CN114703472A

CN114703472A - 一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法

Info

Publication number: CN114703472A
Application number: CN202210253547.7A
Authority: CN
Inventors: 刘烨; 马成良; 章林; 王天剑; 高振桓; 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: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: CN114703472B

Abstract

本发明属于镍基高温合金修复的研究领域，特别提供了一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法，方法包括如下步骤，S1）将含B低熔点粉末和高熵合金粉末溶解于溶剂中，再进行球磨，得到混合粉末；S2）将S1）得到的混合粉末加入黏结流体中，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；S3）将S2）得到胶凝态修复剂均匀涂覆于Mar‑M247镍基高温合金的需要修复处进行修复处理，采用等温凝固原理处理，即完成修复过程。本发明的有益效果是：选用与高温组分不同的复合修复剂，结合扩散方式实现修复，为镍基高温合金的修复提供了新的思路，具有方法适用性广、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

一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法

技术领域

本发明属于镍基高温合金修复的研究领域，特别提供了一种适用于Mar-M247镍基高温合金的基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法。

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方法主要有焊接法和瞬时液相连接修复法。由于Mar-M247高温合金含Al、Ti较多，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，使用焊接法修复效果不佳。而瞬时液相连接法(Transient liquidphase 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。降熔元素的添加可以有效的降低中间层材料熔点，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。

发明内容

本发明公开了一种基于等温凝固原理修复Mar-M247镍基高温合金的方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为达到上述目的，本发明技术方案为：一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法，所述方法包括如下步骤，

S1）将含B低熔点粉末和高熵合金粉末溶于溶剂中进行球磨，得到混合金属粉末；

S2）将S1）得到的混合金属粉末加入黏结流体中，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；

S3）将S2）得到胶凝态修复剂均匀涂覆于镍基高温合金的需要修复处进行修复处理，再进行热处理，即完成修复过程。

进一步，所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-15wt.%、Co 5-15wt.%、Al 4-10wt.% 、Ti 0.5-5wt.%、Ta 1-5wt.%、B 2-5wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述高熵合金粉末中各个成分的百分数为： Cr 8-25at.% 、Co 8-25at.% 、W3-15at.% 、Al 8-20at.% 、 Ti 0.5-5at.% 、Ta 1-8at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。

进一步，所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-6wt.% 、Co 7-12wt.%、Al 4-8wt.% 、Ti 1-3wt.% 、Ta 1-3wt.% 、B 2-4wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述高熵合金粉末中各个成分的百分数为：Cr 10-20at.% 、Co 10-20at.% 、W8-15at.% 、Al4-10at.% 、 Ti 1-3at.% 、Ta 1-6at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。

所述含B低熔点粉末的粉末粒径小于20μm，优选为粒径小于8-20μm的粉末。

所述高熵合金粉末的的粉末粒径小于106μm，优选为粒径53~106μm的粉末。

进一步，所述S1）中的溶剂为酒精，球磨介质为不锈钢球，保护气氛为氩气，转速为20-60转/分钟，球磨时间为2-12小时；

低含B低熔点粉末和高熵合金粉末的质量比为 0.1-0.3:1。

进一步所述S2）中混合金属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。

进一步，所述S2）中的黏结流体的各个成分百分数为：聚乙烯吡咯烷酮0.5-5wt.%、聚醋酸乙烯脂0.5-5wt.%、硬脂酸0.1-1wt.%、三乙醇胺0.1-1wt.% 、丙醇和余量乙醇。

进一步，所述S3）的具体工艺为：

S3.1）热处理的工艺为：先在400-500℃保温1-3小时，再升温至1100-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却或者空冷至室温；

S3.2）再在750-950℃保温1-25小时，随炉温冷却或者空冷至室温。

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≥75%。

一种基于等温凝固原理修复Mar-M247镍基高温合金的方法应于用修复重型燃气轮机叶片。

本发明采用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。

高熵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。故本发明的方法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，其中微观组织有害相含量较少，对力学性能影响较少，修复合金强度达到母材强度的75%以上。

3、本发明提供的修复材料和方法适用性广、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为本发明一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法的流程图。

图2为采用本发明的修复合金后的修复区显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和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，本发明一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法，所述方法包括如下步骤，

所述S1）中的溶剂为酒精，球磨介质为不锈钢球，保护气氛为氩气，转速为20-60转/分钟，球磨时间为2-12小时，使两种金属粉末充分混合均与，使含B低熔点粉末和高熵合金粉

含B低熔点粉末和高熵合金粉末的质量比为 0.1-0.3:1，确保在修复过程中液相的出现。

所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-15wt.%、Co 5-15wt.%、Al 4-10wt.% 、Ti 0.5-5wt.%、Ta 1-5wt.% 和B 2-5wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述高熵合金粉末的各个成分的百分数为： Cr 8-25at.% 、Co 8-25at.% 、W3-15at.% 、Al 8-20at.% 、 Ti 0.5-5at.% 和Ta 1-8at.%，余量为Ni和不可避免的杂质，降低含B低熔点粉末元素的扩散。

所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-6wt.% 、Co 7-12wt.%、Al 4-8wt.% 、Ti 1-3wt.% 、Ta 1-3wt.% 和B 2-4wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质。

所述高熵合金粉末的各个成分的百分数为：Cr 10-20at.% 、Co 10-20at.% 、W8-15at.% 、Al4-10at.% 、 Ti 1-3at.% 和Ta 1-6at.%，余量为Ni和不可避免的杂质，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。

所述含B低熔点粉末的粒径小于20μm，所述高熵合金粉末的粒径小于106μm。

所述S2）中混合金属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S2）中的黏结流体的各个成分百分数为：聚乙烯吡咯烷酮0.5-5wt.%、聚醋酸乙烯脂0.5-5wt.%、硬脂酸0.1-1wt.%、三乙醇胺0.1-1wt.% 、丙醇和余量乙醇；提高粘结流体与粉末润湿性，实现在低温易去除，残留少，

所述S3）的具体工艺为：

S3.2）再在750-950℃保温1-25小时，随炉温冷却或者空冷至室温，调整析出相的形貌和尺寸，增加组织稳定性。

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≥75%。

一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法应用于修复重型燃气轮机叶片。

实施例1：

将成分为Ni-3wt.%Cr-5wt.%Co-4wt.%Al-1.5wt.%Ti-1.5wt.%Ta-4wt.%B的粉末和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-16at.%Al-4at.%W-1.5at.%Ti-3.5at.%Ta的粉末以质量比为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5wt.%PVP、4.5wt.%PVAc、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5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，提高粘结流体与粉末润湿性，实现在低温易去除，残留少，将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，在450℃保温3小时，再升温至1250℃保温3小时，随炉温冷却或者空冷至室温完成修复过程。最后将修复好的叶片置于高真空炉中，在870℃保温20小时，随炉温冷却或者空冷至室温，以提升修复叶片整体性能，如图2所示，修复区显微组织图，可以看出修复区域晶界干净，无明显的组织不均匀，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为651MPa，达到母材强度的80%以上。

实施例2：

将成分为Ni-5wt.%Cr-6wt.%Co-5wt.%Al-1wt.%Ti-1wt.%Ta-3wt.%B的粉末A和成分为Ni-15at.%Cr-16at.%Co-15at.%Al-6at.%W-2at.%Ti-6at.%Ta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8小时。将成分配比为3.5wt.%PVP、3wt.%PVAc、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15:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，在500℃保温2小时，再升温至1180℃保温2小时，随炉温冷却或者空冷至室温完成修复过程。最后将修复好的叶片置于高真空炉中，在900℃保温4小时，随炉温冷却或者空冷至室温，以提升修复叶片整体性能，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为612MPa，达到母材强度的75%以上。

实施例3：

将成分为Ni-6wt.%Cr-8wt.%Co-2wt.%Al-1wt.%Ti-2wt.%Ta-2.5wt.%B的粉末和成分为Ni-16at.%Cr-16at.%Co-16at.%Al-10at.%W-1.5at.%Ti-7.5at.%Ta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20转/分钟的转速下混合12小时。将成分配比为2wt.%PVP、1wt.%PVAc、0.3wt.%SA、0.4wt.%TEOA、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10:1。将修复剂涂覆于Mar-M247叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，在500℃保温1小时，再升温至1150℃保温2小时，随炉温冷却或者空冷至室温完成修复过程。最后将修复好的叶片置于高真空炉中，在800℃保温2小时，随炉温冷却或者空冷至室温，以提升修复叶片整体性能，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为620MPa，达到母材强度的75%以上。

实施例4：

将成分为Ni-5wt.%Cr-5wt.%Co-4wt.%Al-1wt.%Ti-3wt.%Ta-4wt.%B的粉末和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-20at.%Al-7at.%W-2at.%Ti-8at.%Ta的粉末以质量比为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2小时。将成分配比为0.5wt.%PVP、0.5wt.%PVAc、0.1wt.%SA、0.1wt.%TEOA、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，将叶片置于真空炉中，在400℃保温3小时，再升温至1100℃保温1.5小时，随炉温冷却或者空冷至室温完成修复过程。最后将修复好的叶片置于高真空炉中，在750℃保温1小时，随炉温冷却或者空冷至室温，以提升修复叶片整体性能，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为609MPa，达到母材强度的75%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

1.一种基于等温凝固原理修复镍基高温合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

S1）将含B低熔点粉末和高熵合金的粉末混合后，加入溶剂中进行球磨，得到混合金属粉末；

S3）将S2）得到胶凝态修复剂均匀涂覆于Mar-M247镍基高温合金的需要修复处进行修复，再采用等温凝固原理进行热处理，即完成对Mar-M247镍基高温合金的修复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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≥75%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-15wt.%、Co 5-15wt.%、Al 4-10wt.% 、Ti 0.5-5wt.%、Ta 1-5wt.%、B 2-5wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；

所述高熵合金粉末中各个成分的百分数为： Cr 8-25at.% 、Co 8-25at.% 、W3-15at.%、Al 8-20at.% 、 Ti 0.5-5at.% 、Ta 1-8at.%，余量为Ni和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B低熔点粉末中各个成分的百分数为： Cr 3-6wt.% 、Co 7-12wt.%、Al 4-8wt.% 、Ti 1-3wt.% 、Ta 1-3wt.% 、B 2-4wt.%，余量为Ni和不可避免的杂质；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）中的溶剂为酒精，球磨介质为不锈钢球，保护气氛为氩气，转速为20-60转/分钟，球磨时间为2-12小时；

所述含B低熔点粉末和高熵合金粉末的质量比为 0.1-0.3:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2）中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。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S2）中的黏结流体中各个成分百分数为：聚乙烯吡咯烷酮0.5-5wt.%、聚醋酸乙烯脂0.5-5wt.%、硬脂酸0.1-1wt.%、三乙醇胺0.1-1wt.% 、丙醇和余量为乙醇。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述含B低熔点粉末的粒径小于20μm，所述高熵合金粉末的粒径小于106μm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3）的具体工艺为：

S3.2）再加热至750-950℃保温1-25小时，随炉温冷却或者空冷至室温。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的方法应用于Mar-M247镍基重型燃气轮机叶片的表面缺陷修复中。