CN114686732B - 高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法 - Google Patents

高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法，涉及高温合金焊接技术领域。本发明提供了的高温合金修复材料包括Cr6～18％，Co8.0～9.0％，W2.4～2.8％，Mo1.5～2.0％，Al2.5～3.7％，Ti2.5～3.0％，Nb0.6～1.0％，Ta1.5～2％，C0.12％，Zr0.1％和余量Ni。本发明提供的修复材料利用固溶强化元素(Mo和Cr)替代强化相形成元素(Al、Ti、C和Nb)，避免高温合金出现液化裂纹，还能抑制修复部位的共晶组织的形成，进而避免结晶裂纹的产生，解决了修复部位出现的焊接热裂纹问题。

Description

高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再 制造方法和再服役评价方法
技术领域
本发明涉及高温合金焊接技术领域，具体涉及高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法。
背景技术
燃气轮机涡轮叶片一般在高温、高压和高转速工况进行服役。由于频繁受到离心力、热应力、外物冲击以及磨损等原因，涡轮叶片极易出现裂纹、甚至断裂等几何结构损伤，是燃气轮机最容易失效的零部件之一。由于涡轮叶片的制造成本高、周期长、难度大，因此，开展关于叶片修复的方法和工艺研究具有极大的工程和经济意义。
涡轮叶片材料是高温合金，高温合金的焊接修复难点主要为裂纹敏感性问题。高温合金元素种类含量多，根据金属凝固理论，在焊接熔池凝固的过程中，先凝固的组织含有较多的高熔点元素，后凝固的组织中含有较多低熔点元素，如S、P、B、Si是低熔点共晶液膜的主要形成元素，其在焊接过程中会形成Ni-X低熔点共晶体，在焊接热应力的作用下容易形成结晶裂纹。而且，高温合金的主要强化手段是以γ'相为第二相的弥散强化，共格析出的γ'相嵌在γ基体上，高温合金由于Al+Ti含量较多，其在焊接凝固时容易出现γ-γ'低熔点共晶体，该共晶体的熔点比基体约低70℃，在焊接凝固的最后阶段形成液膜，在焊接热应力的作用下，出现结晶裂纹；同时，偏聚在晶界的MC(M为B、Cr等)、Ni-X(X为Nb、Si等)等化合物也会让高温合金具有液化裂纹倾向。然而，目前的修复材料不能解决高温合金焊接修复后的焊接热裂纹问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法，经本发明提供的高温合金修复材料对实效高温合金进行修复后不会出现焊接热裂纹问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高温合金修复材料，包括以下质量百分含量的组分：Cr 6～18％，Co 8.0～9.0％，W 2.4～2.8％，Mo 1.5～2.0％，Al 2.5～3.7％，Ti 2.5～3.0％，Nb0.6～1.0％，Ta 1.5～2％，C 0.12％，Zr 0.1％和余量Ni。
优选的，所述高温合金修复材料的粒径为53～150μm。
本发明提供了上述技术方案所述高温合金修复材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述的高温合金修复材料的组成进行配料，得到母合金；将所述母合金进行熔炼，得到母合金液；
将所述母合金液进行冷凝结晶，得到电极棒；
将所述电极棒进行雾化制粉，得到高温合金修复材料。
优选的，所述熔炼在保护气氛下进行，电流为300～600A。
本发明提供了一种高温合金修复零件的增材再制造方法，包括以下步骤：
(1)利用光学三维扫描仪对待修复高温合金零件进行三维数据信息采集，然后利用逆向软件进行三维建模，得到三维模型；
(2)对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查，得到待修复部位的位置尺寸信息；
(3)根据所述三维模型以及所述待修复部位的位置尺寸信息得到焊接路径和等离子弧焊接条件；
(4)对待修复高温合金零件进行焊前热处理，得到预热待修复高温合金零件；
(5)根据所述焊接路径和等离子弧焊接条件，采用修复材料对所述预热待修复高温合金零件进行等离子弧焊接，然后进行焊后热处理，得到高温合金修复零件；所述修复材料为上述技术方案所述的高温合金修复材料或上述技术方案所述制备方法得到的高温合金修复材料；
所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)没有时间先后顺序。
优选的，所述等离子弧焊接条件包括：预热温度为900±5℃；焊接电流为50～80A；等离子气体流量为5～10L/min；保护气体流量为0.5～5L/min；所述修复材料的送粉速率为300～500mg/s。
优选的，所述焊前热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为1120±5℃，时间为2h±10min；所述时效处理的温度为1025℃±5℃，时间为16h±10min。
优选的，所述焊后热处理包括依次进行第一热处理和第二热处理；所述第一热处理的温度为1125±5℃，时间为2h±10min；所述第二热处理的温度为850±5℃，时间为24h±10min。
本发明提供了上述技术方案所述增材再制造方法得到的高温合金修复零件。
本发明还提供了上述技术方案所述高温合金修复零件的再服役评价方法，包括以下步骤：
(1)采用X射线对高温合金修复零件的修复部位进行内应力检测，采用式(1)计算所述修复部位的内应力，对新高温合金零件进行许用内应力标准进行评判；
Figure BDA0003602631250000031
所述式(1)中σ为试样内应力；E为试样弹性模量；υ为泊松比；θ0为晶面无应力的衍射角；2θ为试样表面法线与衍射晶面法线的衍射角；
Figure BDA0003602631250000032
为试样表面法线与所测晶面法线的夹角；
(2)将高温合金修复零件的修复部位和经标准热处理的新高温合金零件的显微组织进行对比，测试所述高温合金修复零件的中温长时组织稳定性和高温长时组织稳定性；
所述标准热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为1120℃±10℃，时间为2h±10min；所述时效处理的温度为850℃±10℃，时间为24h±10min；
所述中温长时组织稳定性的测试温度为650～800℃，压力为274～483MPa，气氛为空气；
所述高温长时组织稳定性的测试温度为800～950℃，压力为137～363MPa，气氛为空气；
(3)对经过高温长时组织稳定性测试的高温合金修复零件进行高温抗塑性变形能力和高温服役寿命进行检测；
当同时满足以下条件时，所述高温合金修复零件满足再服役要求：所述高温合金修复零件的修复部位的应力状态与待修复高温合金零件的内应力方向一致，高温合金修复零件的应力与新高温合金零件的应力差在20％以内；所述修复部位的显微组织与经标准热处理的高温合金涡轮叶片的显微组织中γ’相的体积分数差值在5％以内，中温长时组织稳定性的持久寿命不低于150h，高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h；高温长时组织稳定性测试后的零件的断后延伸率不低于5％，高温服役寿命不低于62h；
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)没有时间先后顺序。
本发明提供了一种高温合金修复材料，包括以下质量百分含量的组分：Cr 6～18％，Co 8.0～9.0％，W 2.4～2.8％，Mo 1.5～2.0％，Al 2.5～3.7％，Ti 2.5～3.0％，Nb0.6～1.0％，Ta 1.5～2％，C 0.12％，Zr 0.1％和余量Ni。本发明提供的高温合金修复材料的密度和固液相温度范围与新高温合金零件接近，而且，将固溶强化元素(Mo和Cr)替代传统的强化相形成元素(Al、Ti、C和Nb)，避免热影响区晶界上的NbC化合物的形成，避免高温合金出现液化裂纹；而且，还能够在保证修复区域力学性能的同时抑制修复部位的共晶组织γ-γ’的形成，进而避免结晶裂纹的产生，解决了修复部位出现的焊接热裂纹问题。为高温合金，尤其是高Al、Ti的时效强化型高温合金的修复提供了修复材料。
本发明提供了上述高温合金修复材料的制备方法。本发明提供的制备方法，操作简单，制备原料来源广且成本低，适宜工业化生产。
本发明提供了一种高温合金修复零件的增材再制造方法。本发明利用光学三维扫描仪对待修复高温合金零件进行三维数据信息采集，然后利用逆向软件进行三维建模，得到三维模型；对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查，得到待修复部位的位置尺寸信息；根据所述三维模型以及所述待修复部位的位置尺寸信息得到焊接路径和等离子弧焊接条件，减少总的增材次数，从而减少热输入，降低液化裂纹的敏感性。本发明对高温合金修复零件进行焊前热处理一方面改善待修复高温合金零件的塑性，增加其抗应变的能力，另一方面抑制HAZ组织中硼化物的液化，降低裂纹敏感性。本发明采用的等离子弧焊接方法能量密度大、热影响区小、自动化程度高、接效率高，采用的高温合金修复材料中低熔点共晶元素含量低且增加了固溶元素的含量，在焊接过程中能够减少γ’相回溶，在保证强化效果和力学性能的同时，避免了大量的γ-γ’共晶出现，有效抑制了修复过程中结晶裂纹的出现。经过后续的焊后热处理能够消除残余应力，进一步保证了高温合金修复零件的组织和性能满足部件的服役使用要求。而且，本发明提供的增材再制造方法成本低、修复质量好、对零件尺寸没有要求，能够实现大批量零件的自动化修复。
本发明还提供了上述技术方案所述高温合金修复零件的再服役评价方法。本发明提供的再服役评价方法从组织、力学性能和应力三方面进行再服役评价，评价体系科学全面。弥补了现阶段对于高温合金修复零件的再服役评价方法的空白，对高温合金修复零件尤其是涡轮叶片修复零件的再服役具有实际的工程指导意义。
附图说明
图1为涡轮叶片铅字标签示意图；
图2为高温合金修复材料理论相组成；
图3为实施例1制备的块状母合金；
图4为实施例1制备的修复K438叶片的修复部位组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种高温合金修复材料，包括以下质量百分含量的组分：Cr 6～18％，Co 8.0～9.0％，W 2.4～2.8％，Mo 1.5～2.0％，Al 2.5～3.7％，Ti 2.5～3.0％，Nb0.6～1.0％，Ta 1.5～2％，C 0.12％，Zr 0.1％和余量Ni。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Cr 6～18％
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Co 8.0～9.0％，优选为8.2～8.8％，更优选为8.4～8.6％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括W 2.4～2.8％，优选为2.5～2.7％，更优选为2.6％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Mo 1.5～2.0％，优选为1.6～1.9％，更优选为1.7～1.8％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Al 2.5～3.7％，优选为2.8～3.5％，更优选为3～3.2％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Ti 2.5～3.0％，优选为2.6～2.9％，更优选为2.7～2.8％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Nb 0.6～1.0％，优选为0.6～0.9％，更优选为0.7～0.8％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Ta 1.5～2％，优选为1.6～1.9％，更优选为1.7～1.8％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括C 0.12％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括Zr 0.1％。
以质量百分含量计，本发明提供的高温合金修复材料包括余量Ni。
在本发明中，所述高温合金修复材料的粒径优选为53～150μm，更优选为60～120μm，进一步优选为80～100μm。
在本发明中，所述高温合金修复材料组成优选根据待修复高温合金的成分与性能，利用热力学模拟软件设计得到。在本发明中，所述热力学模拟软件优选为JMatPro软件。在本发明中，所述利用热力学模拟软件设计的设计原则优选为：(1)高温合金修复材料与新高温合金零件的密度接近(密度之差不大于9g/cm3)；在本发明的具体实施例中，所述新高温合金零件的密度优选为8.16g/cm3；(2)高温合金修复材料与新高温合金零件的固液相温度接近(两者的固液相温度之差在50℃以内)；在本发明的具体实施例中，所述待修复高温合金优选为待修复高温合金涡轮叶片；所述待修复高温合金涡轮叶片的固液相温度优选为1260～1330℃；(3)在保证修复部位力学性能的同时，用固溶强化元素替代强化相形成元素，具体的，将主要元素Al、Ti、C和Nb替换为Mo和Cr，并进行计算相应的密度和固液相温度参数；(4)抑制修复部位共晶组织的形成。在本发明中，Al和Ti为γ’相形成元素，在焊接热过程的作用下，容易出现γ/γ’共晶，降低γ’相含量能够有效抑制共晶出现；高温合金(如叶片)重量越大大，离心力越大，同时发动机的效率也会降低；固液相的温度是基体和修复材料是否匹配的基础；本发明利用用固溶强化元素替代强化相形成元素，并控制密度和固液相温度参数，能够降低液化裂纹的敏感性，提高高温合金修复材料的力学性能和再服役性能。
本发明提供了上述技术方案所述高温合金修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照上述所述的高温合金修复材料的组成进行配料，得到母合金；将所述母合金进行熔炼，得到母合金液；
将所述母合金液进行冷凝结晶，得到电极棒；
将所述电极棒进行雾化制粉，得到高温合金修复材料。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明按照上述技术方案所述的高温合金修复材料的组成进行配料，得到母合金；将所述母合金进行熔炼后冷却，得到块状母合金。在本发明中，所述配料优选为利用Ni、Co、Mo、Al、Ti、Ta、Cr、W、Nb、Zr和C混合配料；所述Ni的纯度优选为99.98％，所述Co的纯度优选为99.95％，所述Mo的纯度优选为99.96％，所述Al的纯度优选为99.95％，所述Ti的纯度优选为99.95％，所述Ta的纯度优选为99.99％，所述Cr的纯度优选为99.99％，所述W、Nb和Zr的纯度均优选>99.95％。在本发明中，所述熔炼优选为真空感应熔炼，优选在熔炼炉中进行；在本发明的具体实施例中，优选先将Ni、Co、Mo、Ta、Cr、W、Nb、Zr和C加入熔炼炉中进行第一熔炼，然后加入Al和Ti进行第二熔炼，本发明采用上述加料顺序能够避免Al和Ti元素的烧损。在本发明中，所述熔炼优选在保护气氛下进行；在本发明的具体实施例中，先抽真空至压力≤0.1Pa，然后通入保护气氛至压力为0.05～0.5MPa，更优选为0.05～0.1MPa。在本发明中，所述熔炼的电流优选为300～600A，更优选为350～550A，进一步优选为400～500A；所述第一熔炼和第二熔炼的时间独立地优选为60～180min，更优选为100～140min，进一步优选为120～140min。
得到母合金液后，本发明将所述母合金液进行冷凝结晶，得到电极棒。在本发明的具体实施例中，所述母合金液进行冷凝结晶，得到电极棒，优选为将所述母合金液优选先冷却至室温，将所得块状母合金进行熔化，将所得熔化合金液置于水冷结晶器中冷凝结晶，进行抽拉，得到电极棒。在本发明中，所述熔化的温度优选为1350～1370℃，更优选为1355～1365℃，进一步优选为1360℃；所述熔化的的真空度优选＜5Pa；所述熔化优选在真空炉中进行。在本发明中，所述水冷结晶器优选为棒状水冷结晶器。在本发明中，所述冷凝结晶的冷却速率优选为2～4mm/min，更优选为2.5～3.5mm/min，进一步优选为3mm/min。在本发明中，所述抽拉的拉坯速度优选为0.6～1m/min，更优选为0.7～0.9m/min，进一步优选为0.8m/min。
得到电极棒后，本发明将所述电极棒进行雾化制粉，得到高温合金修复材料。在本发明中，所述雾化制粉优选为等离子旋转电极法制粉，所述雾化制粉的雾化气体优选为氩气，雾化温度优选为1420～1480℃，更优选为1440～1460℃，进一步优选为1450℃，雾化气体压力优选为3～4MPa，更优选为3.2～3.8MPa，进一步优选为3.4～3.5MPa；所述雾化气体优选为惰性气体，更优选为氩气或氦气。
完成所述雾化制粉后，本发明优选还包括将所得高温合金粉末依次进行粉末筛选、电选分离除杂和粉末性能检验，得到高温合金修复材料。在本发明中，所述粉末筛选优选在震动筛上进行，所述震动筛的震动频率优选为12～18kHz，更优选为13～17kHz，进一步优选为14～16kHz；本发明对于所述震动筛的筛孔尺寸没有特殊限定，能够得到粒径为53～150μm的高温合金粉末即可。在本发明中，所述电选分离除杂的电晕极电压优选为30～40kV，更优选为32～38kV，进一步优选为34～35kV；所述电选分离除杂优选在静电分离装置中进行，所述静电分离装置的辊筒转速优选50～80r/min，更优选为55～75r/min，进一步优选为60～70r/min；电选分离技术是去除粉末中非金属夹杂物，其原理是通过电晕放电现象使粉末颗粒带电，然后利用金属粉末和非金属夹杂物之间的电性能的不同进行分离，本发明通过电选分离除杂能够除去非金属氧化物杂质。在本发明中，所述粉末性能检验优选为对合金粉末中的氧含量、形貌、粒径和显微组织进行检验，氧含量≤0.007wt％、球型度好、粒径为53～150μm、无内部缺陷(疏松、孔洞)、粉末内部具有树枝晶组织的粉末即为高温合金修复材料。
本发明提供了一种高温合金修复零件的增材再制造方法，包括以下步骤：
(1)利用光学三维扫描仪对待修复高温合金零件进行三维数据信息采集，然后利用逆向软件进行三维建模，得到三维模型；
(2)对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查，得到待修复部位的位置尺寸信息；
(3)根据所述三维模型以及所述待修复部位的位置尺寸信息得到焊接路径和等离子弧焊接条件；
(4)对待修复高温合金零件进行焊前热处理，得到预热待修复高温合金零件；
(5)根据所述焊接路径和等离子弧焊接条件，采用修复材料对所述预热待修复高温合金零件进行等离子弧焊接，然后进行焊后热处理，得到高温合金修复零件；所述修复材料为上述技术方案所述的高温合金修复材料上述技术方案所述制备方法得到的高温合金修复材料；
所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)没有时间先后顺序。
本发明利用光学三维扫描仪对待修复高温合金零件进行三维数据信息采集，然后利用逆向软件进行三维建模，得到三维模型。
在本发明中，所述待修复高温合金零件优选包括待修复高温合金涡轮叶片，更优选为燃气轮机K438涡轮叶片；所述燃气轮机K438涡轮叶片优选包括质量百分含量地组分：Co 8.0～9.0％，W 2.0～2.4％，Mo 1.0～2.2％，Al 3.2～3.7％，Ti 3.0～3.5％，Nb 0.6～1.0％，Ta 1.5～2％，C 0.1～0.2％，Zr 0.05～0.15％，Cr 15.7～16.3％，B 0.005～0.015％，Fe≤0.5％，Mn≤0.2。在本发明中，所述待修复高温合金零件在使用前优选先进行焊前处理，所述焊前处理优选包括：对待修复高温合金零件依次进行进行机械打磨和超声清洗。在本发明中，所述机械打磨的转速为1500～2000r/min，更优选为1600～1900r/min，进一步优选为1700～1800r/min，所述机械打磨的时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min，进一步优选为4min；所述机械打磨优选利用角磨机进行；经过所述机械打磨后待修复部位表面的氧化膜被除去且表面光滑有金属光泽。在本发明中，所述超声清洗的清洗试剂优选包括酒精或丙酮；所述超声清洗的温度优选为50～60℃，更优选为52～58℃，进一步优选为54～55℃；所述超声清洗的时间优选为10～15min，更优选为11～14min，进一步优选为12～13min；所述超声清洗的频率优选为25～35kHz，更优选为28～32kHz，进一步优选为30kHz；所述超声清洗能够去除待修复部位表面的油脂等杂质。
在本发明中，所述光学三维扫描仪优选为蓝光三维扫描仪。
在本发明中，所述逆向软件优选为Geomagic Design X。在本发明中，以裂纹失效为例，所述三维数据信息为裂纹的形状以及裂纹在待修复高温合金零件中的相对空间位置信息。
本发明对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查，得到待修复部位的位置尺寸信息。在本发明中，所述微观缺欠检查优选利用荧光渗透法或X射线检测法进行。在本发明中，利用X射线检测法对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查具体优选包括以下步骤：将待修复高温合金零件和胶片依次放在X光入射的垂直方向上进行X光照射，选择黑度底片进行裂纹的位置尺寸分析；所述X光照射条件的工作电压优选为40～120kV，更优选为50～100kV，进一步优选为60～80kV；工作距离优选为1.2～1.8m，更优选为1.2～1.8m，更优选为1.4～1.6m，进一步优选为1.5m；照射时间为优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min，进一步优选为4min；黑度底片的黑度优选为2～4，更优选为2.5～3.5，进一步优选为3。
得到三维模型和待修复部位的位置尺寸信息后，本发明根据所述三维模型以及所述待修复部位的位置尺寸信息得到焊接路径和等离子弧焊接条件。在本发明中，所述焊接路径优选包括起弧位置和收弧位置。在本发明中，所述等离子弧焊接条件优选优选包括：预热温度优选为900±5℃，更优选为900±2℃，进一步优选为900℃；焊接电流优选为50～80A，更优选为55～75A，进一步优选为60～70A；等离子气体流量优选为5～10L/min，更优选为6～9L/min，进一步优选为7～8L/min；所述等离子气体优选包括氩气，所述氩气的纯度优选为99.99％；保护气体流量优选为0.5～5L/min，更优选为1～4L/min，进一步优选为2～3L/min；所述保护气体优选包括氩气，所述氩气的纯度优选为99.99％；所述修复材料的送粉速率优选为300～500mg/s，更优选为350～450mg/s，进一步优选为400mg/s。在本发明中，待修复高温合金零件的材料的待修复部位的厚度决定了等离子弧焊接条件时能量输入，能量输入和焊接电流直接相关，一般厚度越大，相对应的焊接电流越大。起弧位置和收弧位置是定了焊接路径轨迹，焊枪来回循环的次数越少，修复的层间部位受到的热效应就越少。
本发明对待修复高温合金零件进行焊前热处理，得到预热待修复高温合金零件。在本发明中，所述焊前热处理包括依次进行固溶处理和时效处理。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为1120±5℃，更优选为1120±2℃，进一步优选为1120℃；所述固溶处理的时间优选为2h±10min，更优选为2h±5min，进一步优选为2h。在本发明中，所述时效处理的温度优选为1025℃±5℃，更优选为1025±2℃，进一步优选为1025℃；所述时效处理的时间优选为16h±10min，更优选为16h±5min，进一步优选为16h。在本发明中，两次冷却至室温均优选在通入氩气条件下进行，所述冷却的速率独立地优选为20～60℃/s，更优选为30～50/s。本发明通过对待修复高温合金零件进行焊前热处理，一方面改善待修复高温合金零件的塑性，增加其抗应变的能力，另一方面抑制HAZ组织中硼化物的液化，降低裂纹敏感性，从而保证待修复高温合金零件具有良好的焊接性。
得到焊接路径和等离子弧焊接条件以及预热待修复高温合金零件后，本发明根据所述焊接路径和等离子弧焊接条件，采用修复材料对所述预热待修复高温合金零件进行等离子弧焊接，然后进行焊后热处理，得到高温合金修复零件；所述修复材料为上述技术方案所述的高温合金修复材料上述技术方案所述制备方法得到的高温合金修复材料。
在本发明中，所述等离子弧焊接优选在修复系统中进行，所述修复系统优选包括等离子焊接系统、蓝光三维扫描仪、焊接机器人、三维移动平台和电源控制系统。在本发明中，所述修复系统包括WSM-315非转移弧电源、YC-400TX4HGE转移弧和送粉装置。在本发明中，所述蓝光三维扫描仪设置有Geomagic Design X软件。在本发明中，所述焊接机器人优选为安川焊接机器人。
传统的激光焊和电子束焊的焊接成本高，设备复杂、效率相对较低，并且由于电子束焊真空室的局限性，限制了大尺寸的零件修复；传统的氩弧焊的修复效率高，但其焊接热输入较大，对于含有多组元高温合金，尤其是高Al+Ti含量大于6％的时效强化型高温合金来说，焊接性能相对较差。而本发明采用能量密度大、输入相对较小、自动化程度高、接效率高的等离子弧焊接方法，易于实现批量化的高温合金零件的修复，系统地优化了高温合金零件的再制造的工艺，具有很好的应用前景。
所述焊后热处理前优选还包括将所述等离子弧焊接后的工价的修复部位依次进行进行机械打磨和超声清洗。在本发明中，所述机械打磨的转速为1500～2000r/min，更优选为1600～1900r/min，进一步优选为1700～1800r/min，所述机械打磨的时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min，进一步优选为4min；所述机械打磨优选利用角磨机进行。在本发明中，所述超声清洗的清洗试剂优选包括酒精或丙酮；所述超声清洗的温度优选为50～60℃，更优选为52～58℃，进一步优选为54～55℃；所述超声清洗的时间优选为10～15min，更优选为11～14min，进一步优选为12～13min；所述超声清洗的频率优选为25～35kHz，更优选为28～32kHz，进一步优选为30kHz。本发明通过机械打磨处理能够以去除修复余高，从而保证修复部位的几何外观的完整性；通过超声清洗能够除去表面杂质，灰尘、氧化物残留等。
在本发明中，所述焊后热处理优选包括依次进行第一热处理和第二热处理。在本发明中，所述第一热处理的温度优选为1125±5℃，更优选为1125±2℃，进一步优选为1125℃；所述第一热处理的时间优选为2h±10min，更优选为2h±5min，进一步优选为2h。在本发明中，所述第二热处理的温度优选为850±5℃，更优选为850±2℃，进一步优选为850℃；所述第二热处理的时间优选为24h±10min，更优选为24h±5min，进一步优选为24h。在本发明中，所述第一热处理和第二热处理后均优选还包括冷却至室温；所述冷却至室温优选在通入氩气条件下进行，所述冷却的速率独立地优选为20～60℃/s，更优选为30～50/s。本发明通过对修复后的待修复高温合金零件进行焊后热处理，为了保持高温合金修复零件和经过标准热处理的新高温合金零件的组织相似，从而保证高温合金修复零件的组织和性能满足部件的服役使用要求。
在本发明中，所述焊后热处理后优选还包括将所得零件进行无损检测，当所述零件进的内应力和组织检测不满足要求时，优选重复上述等离子弧焊接步骤；所述等离子弧焊接步骤的重复次数不超过3次。
本发明提供了上述技术方案所述增材再制造方法得到的高温合金修复零件。
本发明还提供了上述技术方案高温合金修复零件的再服役评价方法，包括以下步骤：
(1)采用X射线对高温合金修复零件的修复部位进行内应力检测，采用式(1)计算所述修复部位的内应力，对新高温合金零件进行许用内应力标准进行评判；
Figure BDA0003602631250000131
所述式(1)中σ为试样内应力；E为试样弹性模量；υ为泊松比；θ0为晶面无应力的衍射角；2θ为试样表面法线与衍射晶面法线的衍射角；
Figure BDA0003602631250000132
为试样表面法线与所测晶面法线的夹角；
(2)将高温合金修复零件的修复部位和经标准热处理的新高温合金零件的显微组织进行对比，测试所述高温合金修复零件的中温长时组织稳定性和高温长时组织稳定性；
所述标准热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为1120℃±10℃，时间为2h±10min；所述时效处理的温度为850℃±10℃，时间为24h±10min；
所述中温长时组织稳定性的测试温度为650～800℃，压力为274～483MPa，气氛为空气；
所述高温长时组织稳定性的测试温度为800～950℃，压力为274～483MPa，气氛为空气；
(3)对经过高温长时组织稳定性测试的高温合金修复零件进行高温抗塑性变形能力和高温服役寿命进行检测；
当同时满足以下条件时，所述高温合金修复零件满足再服役要求：所述高温合金修复零件的修复部位的应力状态与待修复高温合金零件的内应力方向一致，高温合金修复零件的应力与新高温合金零件的应力差在20％以内；所述修复部位的显微组织与经标准热处理的高温合金涡轮叶片的显微组织中γ’相的体积分数差值在5％以内，中温长时组织稳定性的持久寿命不低于150h，高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h；高温长时组织稳定性测试后的零件的断后延伸率不低于5％，高温服役寿命不低于62h；
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)没有时间先后顺序。
本发明采用X射线对高温合金修复零件的修复部位进行内应力检测，采用式(1)计算所述修复部位的内应力，对新高温合金零件进行许用内应力标准进行评判；
Figure BDA0003602631250000141
所述式(1)中σ为试样内应力；E为试样弹性模量；υ为泊松比；θ0为晶面无应力的衍射角；2θ为试样表面法线与衍射晶面法线的衍射角；
Figure BDA0003602631250000142
为试样表面法线与所测晶面法线的夹角。
在本发明中，当所述高温合金修复零件的应力＞300MPa时，优选通过对所述高温合金修复零件进行退火处理以去除残余应力。在本发明中，所述退火处理的温度优选为850±5℃，更优选为850±2℃，进一步优选为850℃；所述退火的时间优选为24h±10min，更优选为24h±5min，进一步优选为24h。
本发明将高温合金修复零件的修复部位和经标准热处理的新高温合金零件的显微组织进行对比，测试所述高温合金修复零件的中温长时组织稳定性和高温长时组织稳定性。
在本发明中，所述显微组织优选包括强化相体积分数、形貌错配度、共晶组织、液化裂纹和粗大硬脆相。
在本发明中，所述标准热处理包括依次进行固溶处理和时效处理。在本发明中，所述固溶处理的温度为1120℃±10℃，优选为1120℃±5℃，更优选为1120℃；所述固溶处理的时间为2h±10min，优选为2h±5min，更优选为2h。在本发明中，所述时效处理的温度为850℃±10℃，优选为850℃±5℃，更优选为850℃；所述固溶处理的时间为24h±10min，优选为24h±5min，更优选为24h。在本发明中，所述固溶处理和时效处理后均优选还包括冷却至室温；所述冷却选在通入氩气条件下进行，所述冷却的速率独立地优选为20～60℃/s，更优选为30～50/s。
在本发明中，所述中温长时组织稳定性的测试温度为650～800℃，优选为680～750℃，更优选为700℃；所述中温长时组织稳定性的测试压力为274～483MPa，优选为280～400MPa，更优选为294MPa；所述中温长时组织稳定性的测试气氛为空气。
在本发明中，所述高温长时组织稳定性的测试温度为800～950℃，优选为820～900℃，更优选为850℃；所述高温长时组织稳定性的测试压力为137～363MPa，优选为137～200MPa，更优选为137MPa；所述高温长时组织稳定性的测试气氛为空气。
本发明对经过高温长时组织稳定性测试的高温合金修复零件进行高温抗塑性变形能力和高温服役寿命进行检测。在本发明中，所述高温抗塑性变形能力以断后的延伸率作为判断依据。
在本发明中，当同时满足以下条件时，所述高温合金修复零件满足再服役要求：所述高温合金修复零件的修复部位的应力状态与待修复高温合金零件的内应力方向一致，高温合金修复零件的应力与新高温合金零件的应力差在20％以内；在本发明的具体实施例中，榫头位置的应力差优选在20％以内，叶身位置的应力差优选在10％以内，叶尖位置的应力差优选在20％以内；所述修复部位的显微组织与经标准热处理的高温合金涡轮叶片的显微组织中γ’相的体积分数差值在5％以内，修复部位无共晶组织、无液化裂纹、无粗大硬脆相(粗针状拓扑密排相)，中温长时组织稳定性的持久寿命不低于150h，具体的，在700℃、294MPa条件下中温长时组织稳定性的持久寿命不低于150h；高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h，具体的，在850℃、137MPa条件下高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h；高温长时组织稳定性测试后的零件的断后延伸率不低于5％，高温服役寿命不低于62h，具体的850℃、137MPa条件下处理后的零件的断后延伸率不低于5％，高温服役寿命不低于62h。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
实施例1
燃气轮机K438涡轮叶片裂纹修复
待修复K438叶片的质量百分含量组成：Co 8.0～9.0％，W 2.0～2.4％，Mo 1.0～2.2％，Al 3.2～3.7％，Ti 3.0～3.5％，Nb 0.6～1.0％，Ta 1.5～2％，C 0.1～0.2％，Zr0.05～0.15％，Cr 15.7～16.3％，B 0.005～0.015％，Fe≤0.5％，Mn≤0.2。
(1)利用角磨机以1500r/min的速度对待修复K438叶片打磨3min，然后浸没于乙醇中，在50℃、25kHz条件下超声波清洗15min，得到预处理待修复K438叶片。
(2)然后利用蓝光三维扫描仪对预处理待修复K438叶片进行三维数据采集，然后利用Geomagic Design X逆向软件采集三维点云数据，进行三维建模，得到三维模型。
(3)在预处理待修复K438叶片标记的位置上(如图1)贴上刻有铅字序号的塑料片，对预处理待修复K438叶片进行X光无损检测，得到裂纹的位置尺寸信息。
(4)对预处理待修复K438叶片进行焊前热处理(在1120℃条件下固溶处理2h，在通入氩气条件下以30℃/s的速率冷却至室温，在1025℃条件下时效处理16h，在通入氩气条件下以30℃/s的速率冷却至室温，)，得到焊前热处理待修复K438叶片。
(5)根据裂纹的位置尺寸信息和三维模型设计焊接路径和等离子弧焊接条件，其中，等离子弧焊接条件：打底层(厚度为0.5mm)焊接电流为60A，其余修复层焊接电流为50A，等离子气体流量为3L/min，等离子气体种类为氩气，保护气体流量为5L/min，保护气体种类为氩气。
(6)根据K438的焊接性，利用JMatPro软件理论计算修复材料的密度和γ’相体积分数，如图2所示，其中，修复材料的设计原则如下：修复材料的密度应接近新高温合金零件密度(8.16g/cm3)；以质量百分含量计，修复材料组成为Cr 18％，Co 9.0％，W 2.8％，Mo1.5％，Al 2.8％，Ti 2.5％，Nb 0.6％，Ta 2％，C 0.12％、Zr 0.1％和余量Ni；修复材料的固液相温度范围接近新高温合金零件固液相温度(1260～1330℃)；在保证修复区域力学性能的同时，尽可能用固溶强化元素替代强化相形成元素，将主要元素Al、Ti、C和Nb替换为Mo和Cr；尽可能抑制修复区域共晶组织的形成。
(7)将Ni(纯度99.98％)、Co(纯度99.95％)、Mo(纯度99.96％)、Ta(纯度99.99％)、Cr(纯度99.99％)、W(纯度>99.95％)、Nb(纯度>99.95％)、Zr(纯度>99.95％)和C加入熔炼炉中，将真空炉抽真空至压力为0.1Pa，然后通入保护气氛至压力为0.05MPa，在400A条件下真空感应熔炼120min，然后加入Al和Ti继续真空感应熔炼60min，以50℃/min的速度冷却至室温，将所得块状母合金(如图3所示，图3中的两个样品为重复两次得到两个块状母合金样品)在1360℃、＜5Pa条件下熔化，将所得母合金液置于棒状水冷结晶器中，在3mm/min条件下冷凝结晶，以0.8m/min的拉坯速度进行抽拉，得到电极棒。将所得电极棒在雾化温度为1420℃、雾化气体压力为3MPa条件下进行等离子旋转电极法制粉，将所得高温合金粉末置于震动筛上，在18kHz条件下进行粉末筛选，将所得粒径为53～150μm的粉末置于静电分离装置中在40kV、60r/min条件下进行电选分离除杂，选取氧含量≤0.007wt％、球型度好、粒径为53～150μm、无内部缺陷(疏松、孔洞)、粉末内部具有树枝晶组织的粉末作为高温合金修复材料。
(8)利用上述等离子弧焊接条件，将焊前热处理待修复K438叶片预热至900℃，采用上述高温合金修复材料对预热待修复K438叶片的裂纹部分进行等离子弧焊接修复，利用角磨机以1500r/min的速度对待修复K438叶片打磨3min，然后浸没于乙醇中，在50℃、25kHz条件下超声波清洗15min，然后在1125℃条件下热处理2h，在通入氩气条件下以30℃/s的速率冷却至室温(25℃)，之后在850℃条件下热处理24h，在通入氩气条件下以30℃/s的速率冷却至室温，得到修复K438叶片。其中，等离子弧焊接在修复系统中进行，所述修复系统优选包括等离子焊接系统(括WSM-315非转移弧电源、YC-400TX4HGE转移弧和送粉装置)、蓝光三维扫描仪(Geomagic DesignX软件)、安川焊接机器人、三维移动平台和电源控制系统。
修复K438叶片的修复部分组织如图4所示，由图4可知，本发明提供的增材再制造方法修复后的组织未见明显凝固裂纹，晶粒相对细小，修复部分显微组织好。
(9)对于修复K438叶片进行X光无损检测，若无裂纹则完成修复，有裂纹则重复步骤(8)，步骤(8)的重复次数不超过3次，实现K438叶片的完整修复。
(10)采用X射线对修复部位进行内应力检测，采用采用式(1)计算所述修复部位的内应力，对新K438叶片进行许用内应力标准进行评判；
Figure BDA0003602631250000181
所述式(1)中σ为试样内应力；E为试样弹性模量；υ为泊松比；θ0为晶面无应力的衍射角；2θ为试样表面法线与衍射晶面法线的衍射角；
Figure BDA0003602631250000182
为试样表面法线与所测晶面法线的夹角。
(11)将对修复K438叶片的修复部位和经标准热处理的新K438叶片的显微组织进行对比，修复部位的强化相体积和形貌与经标准热处理新K438叶片的显微组织中γ’的体积分数之差在5％以内，修复部位显微组织中无共晶组织、无液化裂纹、无粗大硬脆相，两者组织接近。
其中，所述标准热处理包括依次在1120℃条件下固溶处理2h，在通入氩气条件下以30℃/s的速度冷却至室温，在850℃条件下时效处理24h和在通入氩气条件下以30℃/s的速度冷却至室温。
测试修复K438叶片的中温长时组织稳定性和高温长时组织稳定性。所述中温长时组织稳定性的测试温度为700℃，压力为294MPa，气氛为空气；所述高温长时组织稳定性的测试温度为850℃，压力为137MPa，气氛为空气；经测试修复K438叶片的中温长时组织稳定性持久寿命不低于150h，高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h。
(12)经过高温长时组织稳定性测试的修复K438叶片进行高温抗塑性变形能力和高温服役寿命进行检测，经过高温长时组织稳定性测试的修复K438叶片的断后延伸率不低于5％，在850℃，压力为137MPa条件下的高温服役寿命不低于62h。
因此，本发明制备的修复K438叶片满足再服役要求。
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 (10)

1.一种高温合金修复材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Cr 6~18%，Co8.0~9.0%，W 2.4~2.8%，Mo 1.5~2.0%，Al 2.5~3.7%，Ti 2.5~3.0%，Nb 0.6~1.0%，Ta 1.5~2%，C 0.12%，Zr 0.1%和余量Ni。
2.根据权利要求1所述的高温合金修复材料，其特征在于，所述高温合金修复材料的粒径为53~150μm。
3.权利要求1或2所述高温合金修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照所述高温合金修复材料的组成进行配料，得到母合金；将所述母合金进行熔炼，得到母合金液；
将所述母合金液进行冷凝结晶，得到电极棒；
将所述电极棒进行雾化制粉，得到高温合金修复材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼在保护气氛下进行，电流为300~600A。
5.一种高温合金修复零件的增材再制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用光学三维扫描仪对待修复高温合金零件进行三维数据信息采集，然后利用逆向软件进行三维建模，得到三维模型；
（2）对待修复高温合金零件进行微观缺欠检查，得到待修复部位的位置尺寸信息；
（3）根据所述三维模型以及所述待修复部位的位置尺寸信息得到焊接路径和等离子弧焊接条件；
（4）对待修复高温合金零件进行焊前热处理，得到预热待修复高温合金零件；
（5）根据所述焊接路径和等离子弧焊接条件，采用修复材料对所述预热待修复高温合金零件进行等离子弧焊接，然后进行焊后热处理，得到高温合金修复零件；所述修复材料为权利要求1或2所述的高温合金修复材料或权利要求3或4所述制备方法得到的高温合金修复材料；
所述步骤（1）、步骤（2）和步骤（4）没有时间先后顺序。
6.根据权利要求5所述的增材再制造方法，其特征在于，所述等离子弧焊接条件包括：预热温度为900±5℃；焊接电流为50~80A；等离子气体流量为5~10L/min；保护气体流量为0.5~5L/min；所述修复材料的送粉速率为300~500mg/s。
7.根据权利要求5所述的增材再制造方法，其特征在于，所述焊前热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为1120±5℃，时间为2h±10min；所述时效处理的温度为1025℃±5℃，时间为16h±10min。
8.根据权利要求5所述的增材再制造方法，其特征在于，所述焊后热处理包括依次进行第一热处理和第二热处理；所述第一热处理的温度为1125±5℃，时间为2h±10min；所述第二热处理的温度为850±5℃，时间为24h±10min。
9.权利要求5~8任一项所述增材再制造方法得到的高温合金修复零件。
10.权利要求9所述高温合金修复零件的再服役评价方法，包括以下步骤：
（1）采用X射线对高温合金修复零件的修复部位进行内应力检测，采用式（1）计算所述修复部位的内应力，对新高温合金零件进行许用内应力标准进行评判；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式（1）；
所述式（1）中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为试样内应力；E为试样弹性模量；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为泊松比；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为晶面无应力的衍射角；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为试样表面法线与衍射晶面法线的衍射角；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为试样表面法线与所测晶面法线的夹角；
（2）将高温合金修复零件的修复部位和经标准热处理的新高温合金零件的显微组织进行对比，测试所述高温合金修复零件的中温长时组织稳定性和高温长时组织稳定性；
所述标准热处理包括依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为1120℃±10℃，时间为2h±10min；所述时效处理的温度为850℃±10℃，时间为24h±10min；
所述中温长时组织稳定性的测试温度为650~800℃，压力为274~483MPa，气氛为空气；
所述高温长时组织稳定性的测试温度为800~950℃，压力为137~363MPa，气氛为空气；
（3）对经过高温长时组织稳定性测试的高温合金修复零件进行高温抗塑性变形能力和高温服役寿命进行检测；
当同时满足以下条件时，所述高温合金修复零件满足再服役要求：所述高温合金修复零件的修复部位的应力状态与待修复高温合金零件的内应力方向一致，高温合金修复零件的应力与新高温合金零件的应力差在20%以内；所述修复部位的显微组织与经标准热处理的高温合金涡轮叶片的显微组织中γ’相的体积分数差值在5%以内，中温长时组织稳定性的持久寿命不低于150h，高温长时组织稳定性的持久寿命不低于62h；高温长时组织稳定性测试后的零件的断后延伸率不低于5%，高温服役寿命不低于62h；
步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）没有时间先后顺序。
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