区域孔隙少，且有害相含量较少，对力学性能影响较少。

3、本发明提供的修复材料和工艺适用性广、灵活性强，可以根据叶片缺陷或破损处的尺寸和形状任意调节优化，以达到高效修复重型燃气轮机叶片的目的。

附图说明

图1为本发明一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺的流程框图。

图2为采用本发明的修复工艺修复后的修复区显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺，该工艺将镍基多主元合金粉末作为骨架保持固态，以黏结流体为载体将含Zr的低熔点粉末熔化后流动并填充到所述骨架的空隙中，使液相溶解的骨架和Mar-M247高温合金叶片的基材的表层熔化完成连接，再通过热处理使组织逐渐均匀化，最终完成对Mar-M247高温合金叶片的缺陷修复。

所述工艺具体包括以下步骤：

所述含Zr的低熔点粉末和镍基多主元合金粉末的质量比为0.1-0.3:1。

所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：8-25at.%Cr、8-25at.%Co、8-20at.%Al、1-10at.%W、1-8at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：10-20at.%Cr、10-20at.%Co、10-15at.%Al、1-6at.%W、2-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述黏结流体的各个组分的质量百分数为：0.5-4wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.% 聚丙烯酰胺、0.1-1wt.% 硬脂酸、0.1-1wt.% 三乙醇胺、30-45wt.%丙醇和余量为乙醇。

所述热处理的工艺具体为：在真空度为先10^-4Pa下，先以5℃/min升温至400-500℃保温1-3小时，再以10℃/min升温至1000-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却至700-900℃后通氩气快冷至室温。

所述镍基多主元合金粉末为粒径53~106μm ，所述含Zr的低熔点粉末的粒径为8-20μm；

所述S2）中混合粉末和黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟。

所述修复后的Mar-M247高温合金叶片的修复区的孔隙率<0.5%，连接接头部与母材合金之间的强度比≥65%。

实施例1：

将成分为Ni-4wt.%Cr-7wt.%Co-2.5wt.%Al-6wt.%Ti-15wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-1at.%W-6at.%Ti的粉末B以质量比为0.1:1混合后溶于适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在60转/分钟的转速下混合12小时。将成分配比为0.5wt.%PVP、0.5wt.%PAM、0.1wt.%SA、0.1wt.%TEOA、40wt.%丙醇和余量乙醇的黏结流体加入混合粉末中搅拌3分钟得到修复剂，其中修复剂中混合粉末与黏结流体的质量比为5:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空度在10^-4Pa的真空炉中，先以5℃/min升温至500℃保温1小时，再以10℃/min升温至1120℃保温3小时，随炉温冷却至900℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，如图2所示的修复区显微组织图，可以看出修复区域的晶界干净，无明显的组织不均匀现象，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为529MPa，达到母材强度的65%以上。

实施例2：

将成分为Ni-7wt.%Cr-9wt.%Co-3.5wt.%Al-5wt.%Ti-12wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-18at.%Cr-20at.%Co-18at.%Al-4at.%W-5at.%Ti的粉末B以质量比为0.15:1混合后溶于适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在60转/分钟的转速下混合4小时。将成分配比为2wt.%PVP、2.5wt.%PAM、0.3wt.%SA、0.4wt.%TEOA、45wt.%丙醇和余量乙醇的黏结流体加入混合粉末中搅拌10分钟得到修复剂，其中修复剂中混合粉末与黏结流体的质量比为9:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空度在10^-4Pa的真空炉中，先以5℃/min升温至450℃保温2小时，再以10℃/min升温至1180℃保温3小时，随炉温冷却至850℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为540MPa，达到母材强度的65%以上。

实施例3：

将成分为Ni-10wt.%Cr-10wt.%Co-4wt.%Al-4wt.%Ti-8wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-15at.%Cr-18at.%Co-15at.%Al-5at.%W-4at.%Ti的粉末B以质量比为0.2:1混合后溶于适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在40转/分钟的转速下混合6小时。将成分配比为3wt.%PVP、3wt.%PAM、0.6wt.%SA、0.8wt.%TEOA、35wt.%丙醇和余量乙醇的黏结流体加入混合粉末中搅拌15分钟得到修复剂，其中修复剂中混合粉末与黏结流体的质量比为12:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空度在10^-4Pa的真空炉中，先以5℃/min升温至400℃保温3小时，再以10℃/min升温至1200℃保温2小时，随炉温冷却至800℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为542MPa，达到母材强度的65%以上。

实施例4：

将成分为Ni-12wt.%Cr-12wt.%Co-5wt.%Al-3wt.%Ti-6wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-18at.%Cr-18at.%Co-14at.%Al-8at.%W-3at.%Ti的粉末B以质量比为0.3:1混合后溶于适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在20转/分钟的转速下混合12小时。将成分配比为4wt.%PVP、3.6wt.%PAM、1wt.%SA、1wt.%TEOA、30wt.%丙醇和余量乙醇的黏结流体加入混合粉末中搅拌30分钟得到修复剂，其中修复剂中混合粉末与黏结流体的质量比为20:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空度在10^-4Pa的真空炉中，先以5℃/min升温至400℃保温2小时，再以10℃/min升温至1250℃保温3小时，随炉温冷却至700℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为539MPa，达到母材强度的65%以上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于高温合金叶片缺陷修复的修复工艺，该工艺将镍基多主元合金粉末作为骨架保持固态，以黏结流体为载体将含Zr的低熔点粉末熔化后流动并填充到所述骨架的空隙中，使液相溶解的骨架和Mar-M247高温合金叶片的基材的表层熔化完成连接，再通过热处理使组织逐渐均匀化，最终完成对Mar-M247高温合金叶片的缺陷修复；其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：

S1)分别配置镍基多主元合金粉末和含Zr的低熔点粉末，并混合，得到混合粉末；

所述含Zr的低熔点粉末和镍基多主元合金粉末的质量比为0.1-0.3:1；

所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：8-25at.％Cr、8-25at.％Co、8-20at.％Al、1-10at.％W、1-8at.％Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述含Zr的低熔点粉末中的各个成分质量百分数为：3-15wt.％Cr、5-15wt.％Co、2-10wt.％Al、2-8wt.％Ti、3-15wt.％Zr，余量为Ni和不可避免的杂质；

S2)配置黏结流体，并加入混合粉末中，搅拌后得到胶凝态修复剂；

所述混合粉末和黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟；

所述黏结流体的各个组分的质量百分数为：0.5-4wt.％聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.％聚丙烯酰胺、0.1-1wt.％硬脂酸、0.1-1wt.％三乙醇胺、30-45wt.％丙醇和余量为乙醇；

S3)将S2)得到的胶凝态修复剂涂覆于高温合金叶片的待修复处，并置于真空炉中，经过等温凝固固化和高温扩散处理，即完成缺陷修复；

所述热处理的工艺具体为：在真空度为10^-4Pa下，先以5℃/min升温至400-500℃保温1-3小时，再以10℃/min升温至1000-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却至700-900℃后通氩气快冷至室温。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述镍基多主元合金粉末中的各个组分的原子百分数为：10-20at.％Cr、10-20at.％Co、10-15at.％Al、1-6at.％W、2-6at.％Ti，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述含Zr的低熔点粉末中的各个成分质量百分数为：4-12wt.％Cr、7-12wt.％Co、2-5wt.％Al、2-6wt.％Ti、3-13wt.％Zr，余量为Ni和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述镍基多主元合金粉末为粒径53～106μm，所述含Zr的低熔点粉末的粒径为8-20μm；

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述修复后的高温合金叶片的修复区的孔隙率<0.5％，连接接头部与高温合金叶片的母材合金之间的强度比≥65％。