CN114632991A - 一种基于粉末冶金工艺修复燃气燃气轮机叶片的修复工艺 - Google Patents
一种基于粉末冶金工艺修复燃气燃气轮机叶片的修复工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于燃气轮机叶片修复的研究领域，特别提供了一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺，该工艺将多主元合金的金属粉末作为骨架保持固态，再将含Hf低熔点的金属粉末熔化后流动并填充骨架空隙，使液相溶解的骨架和燃气轮机叶片的基材表层熔化完成连接，再通过热处理使组织逐渐均匀化，最终完成对燃气轮机叶片的修复。本发明的有益效果是，该修复工艺修复后的镍基高温合金的修复层与基体结合牢固，其中微观组织有害相含量较少，对力学性能影响较少，为Inconel738LC高温镍基制燃气轮机涡轮叶片和燃气轮机叶片提供了新的思路，具有工艺适用性广、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等优点。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机叶片修复的研究领域，特别提供了一种基于粉末冶金工艺修复燃气燃气轮机叶片的修复工艺。
背景技术
Inconel738LC高温合金具有优异的室温及高温力学性能，良好的组织稳定性、抗腐蚀性和抗氧化性，因此被广泛应用于制备燃气轮机的长寿涡轮工作叶片和导向叶片。在服役过程中，Inconel738LC高温叶片在长期受磨损、冲击及冷热疲劳等作用，易产生腐蚀、裂纹、变形和凹坑缺陷，容易成为重大事故的隐患。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常规的修复工艺为熔焊、钎焊、扩散焊以及瞬时液相连接修复工艺。熔焊是一种通过将焊丝和工件的待修复区共同加热至熔化态，后依靠熔化来进行材料连接的工艺。此类工艺热源温度高，且热量集中，操作较为简单，但由于Inconel738LC高温合金含有较高含量的Al、Ti元素，而较高的Al、Ti会导致修复时γ＇相沉淀析出加快，一方面形成沉淀强化，另一方面则会增大微裂纹产生的可能性。钎焊是通过采用熔点比母材低的钎料，将钎料与母材共同加热至高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用钎料金属的熔化和流动填充接头缝隙，与母材相互扩散从而实现连接的焊接工艺，但由于钎料与基材在成分上有很大不同，且在冷却过程中形成脆性的共晶相，从而导致接头强度、抗热腐蚀性及抗氧化性降低。扩散焊是一种利用固相扩散来进行连接修复的技术，原理是通过利用相互接触的材料表面的两种固相原子，在高温高压的作用下进行相互扩散，在界面处形成新的扩散层，从而实现可靠连接，但扩散焊成本较高，所需时间较长，可修复缺陷尺寸有限。而瞬时液相连接法(Transient liquid 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化，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铪元素可以有效的降低其熔点，且合金中添加适量铪元素可以有效提升其力学性能。但为了满足降熔要求，中间层材料中必须加入较多的铪元素，而过多的铪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Ni7Hf2金属间化合物相在修复区和修复界面处生成，导致修复后的叶片性能下降。与此同时，铪的价格昂贵，过多的使用将会极大的提高修复成本。
发明内容
本发明公开了一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。
为达到上述目的本发明采用的技术方案是：一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺，该工艺将多主元合金的金属粉末作为骨架保持固态，再将含Hf低熔点的金属粉末熔化后流动并填充骨架空隙，使液相溶解的骨架和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，最终完成对燃气轮机叶片的修复。
进一步，所述工艺具体包括以下步骤：
S1）分别配置混合金属粉末和黏结流体；
S2）将S1）得到混合金属粉末和黏结流体混合后得到胶凝态修复剂；
S3)将S2)得到胶凝态修复剂涂覆于Inconel738LC镍基高温合金的燃气轮机叶片需要修复处，并置于真空炉中经过再通过等温凝固固化和高温扩散处理完成修复。
进一步，所述S1）的具体步骤为：
S1.1）分别称取并配置含Hf低熔点粉末和多主元合金金属粉末，加入溶剂中，在保护气氛下，以20-60转/分钟的转速下混合2-12小时得到混合金属粉末；
S1.2)将乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮和硬脂酸混合后得到黏结流体；
S1.3）将S1.1）得到混合金属粉末加入到S1.2）得到黏结流体中搅拌，混合搅拌时间为3-30分钟，得到的胶凝态修复剂。
进一步，所述S1.1）中的溶剂为酒精，保护气氛为氩气；
S1.2）中的黏结流体的成分配比为：1-8wt.% 聚醋酸乙烯、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量乙醇。
进一步，所述含Hf低熔点粉末和多主元合金金属粉末的质量混合粉末与黏结流体比为(0.1-0.3):1；
所述混合金属粉末和黏结流体的质量比为(5-20):1。
进一步，所述含Hf低熔点粉末中各个组分的质量百分数为： 6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、0.5-4wt.%Ta、0.5-4wt.%Nb、6-2wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
多主元合金金属粉末中各组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%Mo、0.5-5at.%Ta、0.5-4at.%Nb、0.5-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步，所述含Hf低熔点粉末中各个组分的质量百分数为： 8-16wt%、Cr：4-6wt%、Co：1-3wt%、Al：1-3wt%.Ti：1-3wt%.W：1-2wt%.Mo：1-2wt%、Ta：1-2wt%、Nb：12-20%wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
多主元合金金属粉末中各组分的原子百分数为： 10-20at.%Cr、10-20at.%Co、3-10at.%Al、1-5at.%W、1-5at.%Mo、(1-4at.%Ta、1-2at.%Nb、1-5at.%Ti余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步，所述含Hf低熔点粉末的粒径小于20μm，多主元合金的金属粉末的粒径为53~106μm。
进一步，所述S3）的热处理的工艺为：先在400-500℃保温1-3小时，再升温至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，所述修复后的镍基高温合金的修复区的孔隙率<0.5%，连接接头部与母材合金之间的强度比≥65%。
本发明一种修复镍基高温合金的粉末冶金工艺能够用于修复Inconel738LC制燃气轮机涡轮叶片。
所述Inconel738LC是镍基高温合金的牌号，其各个组分的质量百分比为：0.11C、15.84Cr、8.5Co、2.48W、1.88Mo、0.07Fe、0.92Nb、3.46Al、3.4Ti、1.69Ta、0.001S、0.04Zr、0.012B、余量为Ni。
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使组织逐渐均匀化，从而完成修复过程。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，低熔点粉末中铪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Inconel738LC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。使用高熵合金粉末作为粉末冶金法修复涡轮叶片中的高熔点多组元粉末，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。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明中修复剂形成的修复层与燃气轮机叶片的基体结合牢固性能大幅度提高，其中微观组织有害相含量较少，对力学性能影响较少。修复区孔隙率＜0.5%，修复区强度≥65%母材强度。
2、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为本发明一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺，该工艺将多主元合金的金属粉末作为骨架保持固态，再将含Hf低熔点的金属粉末熔化后流动并填充骨架空隙，使液相溶解的骨架和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，最终完成对燃气轮机叶片（Inconel738LC镍基高温合金）的修复。
所述工艺具体包括以下步骤：
S1）分别配置混合金属粉末和黏结流体；
S2）将S1）得到混合金属粉末和黏结流体混合后得到胶凝态修复剂；
S3)将S2)得到胶凝态修复剂涂覆于燃气轮机叶片需要修复处，并置于真空炉中经过再通过等温凝固固化和高温扩散处理完成修复。
所述S1）的具体步骤为：
S1.1）分别称取并配置含Hf低熔点粉末和多主元合金的金属粉末加入溶剂中，在保护气氛下，以20-60转/分钟的转速下混合2-12小时得到混合金属粉末；
S1.2)将乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮和硬脂酸混合后得到黏结流体；
S1.3）将S1.1）得到混合金属粉末加入到S1.2）得到黏结流体中搅拌，得到的胶凝态修复剂。
所述S1.1）中的溶剂为酒精，保护气氛为氩气；
S1.2）中的黏结流体的成分配比为：1-8wt.% 聚醋酸乙烯、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量乙醇；
S1.3）中混合粉末与黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间约为3-30分钟。
所述含Hf低熔点粉末的各个组分的质量百分数为： 6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、0.5-4wt.%Ta、0.5-4wt.%Nb、6-2wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
多主元合金的金属粉末的各组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%Mo、0.5-5at.%Ta、0.5-4at.%Nb、0.5-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。
6.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述含Hf低熔点粉末的各个组分的质量百分数为：8-16wt%、Cr：4-6wt%、Co：1-3wt%、Al：1-3wt%.Ti：1-3wt%.W：1-2wt%.Mo：1-2wt%、Ta：1-2wt%和Nb：12-20%wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
多主元合金的金属粉末的各组分的原子百分数为： 10-20at.%Cr、10-20at.%Co、3-10at.%Al、1-5at.%W、1-5at.%Mo、(1-4at.%Ta、1-2at.%Nb、1-5at.%Ti余量为Ni和不可避免的杂质。
所述含Hf低熔点粉末的粒径小于20μm，多主元合金的金属粉末的粒径为53~106μm。
所述S3）的热处理的工艺为：先在400-500℃保温1-3小时，再升温至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。
所述修复后的镍基高温合金的修复区的孔隙率<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-6wt.%Cr-3wt.%Co-1wt.%Al-1wt.%Ti-0.5wt.%W-0.5wt.%
Mo-0.5wt.%Ta-0.5wt.%Nb-25wt.%Hf的含Hf低熔点粉末和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-5at.%W-5at.%Mo-5at.%Ta-2at.%Nb-5at.%Ti的多主元合金的金属粉末以质量比为0.1:1混合后加入适量酒精，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8小时。将成分配比为8wt.%PVP、1wt.%SA、45wt.%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Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先在400℃保温2小时，再升温至1230℃保温3小时，随炉温冷却到900℃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683MPa，达到母材强度的65%以上。
实施例2：
将成分为Ni-10wt.%Cr-4.8wt.%Co-2wt.%Al-2wt.%Ti-1wt.%W-1wt.%
Mo-1wt.%Ta-1wt.%Nb-20wt.%Hf的含Hf低熔点粉末和成分为Ni-18at.%Cr-18at.%Co-18at.%Al-3at.%W-3at.%Mo-3at.%Ta-1.2at.%Nb-3at.%Ti的多主元合金的金属粉末以质量比为0.15:1混合后加入适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在50转/分钟的转速下混合6小时。将成分配比为6wt.%PVP、0.8wt.%SA、40wt.%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15:1。将修复剂涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先在450℃保温1.5小时，再升温至1200℃保温2小时，随炉温冷却到860℃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679MPa，达到母材强度的65%以上。
实施例3：
将成分为Ni-12wt.%Cr-6wt.%Co-3wt.%Al-3wt.%Ti-2wt.%W-1.5wt.%Mo-
1.5wt.%Ta-1.5wt.%Nb-15wt.%Hf的含Hf低熔点粉末和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-2at.%W-2at.%Mo-2at.%Ta-0.8at.%Nb-2at.%Ti的多主元合金的金属粉末以质量比为0.2:1混合后加入适量酒精，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4小时。将成分配比为4wt.%PVP、0.2wt.%SA、40wt.%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10:1。将修复剂涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先在450℃保温3小时，再升温至1180℃保温2小时，随炉温冷却到840℃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681MPa，达到母材强度的65%以上。
实施例4：
将成分为Ni-16wt.%Cr-8wt.%Co-8wt.%Al-6wt.%Ti-2.6wt.%W-2wt.%Mo-
2wt.%Ta-2wt.%Nb-10wt.%Hf的含Hf低熔点粉末和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-1at.%W-1at.%Mo-1at.%Ta-0.4at.%Nb-1at.%Ti的多主元合金的金属粉末以质量比为0.3:1混合后加入适量酒精，以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在30转/分钟的转速下混合2小时。将成分配比为1wt.%PVP、0.1wt.%SA、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。将浆料涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先在500℃保温2小时，再升温至1150℃保温1小时，随炉温冷却到780℃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669MPa，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 (10)
1.一种基于粉末冶金工艺修复燃气轮机叶片的修复工艺，其特征在于，该修复工艺将多主元合金金属粉末作为骨架保持固态，再将含Hf低熔点的金属粉末熔化后流动并填充所述骨架中的空隙里，使含Hf低熔点的金属粉末的液相溶解的骨架和Inconel738LC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Inconel738LC高温合金的燃气轮机叶片的修复。
2.根据权利要求1所述的修复工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：
S1）分别配置混合金属粉末和黏结流体；
S2）将S1）得到混合金属粉末和黏结流体混合后得到胶凝态修复剂；
S3）将S2)得到胶凝态修复剂涂覆于燃气轮机叶片的需要修复处，并置于真空炉中，再通过等温凝固固化和高温扩散处理完成修复。
3.根据权利要求2所述的修复工艺，其特征在于，所述S1）的具体步骤为：
S1.1）分别称取并配置含Hf低熔点粉末和多主元合金金属粉末加入溶剂中，在保护气氛下，以20-60转/分钟的转速下混合2-12小时得到混合金属粉末；
S1.2)将乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮和硬脂酸混合后得到黏结流体；
S1.3）将S1.1）得到混合金属粉末加入到S1.2）得到黏结流体中搅拌，混合搅拌时间为3-30分钟，得到的胶凝态修复剂。
4.根据权利要求3所述的修复工艺，其特征在于，所述S1.1）中的溶剂为酒精，保护气氛为氩气；
S1.2）中的黏结流体的成分配比为：1-8wt.% 聚醋酸乙烯、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量乙醇。
5.根据权利要求4所述的修复工艺，其特征在于，所述含Hf低熔点粉末和多主元合金金属粉末的质量混合粉末与黏结流体比为(0.1-0.3):1；
所述混合金属粉末和黏结流体的质量比为(5-20):1。
6.根据权利要求3所述的修复工艺，其特征在于，所述含Hf低熔点粉末中各个组分的质量百分数为：6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、0.5-4wt.%Ta、0.5-4wt.%Nb、6-2wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金金属粉末中各组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%、Mo、0.5-5at.%Ta、0.5-4at.%Nb、0.5-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。
7.根据权利要求3所述的修复工艺，其特征在于，所述含Hf低熔点粉末中各个组分的质量百分数为： 8-16wt%、Cr：4-6wt%、Co：1-3wt%、Al：1-3wt%.Ti：1-3wt%.W：1-2wt%.Mo：1-2wt%、Ta：1-2wt%、Nb：12-20%wt.%Hf，余量为Ni和不可避免的杂质；
多主元合金金属粉末中各组分的原子百分数为： Cr ：10-20at.%、Co :10-20at.%、Al:3-10at.%、W： 1-5at.%、Mo：1-5at.%、Ta ：1-4at.%、Nb: 1-2at.%、Ti：1-5at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。
8.根据权利要求6或7所述的修复工艺，其特征在于，所述含Hf低熔点粉末的粒径小于20μm，多主元合金的金属粉末的粒径为53~106μm。
9.根据权利要求2所述的修复工艺，其特征在于，所述S3）的热处理的工艺为：先加热至400-500℃保温1-3小时，再升温至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。
10.根据权利要求2所述的修复工艺，其特征在于，所述修复后的燃气轮机叶片的修复区的孔隙率<0.5%，连接接头部与燃气轮机叶片的母材合金之间的强度比≥65%。
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| CN202210253551.3A CN114632991A (zh) | 2022-03-15 | 2022-03-15 | 一种基于粉末冶金工艺修复燃气燃气轮机叶片的修复工艺 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPH1177293A (ja) * | 1997-09-10 | 1999-03-23 | Hitachi Ltd | 割れ補修方法 |
| CN102021564A (zh) * | 2009-09-17 | 2011-04-20 | 沈阳大陆激光技术有限公司 | 一种激光熔覆用防腐涂层镍基合金粉末 |
-
2022
- 2022-03-15 CN CN202210253551.3A patent/CN114632991A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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