CN114669820A - 一种高温合金叶片用的修复剂及修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于镍基高温合金叶片修复的研究领域，涉及一种高温合金叶片的修复剂及修复工艺，该修复剂包括：质量比为：5‑20:1的含B混合粉体和黏结流体，混合粉体包括质量比为：0.1‑0.3:1的含B低熔点粉末和多主元合金粉末；将修复剂涂覆于高温合金叶片的修复处，置于真空炉中经过热处理完成修复过程。本发明的修复剂不仅能够提高修复层与的高温合金叶片基体结合牢固性，同时修复区孔隙少、不含有尺寸大于1微米的有害相，对力学性能影响较少，可以实现近等强甚至等强修复，具有成本较低、适用性广、灵活性强，还可根据叶片缺陷或破损处的尺寸和形状任意调节优化，以达到高效修复高温合金的重型燃气轮机叶片的目的。
Description
技术领域
本发明属于镍基高温合金叶片修复的研究领域，特别涉及一种适用于Inconel738LC镍基高温合金用的高温合金叶片的修复剂及修复工艺。
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，容易酿成重大事故的隐患。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。
镍基重型燃气轮机高温叶片的修复方法常规的修复方法为熔焊、钎焊、扩散焊以及瞬时液相连接修复方法。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，从而进行材料连接的方法。此类方法热源温度高，且热量集中，操作较为简单，但由于需要满足高温强度性能要求，Inconel738LC中会添加多种合金元素，其中就包括较多的Al及Ti元素，较多的Al及Ti元素导致焊接时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，因此常规熔焊在叶片修复中具有很大的局限性，一般认为A1+Ti总量大于6at%便难进行熔化焊。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方法，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，但由于要处在高温高压环境下，扩散焊对焊接设备的要求较高，成本较大，且由于焊接原理为固相扩散，所需焊接时间较长、效率较低，可修复缺陷尺寸有限。
发明内容
本发明公开了一种适用于高温合金叶片用的修复剂及修复工艺，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：提供一种高温合金叶片的修复剂，所述修复剂包括：含B的混合粉体和黏结流体；且所述含B的混合粉体和黏结流体之间的质量比为 (5-20):1。
进一步，所述含B的混合粉体包括含B低熔点粉末和多主元合金粉末，且所述低熔点粉末和多主元合金粉末二者之间的质量比为 (0.1-0.3):1。
进一步，所述含B低熔点粉末中的各个组分的质量百分数为：Cr：6-18wt.%、Co：3-8wt.%，Al：1-8wt.%、Ti：1-8wt.%、W：0.5-5wt.%、Mo：0.5-4wt.%、Ta：5-4wt.%、Nb :0.5-4wt.%、B:2-6wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金粉末中各个组分的原子百分数为：Cr ：10-25at.%、Co 8-25at.%、Al：3-15at.% 、W：0.5-5at.% 、Mo：0.5-5at.%、Ta ：0.5-5at.%、Nb ：0.5-4at.% 、Ti ：0.5-6at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步，所述含B低熔点粉末中的各个组分的质量百分数为：Cr：8-16wt.% 、Co ：4-6wt.%、Al：1-3wt.%、Ti ：1-3wt.%、W：1-3wt.%、Mo ：1-2wt.%、Ta:1-2wt.% 、Nb :1-2wt.%、B：2-5wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金粉末中各个组分的原子百分数为：Cr：8-23at.%、Co ：10-22at.%、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。
进一步，所述含B低熔点粉末的粉末粒径为8-20μm，所述多主元合金粉末的粉末粒径为53-106μm。
进一步，所述黏结流体的各个组分质量百分数为：0.5-5wt.%PVP、0.5-5wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇，余量为乙醇。
本发明的另一目的提供一种采用上述的修复剂修复高温合金叶片的工艺，所述工艺具体包括以下步骤：
S1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，并将含B低熔点粉末和多主元合金粉末混合均匀，得到混合粉末，备用；
S2）制备具有流动性的黏结流体；
S3）将S1）混合粉末与S2)得到黏结流体混合均匀，得到胶凝态的修复剂，将胶凝态修复剂涂覆于高温合金叶片（Inconel738LC高温合金）的待修复处，并置于真空炉中经过热处理，即完成修复。
进一步，所述S1)得到具体步骤为：
S1.1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，
S1.2）按照质量比为(0.1-0.3):1的含B低熔点粉末和多主元合金粉末溶解于酒精，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小时得到均匀混合粉末。
进一步，所述S3）的具体步骤为：
S3.1）将含B混合粉末与黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟，得到黏结流体和加入混合粉搅拌，得到胶凝态的修复剂，
S3.2）将涂覆有胶凝态修复剂的镍基高温合金叶片置于真空度为1×10-3Pa下，先加热至400-500℃，保温1-3小时；
再升温至1100-1220℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后，再通氩气快冷。
进一步，所述修复后的镍基高温合金叶的修复区的孔隙率＜0.5%，连接接头部与母材合金之间的强度比≥65%。
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。
本发明通过使用与母材组分类似但又不同高熵合金粉末作为粉末冶金法修复镍基重型燃气轮机高温叶片中的高熔点多主元粉末，通过合理的成分设计延缓液相中降熔元素的扩散、增加液相的流动时间，以避免修复过程中降熔元素的引入，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。
瞬时液相连接法(Transient liquid phase bonding, TLP)通过使用中间层在保温过程中熔化并润湿填充叶片需修复处。在与母材接触的过程中，中间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，通过低熔点的中间层与相接触的部分母材熔化，利用两者的相互扩散从而实现连接。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硼元素可以有效的降低其熔点，但过多的硼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含硼的共晶组织和过多的硼化物在修复区和修复界面处生成，导致修复后的叶片性能下降。
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可以有效降低含硼的共晶组织和过多的硼化物的生成，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，低熔点粉末中硼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。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明为Inconel738LC制燃气轮机叶片表面缺陷修复提供了一种新型修复材料和修复工艺，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，其中修复区孔隙少、不含有尺寸大于1微米的有害相，对力学性能影响较少，可以实现近等强甚至等强修复。修复区孔隙率<0.5%，修复合金强度达到母材强度的65%以上。
3、本发明提供的修复材料和方法成本较低、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为本发明一种高温合金叶片用的修复剂及修复工艺的流程图。
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。
本发明一种适用于高温合金叶片的修复剂，所述修复剂包括：含B的混合粉体和黏结流体；且所述含B的混合粉体和黏结流体之间的质量比为 (5-20):1。
所述含B的混合粉体包括含B低熔点粉末和多主元合金粉末，且所述低熔点粉末和多主元合金粉末二者之间的质量比为 (0.1-0.3):1。
所述含B低熔点粉末中的各个组分的质量百分数为：Cr：6-18wt.%、Co：3-8wt.%，Al： 1-8wt.%、Ti：1-8wt.%、W：0.5-5wt.%、Mo：0.5-4wt.%、Ta：5-4wt.%、Nb :0.5-4wt.%、B:2-6wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金粉末中各个组分的原子百分数为：Cr ：10-25at.%、Co 8-25at.%、Al：3-15at.% 、W：0.5-5at.% 、Mo：0.5-5at.%、Ta ：0.5-5at.%、Nb ：0.5-4at.% 、Ti ：0.5-6at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。
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所述含B低熔点粉末的粉末粒径为8-20μm，所述多主元合金粉末的粉末粒径为53-106μm。
所述黏结流体的各个组分质量百分数为：0.5-5wt.%PVP、0.5-5wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇，余量为乙醇。
一种采用上述的修复剂修复Inconel738LC高温合金叶片的工艺，所述工艺具体包括以下步骤：
S1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，并将含B低熔点粉末和多主元合金粉末混合均匀，得到混合粉末，备用；
S2）制备具有流动性的黏结流体；
S3）将S1）混合粉末与S2)得到黏结流体混合均匀，得到胶凝态的修复剂，将胶凝态修复剂涂覆于镍基高温合金叶片的待修复处，并置于真空炉中经过热处理，即完成修复。
所述S1)得到具体步骤为：
S1.1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，
S1.2）按照质量比为(0.1-0.3):1的含B低熔点粉末和多主元合金粉末溶解于酒精，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小时得到均匀混合粉末。
所述S3）的具体步骤为：
S3.1）将含B混合粉末与黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟，得到黏结流体和加入混合粉搅拌，得到胶凝态的修复剂，
S3.2）将涂覆有胶凝态修复剂的镍基高温合金叶片置于真空度为1×10-3Pa下，先加热至400-500℃，保温1-3小时；
再升温至1100-1220℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后，再通氩气快冷。
所述修复后的镍基高温合金叶的修复区的孔隙率<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-8wt.%Cr-3wt.%Co-2wt.%Al-2wt.%Ti-0.5wt.%W-0.5wt.%Mo-0.5wt.%Ta-0.5wt.%Nb-2.2wt.%B的粉末A和成分为Ni-25at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-5at.%W-5at.%Mo-5at.%Ta-2at.%Nb-5at.%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40转/分钟的转速下混合4小时。将成分配比为5wt.%PVP、5wt.%PVAc、1wt.%SA、30wt.%丙醇和余量为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。将修复剂涂覆于经过适当处理的Inconel738LC制燃气轮机叶片损伤处然后将叶片置于真空炉中进行焊接热处理。热处理工艺为先在500℃保温3小时，再升温至1220℃保温2小时，随炉温冷却到900℃后通氩气快冷完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为723MPa，达到母材强度的70%。
实施例2：
将成分为Ni-11wt.%Cr-4.5wt.%Co-3.4wt.%Al-3.4wt.%Ti-2.6wt.%W-1.75wt.%Mo-1.75wt.%Ta-1.75wt.%Nb-2.8wt.%B的粉末A和成分为Ni-25at.%Cr-20at.%Co-15at.%Al-4at.%W-4at.%Mo-4at.%Ta-1.6at.%Nb-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50转/分钟的转速下混合2小时。将成分配比为3.5wt.%PVP、2wt.%PVAc、0.8wt.%SA、35wt.%丙醇和余量为乙醇的黏结流体加入混合粉末中搅拌20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。将修复剂涂覆于经过适当处理的Inconel738LC制燃气轮机叶片损伤处然后将叶片置于真空炉中焊接热处理。热处理工艺为先在480℃保温2小时，再升温至1180℃保温3小时，随炉温冷却到850℃后通氩气快冷完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为689MPa，达到母材强度的65%以上。
实施例3：
将成分为Ni-16wt.%Cr-6wt.%Co-4wt.%Al-4wt.%Ti-2wt.%W-1wt.%Mo-1wt.%Ta-1wt.%Nb-3.5wt.%B的粉末A和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-2at.%W-2at.%Mo-2at.%Ta-0.8at.%Nb-2at.%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40转/分钟的转速下混合8小时。将成分配比为2wt.%PVP、1wt.%PVAc、0.5wt.%SA、40wt.%丙醇和余量为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。将修复剂涂覆于经过适当处理的Inconel738LC制燃气轮机叶片损伤处然后将叶片置于真空炉中焊接热处理。热处理工艺为先在450℃保温2小时，再升温至1160℃保温2小时，随炉温冷却到800℃后通氩气快冷完成修复过程，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4：
将成分为Ni-18wt.%Cr-8wt.%Co-6wt.%Al-6wt.%Ti-4wt.%W-4wt.%Mo-4wt.%Ta-4wt.%Nb-4.6wt.%B的粉末A和成分为Ni-18at.%Cr-18at.%Co-15at.%Al-1at.%W-1at.%Mo-1at.%Ta-0.4at.%Nb-1at.%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20转/分钟的转速下混合12小时。将成分配比为0.5wt.%PVP、0.5wt.%PVAc、0.1wt.%SA、45wt.%丙醇和余量为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。将修复剂涂覆于经过适当处理的Inconel738LC制燃气轮机叶片损伤处然后将叶片置于真空炉中焊接热处理。热处理工艺为先在400℃保温1小时，再升温至1120℃保温3小时，随炉温冷却到750℃后通氩气快冷完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为685MPa，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)
1.一种高温合金叶片的修复剂，其特征在于，所述修复剂包括：含B的混合粉体和黏结流体；且所述含B的混合粉体和黏结流体之间的质量比为 (5-20):1。
2.根据权利要求1所述的修复剂，其特征在于，所述含B的混合粉体包括含B低熔点粉末和多主元合金粉末，且所述低熔点粉末和多主元合金粉末二者之间的质量比为 (0.1-0.3):1。
3.根据权利要求2所述的修复剂，其特征在于，所述含B低熔点粉末中的各个组分的质量百分数为：Cr：6-18wt.%、Co：3-8wt.%，Al： 1-8wt.%、Ti：1-8wt.%、W：0.5-5wt.%、Mo：0.5-4wt.%、Ta：5-4wt.%、Nb :0.5-4wt.%、B:2-6wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金粉末中各个组分的原子百分数为：Cr ：10-25at.%、Co 8-25at.% 、Al：3-15at.% 、W：0.5-5at.% 、Mo：0.5-5at.%、Ta ：0.5-5at.%、Nb ：0.5-4at.% 、Ti ：0.5-6at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。
4.根据权利要求2所述的修复剂，其特征在于，所述含B低熔点粉末中的各个组分的质量百分数为：Cr：8-16wt.% 、Co ：4-6wt.%、Al：1-3wt.%、Ti ：1-3wt.%、W：1-3wt.%、 Mo ：1-2wt.%、 Ta:1-2wt.% 、Nb :1-2wt.% 、B：2-5wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；
所述多主元合金粉末中各个组分的原子百分数为：Cr：8-23at.% 、Co ：10-22at.% 、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。
5.根据权利要求2所述的修复剂，其特征在于，所述含B低熔点粉末的粒径为8-20μm，所述多主元合金粉末的粒径为53-106μm。
6.根据权利要求1所述的修复剂，其特征在于，所述黏结流体的各个组分质量百分数为：0.5-5wt.%PVP、0.5-5wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇，余量为乙醇。
7.一种采用权利要求1-6任意一项所述的修复剂修复高温合金叶片的工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：
S1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，并将含B低熔点粉末和多主元合金粉末混合均匀，得到混合粉末，备用；
S2）制备具有流动性的黏结流体；
S3）将S1）混合粉末与S2)得到黏结流体混合均匀，得到胶凝态的修复剂，将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热处理，即完成修复。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述S1)得到具体步骤为：
S1.1）按照设计配比分别称取含B低熔点粉末和多主元合金粉末，
S1.2）按照质量比为(0.1-0.3):1的含B低熔点粉末和多主元合金粉末溶解于酒精，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小时得到均匀混合粉末。
9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述S3）的具体步骤为：
S3.1）将含B混合粉末与黏结流体的质量比为(5-20):1，混合搅拌时间为3-30分钟，得到黏结流体和加入混合粉搅拌，得到胶凝态的修复剂，
S3.2）将涂覆有胶凝态修复剂的镍基高温合金叶片置于真空度为1×10-3Pa下，先加热至400-500℃，保温1-3小时；
再升温至1100-1220℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后，再通氩气快冷。
10.根据权利要求7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%。
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