CN115354194A - 一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用，属于镍基高温合金零件增材修复技术领域。按重量百分含量计，该合金化学成分为：B：0.001‑0.03％；C：0.005‑0.055％；Cr：12‑20％；Mo：2.0‑3.0％；Nb：5‑5.8％；Ti：0.4‑1.2％；Al：1.8‑2.3％；Fe：9‑12％；Co：9‑12％；W：0.5‑1.5％；Ni为余量。该合金可作为进口IN718 plus等镍基高温合金零件增材修复用材料，可超声气体雾化法、旋转电极法等制成粉末增材产品，也可以采用锻造、轧制和拉丝等工艺加工成丝材产品，满足激光、电子束和电弧焊等不同增材修复方法要求。

Description

一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用
技术领域
本发明涉及镍基高温合金零件增材修复技术领域，具体涉及一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用，该增材修复用合金适用于镍基高温合金零件的修复和再利用。
背景技术
镍基高温合金具有优异的高温强度、抗蠕变能力和抗氧化腐蚀性能，被广泛应用于航空、航天、石油化工、能源等重要工业领域。由于叶片等高温合金零件多在高温、应力和腐蚀环境下工作，其服役环境极为特殊和苛刻，导致高温合金零件不可避免地出现损伤，进而导致零件的失效报废。为了降低成本提高效率，实现损伤零件的修复和再利用尤为关键。但是由于高温合金的合金化程度较高，往往含有较多的合金元素，导致这些材料的焊接性能极差，产生焊接冷、热裂纹的倾向性较高，增材修复难度极大，相关的修复材料研制和修复技术开发亟待突破。
高温合金在航空发动机等领域应用非常广泛，从压气机到尾喷口等零件均采用不同成分和结构的高温合金。而不同结构零件的失效方式也存在很大差异，因此可能会针对不同失效方式采用不同的修复工艺方法，对于修复材料的形式要求也不同，主要是针对粉末和丝材两种增材修复的材料形式。
专利(CN 114686732 A)公开了一种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，该种材料含有Al、Ti、Nb、Ta等沉淀强化相形成元素，采用电极法制备了粉末材料并在等离子弧焊方面进行了应用。专利(CN 112962013A)公开了一种单晶高温合金扩散外延生长修复材料，该材料含有更多的沉淀强化元素，尤其是Ta元素，也只能制备成粉末状增材产品。专利(CN 103243242 B)公开了一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺，该合金在使用时也只能采用线切割方法进行加工，未能实现拉拔成型，这也会一定程度上制约自动化增材修复的实现。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，围绕修复技术对材料形式的多样性需求，本发明提供一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用，该修复材料在满足一定强度要求的基础上，可以制备成粉末和丝材等多种形式，适合于超声气体雾化、旋转电极和拉拔等不同工艺技术。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种增材修复用镍基高温合金材料，其为镍基高温合金，按重量百分含量计，其化学成分为：
B：0.03-0.001％；C：0.005-0.055％；Cr：12-20％；Mo：2.0-3％；Nb：5-6％；Ti：0.4-1.2％；Al：1.4-2.3％；Fe：9-12％；Co：9-12％；W：0.5-1.5％；Ni为余量。
按重量百分含量计，该镍基高温合金材料化学成分优选为：
B：0.001-0.03％；C：0.005-0.055％；Cr：12-20％；Mo：2.0-3.0％；Nb：5-5.8％；Ti：0.4-1.2％；Al：1.8-2.3％；Fe：9-12％；Co：9-12％；W：0.5-1.5％；Ni为余量。
所述合金材料为粉末状或丝状；可采用超声气体雾化法或旋转电极法制成粉末状合金材料，采用传统丝材拉拔工艺制成丝状合金材料。
所述合金为粉末状时，其粒径为50～150μm，所述合金为丝材时其直径为1～2mm。
该增材修复用镍基高温合金材料用于镍基高温合金增材修复，修复方式为激光增材修复和/或电弧焊增材修复等。
本发明设计原理如下：
对于粉末材料的制备来说，液态合金的流动性越好粉末成品率越高。而合金元素配比是影响液态合金流动性的关键因素之一。为了提高液态金属流动性和粉末材料成品率，本发明在合金设计时考虑添加了一定量的硼元素。硼元素在镍基合金中具有较强的降低基体熔点的能力，如图1所示，适当含量的硼元素可以显著降低镍或者镍基合金的融化温度，进而提高合金的流动性。
镍基合金采用铸造－锻造(轧制)－拉拔工艺制备成丝材的过程中，合金内部由于铸造而形成的大量尺寸较大的Laves相是后期精锻或者热轧过程中，产品产生裂纹的主要原因。进一步的分析表明，这些大块状的Laves相是铸造过程中偏析导致的，富含Ti、Nb和Mo等元素(合金内必要的强化作用元素)，当丝材制备过程中对样品进行高温精锻和热轧盘条时，这些Laves相未能溶解于基体内，仍保持大量的、尺寸较大的形态(图2)。Laves相性质脆硬，不能发生变形，因此常常导致其周围发生裂纹，随着变形的继续，裂纹发生延展和相互连接，进而导致大尺寸裂纹的形成和样品的最终断裂。为了制成较精细尺寸的丝材，必须对样品内部Laves相的形成加以抑制，根据Laves相的形成元素特征，对其形成倾向性进行控制。本发明中对形成Laves相的Ti、Nb和Mo等元素的含量进行下行控制，降低合金自身形成Laves相倾向性，较小其危害性。
为了提高增材修复后构件的整体性能，加入适量铬、钨、铁元素配合，一方面固溶强化合金，另一方面可以提高中间层合金的成形能力和抗高温氧化性能，同时加入一定量的Al元素，形成一定数量的沉淀强化相，补充Mo等元素含量偏低所导致的强度下降问题。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过修复材料成分设计，解决目前高温合金增材修复用材料设计不合理，粉末或丝材成形性不好的问题，采用本发明合金材料对镍基高温合金进行增材修复，修复质量良好，方法简单有效。
2、增材修复后修复区域的抗拉强度达到母材90％以上。
附图说明
图1为Ni-B二元相图。
图2为大块状Laves相形态。
图3为实施例1样品微观组织。
图4为实施例3样品微观组织。
图5为实施例1样件图片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明增材修复用合金以镍为基体，添加了特定量的B:0.03-0.001％、C:0.055-0.055％作为降熔点元素，添加了一定量的Cr：12-20％、Mo：2.0-3％；Fe:9-12％、Co：9-12％、W：0.5-1.5％作为固溶强化元素；添加Nb：5-6％、Ti:0.4-1.2％、Al:1.4-2.3％等元素做为沉淀强化元素。
以下实施例中所用合金制备方法为：将纯度大于99.99％的纯镍、铬、钨、硅、铁和镍-硼合金(镍-硼合金中硼为21wt.％)按所述比例配好后放入真空感应熔炼炉中熔炼成合金锭。采用高纯Ar气雾化法或旋转电极法制备粉末，或者采用传统拉拔法制备丝材。制备好的粉末或者丝材用于激光增材或者电弧增材制造。
实施例1：
本实施例中，激光增材修复用粉末合金成分按重量百分比计的组成为：B：0.02％；C：0.0085％；Cr：16％；Mo：2.5％；Nb：5.5％；Ti：1％；Al：2％；Fe：10％；Co：11％；W：1％；Ni为余量。将上述修复材料制成粒径为50～150μm的球形粉末，采用CO2激光实现修复区域的增材堆焊，增材修复工艺参数为功率2000W，扫描速度为200mm/min，送粉速率为20g/min，加工过程在惰性气体保护下进行，加工完成后，将部分基体和修复堆焊区域放入马弗炉中进行热处理，热处理制度为：1180℃保温2小时后空气中冷却；750℃保温6小时随炉冷去至室温。图3是热处理后样品金相组织照片，可以看出，修复区无裂纹和孔洞等缺陷，修复质量良好。
实施例2：
本实施例中，激光增材修复用粉末合金成分按重量百分比计的组成为：B：0.009％；C：0.01％；Cr：17％；Mo：2.4％；Nb：5.3％；Ti：0.7％；Al：2.1％；Fe：10％；Co：11％；W：1.1％；Ni为余量。将上述修复材料制成粒径为50～150μm的球形粉末，采用CO2激光实现修复区域的增材堆焊，增材修复工艺参数为：功率2200W，扫描速度为210mm/min.，送粉速率为20g/min.，加工过程在惰性气体保护下进行，加工完成后，将部分基体和修复堆焊区域放入马弗炉中进行热处理，热处理制度为：1180℃保温2小时后空气中冷却；750℃保温6小时随炉冷去至室温。上述处理后样品金相组织照片表明：修复区无裂纹和孔洞等缺陷，修复质量良好。
实施例3：
本实施例中，电弧增材修复用丝材合金成分按重量百分比计的组成为：B：0.002％；C：0.0075％；Cr：16％；Mo：2.0％；Nb：5％；Ti：0.4％；Al：2.2％；Fe：10％；Co：11％；W：1.3％；Ni为余量。将上述修复材料制成直径为1.2mm的丝材，采用电弧增材设备实现修复区域的增材堆焊，增材修复工艺参数为电流200A，扫描速度为150mm/min.，电压为25V.，加工过程在惰性气体保护下进行，加工完成后，将部分基体和修复堆焊区域放入马弗炉中进行热处理，热处理制度为：1180℃保温2小时后空气中冷却；750℃保温6小时随炉冷去至室温。图4是上述处理后样品金相组织照片，可以看出，修复区无裂纹和孔洞等缺陷，修复质量良好。
实施例4：
本实施例中，电弧增材修复用丝材合金成分按重量百分比组成为：B：0.002％；C：0.0075％；Cr：18％；Mo：2.05％；Nb：5.1％；Ti：0.45％；Al：2.1％；Fe：11％；Co：11％；W：1.4％；Ni为余量。将上述修复材料制成直径为1.2mm的丝材，采用电弧增材设备实现修复区域的增材堆焊，增材修复工艺参数为电流220A，扫描速度为170mm/min.，电压为27V.，加工过程在惰性气体保护下进行，加工完成后，将部分基体和修复堆焊区域放入马弗炉中进行热处理，热处理制度为：1180℃保温2小时后空气中冷却；750℃保温6小时随炉冷去至室温。上述处理后样品金相组织照片，可以看出，修复区无裂纹和孔洞等缺陷，修复质量良好。
对比例1：
本对比例中，电弧增材修复用丝材合金成分按重量百分比计的组成为：B:0.0025％；C:0.075％；Cr：16％；Mo：2.3％；Nb:6％；Ti:1.2％；Al:2％；Fe:10％；Co:11％；W:1.0％％；Ni为余量。欲将上述修复材料制成直径为1.2mm的丝材。制备丝材过程中，高温精锻时，样件表面和芯部出现大量裂纹，个别裂纹穿透样品厚度截面，导致样品断裂。图5为丝材制备过程中因裂纹而导致的断裂样品。

Claims (5)

1.一种增材修复用镍基高温合金材料，其特征在于：该材料为镍基高温合金，按重量百分含量计，其化学成分为：
B：0.001-0.03％；C：0.005-0.055％；Cr：12-20％；Mo：2.0-3.0％；Nb：5-6％；Ti：0.4-1.2％；Al：1.4-2.3％；Fe：9-12％；Co：9-12％；W：0.8-1.5％；Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的增材修复用镍基高温合金材料，其特征在于：按重量百分含量计，该镍基高温合金材料化学成分为：
B：0.001-0.03％；C：0.005-0.055％；Cr：12-20％；Mo：2.0-3.0％；Nb：5-5.8％；Ti：0.4-1.2％；Al：1.8-2.3％；Fe：9-12％；Co：9-12％；W：0.5-1.5％；Ni为余量。
3.根据权利要求1或2所述的增材修复用镍基高温合金材料，其特征在于：所述合金为粉末状或丝状，可采用超声气体雾化法、旋转电极法制成粉末状合金材料，或采用拉拔制丝方法制备成丝状合金材料。
4.根据权利要求3所述的增材修复用镍基高温合金材料，其特征在于：所述合金为粉末状时，其粒径为50～150μm，所述合金为丝材时其直径为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的增材修复用镍基高温合金材料的应用，其特征在于：该增材修复用镍基高温合金材料用于镍基高温合金增材修复，修复方式为激光增材修复和/或电弧焊增材修复等。
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