專利名稱：一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料及其修復(fù)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫合金渦輪葉片修復(fù)再制造技術(shù)，具體為一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料及其修復(fù)工藝，它是高溫合金渦輪葉片表面損傷微弧火花沉積顯微焊接修復(fù)材料和工藝。
背景技術(shù)：
AUTi是高強(qiáng)度鎳基高溫合金的主要沉淀強(qiáng)化元素，隨著Al+Ti含量增加，合金中沉淀強(qiáng)化相Y ' -Ni3(Al,Ti)體積百分?jǐn)?shù)增加，合金的高溫強(qiáng)度相應(yīng)增加?，F(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片制造主要采用高Al+Ti鎳基高溫合金。這些部件價(jià)格昂貴，如GE公司生產(chǎn)IN-738合金多晶葉片價(jià)格約為1.5萬(wàn)美元/片，定向、單晶葉片則超過(guò)3.0萬(wàn)美元/片。這些部件工作在高溫、高壓、腐蝕性燃?xì)猸h(huán)境中，又是易損件，常常產(chǎn)生各種早期損傷，如磨損、裂紋和燒蝕等，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用。因此，研究發(fā)展高Al+Ti鎳基高溫合金修復(fù)與強(qiáng)化技術(shù)，獲得與鎳基高溫合金部件基體成分和結(jié)構(gòu)相匹配的修復(fù)與強(qiáng)化層，對(duì)于延長(zhǎng)這些高強(qiáng)度高溫合金部件的使用壽命，節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本具有重要意義。
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然而，隨著Al+Ti含量增加，鎳基高溫合金的熱裂紋敏感性隨之增加，易在焊接或焊后熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。為了避免裂紋的產(chǎn)生，通常采用IN625等固溶強(qiáng)化的鎳基高溫合金作為填料和高溫預(yù)熱焊與焊后熱處理工藝，這使焊接修復(fù)僅局限在一些低應(yīng)力部件與部件的低應(yīng)力區(qū)。實(shí)現(xiàn)高Al+Ti鎳基高溫合金的無(wú)裂紋熔焊，特別是采用與工件相同或相近的填料，實(shí)現(xiàn)近、等強(qiáng)度熔焊連接一直是高Al+Ti鎳基高溫合金部件制造與再制造的追求目標(biāo)。由于高溫合金熱裂紋敏感性主要與焊接熱輸入和熱影響區(qū)的反應(yīng)有關(guān)，因此控制和減少焊接熱輸入成為提高焊接性的重要途徑。美國(guó)EPRI的研究報(bào)告指出，低熱輸入焊接工藝具有最大的潛力解決高Al+Ti鎳基高溫合金的焊接問(wèn)題。低熱輸入焊接工藝降低了焊接殘余應(yīng)力，減小了熱影響區(qū)的大小和組織改變，有利于減少熱裂紋的發(fā)生?；诖?，高Al+Ti鎳基高溫合金的焊接修復(fù)工藝正向微型化和低熱化方向發(fā)展，出現(xiàn)了微氬弧焊(μ GTAW)、微等離子弧焊(μ PAW)、微激光束焊(μ LBW)、微弧火花沉積(ESD)等。激光焊是目前報(bào)導(dǎo)最多，也被認(rèn)為是最有潛力的方法，世界很多著名的企業(yè)和研究單位，如=SiemensWestinghouse、Pratt and ffhitney>Rolls Royce>Liburdi>General Electric^Oak RidgeNational Laboratory,中科院金屬研究所,清華大學(xué)等在高Al+Ti鎳基高溫合金的激光焊接修復(fù)方面進(jìn)行了大量的研究工作，取得了許多積極的結(jié)果，成功實(shí)現(xiàn)了諸如IN-738、IN-939、Renel42、U520等高Al+Ti鎳基高溫合金的無(wú)裂紋沉積。但是，高Al+Ti鎳基高溫合金激光熔焊熱裂紋敏感性依然很高，往往要預(yù)熱到700°C以上的高溫才能實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋沉積，而且從工程應(yīng)用角度看，現(xiàn)代渦輪葉片多為空心氣冷薄壁結(jié)構(gòu)，而激光熔深和熱影響區(qū)都比較大，不但容易擊穿葉片而且還可能產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋。微弧火花沉積是脈沖電流在微小的時(shí)空內(nèi)作用產(chǎn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移的過(guò)程。以前在小脈沖電流、電極振動(dòng)放電產(chǎn)生火花情況下，人們將其稱為電火花強(qiáng)化，隨著脈沖電流增大、電極旋轉(zhuǎn)、放電頻率升高，其脈沖微弧焊接特性逐漸顯現(xiàn)，將其稱為微弧火花沉積。微弧火花單脈沖沉積厚度不過(guò)幾十微米，沉積過(guò)程對(duì)基材的熱影響很小，基本不會(huì)引起工件變形和組織改變。許多難用常規(guī)熔焊方法熔焊的材料用微弧火花可以獲得無(wú)裂紋熔焊，如一般認(rèn)為Al含量超過(guò)10wt%的FeAl合金不能實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋熔焊，但是微弧火花沉積卻使Al含量超過(guò)40wt%的FeAl合金實(shí)現(xiàn)了無(wú)裂紋熔焊。

發(fā)明內(nèi)容
為解決高溫合金渦輪葉片表面損傷近等成分修復(fù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料及其配套工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，按重量百分比計(jì)，Ni45%-60%, Co0%_25%，Crl0%-25%, A15%-7%, Ta2%-8%, ReO-6%, HfO-2%, Y0-1%, C0-0.1%,總重量為 100%。所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，優(yōu)選地，按重量百分比計(jì)，Ni50%-55%, Col0%-20%, Crl5%-25%, A15.5%-6.5%, Ta4%-6%, Re2_4%, HfO-l.5%, Y0.4-0.6%, C0.03-0.05%,總重量為100%。所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，修復(fù)材料為沉淀硬化鎳基高溫合金，其直徑為其長(zhǎng)度20mm以上的圓棒。

所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，優(yōu)選地，修復(fù)材料的長(zhǎng)度為50-100mm。所述修復(fù)材料的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，包括如下步驟:(I)先采用真空冶煉方式獲得所需成分的合金，然后再采用線切割的方式將修復(fù)材料制成直徑為長(zhǎng)度20mm以上的圓棒,采用微弧火花沉積工藝在需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率100W-1500W，頻率100-500HZ ；(2)堆焊加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在11500C -1230°C固溶1-6小時(shí)，空冷至室溫；再在800-900°C時(shí)效4_20小時(shí)，隨爐冷卻至室溫；所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，堆焊加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行。所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，優(yōu)選地，堆焊工藝參數(shù)為功率400W-1000W，頻率 250-350HZ。所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，優(yōu)選地，熱處理制度:先在1180°C -1200°C固溶2-4小時(shí)，空冷至室溫；再在830-850°C時(shí)效8_12小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明為渦輪葉片表面缺陷修復(fù)提供了一種新型修復(fù)材料及其修復(fù)工藝，使高y'高溫合金葉片采用高強(qiáng)度的高r高溫合金修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)成為可能，為高溫合金葉片近、等強(qiáng)度修復(fù)提供了一種新的解決方案。2、本發(fā)明采用微弧火花沉積工藝可實(shí)現(xiàn)高Y’強(qiáng)化修復(fù)材料的無(wú)裂紋直接沉積。凝固裂紋、晶界液化裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋是高r強(qiáng)化修復(fù)材料在焊接或焊后熱處理過(guò)程中常出現(xiàn)的三種裂紋形式。采用微弧火花沉積能夠?qū)崿F(xiàn)高Y’強(qiáng)化修復(fù)材料無(wú)裂紋熔焊沉積的主要原因是:(I)凝固裂紋主要是因?yàn)槿鄢睾隣罟?液兩相區(qū)大量的液態(tài)金屬無(wú)法回填枝晶間區(qū)造成的，減少熔體尺寸可以縮小糊狀區(qū)最終達(dá)到控制凝固裂紋的目的。微弧火花沉積顯微熔池的的深度僅數(shù)十微米，寬度達(dá)數(shù)百微米，這樣的微小熔池及凝固形成的高取向組織，都有利于減少結(jié)晶應(yīng)力，避免凝固裂紋的產(chǎn)生。(2)晶界液化裂紋主要是由于晶界上碳化物相及Y '相的成分液化引起的。微弧火花沉積工藝的冷卻速度達(dá)IO5 106K/s，y'強(qiáng)化修復(fù)材料微弧火花凝固能夠形成超細(xì)胞狀晶(間距常小于I μ m),組織細(xì)化和均勻化減少了成分偏析，有利于避免液化裂紋的產(chǎn)生。(3)應(yīng)變時(shí)效裂紋主要是由于大量的Y '相在冷卻過(guò)程快速析出，引起基體收縮形成張應(yīng)力，從而造成開裂。微弧火花沉積高的冷卻速度抑制了 r強(qiáng)化修復(fù)材料中Y'相析出，有效地避免應(yīng)變時(shí)效裂紋的產(chǎn)生。


圖1(a) - (b)為實(shí)施例1渦輪葉片表面缺陷微弧火花沉積修復(fù)層不同比例的組織示意圖。圖2(a) - (b)為實(shí)施例2渦輪葉片表面缺陷微弧火花沉積修復(fù)層不同比例的組織示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Ni45%-60%, CoO%-25%, Crl0%-25%, A15%-7%, Ta2%-8%, ReO-6%, HfO-2%, Y0-1%, C0-0.1%,總重量為 100%。將上述修復(fù)材料制成直徑為長(zhǎng)度20mm以上的圓棒,采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工 藝參數(shù)為功率100W-1500W，頻率100-500HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1150°C -1230°C固溶1-6小時(shí)，空冷至室溫；再在800-900°C時(shí)效4_20小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。實(shí)施例1本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Col5%，Crl8%, A16.5%, Ta4%, Re2%, Υ0.56%, C0.04%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為3mm，長(zhǎng)度50mm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率800W,頻率300HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1200°C固溶3小時(shí)，空冷至室溫；再在850°C時(shí)效10小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。如圖1 (a)_ (b)所示，可以看出，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。實(shí)施例2本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Col8%，Crl0%，Al7%, Ta8%, Re2%, Hf0.24%, Υ0.75%, C0.01%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為6mm，長(zhǎng)度IOOmm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率200W，頻率150HZ，加工過(guò)程在真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1150°C固溶4小時(shí)，空冷卻至室溫；再在900°C時(shí)效4小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。如圖2 (a)- (b)所示，可以看出，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。實(shí)施例3本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Co5%，Cr20%, Al5%, Ta2%, Re5%, Hf2%, Y0.9%, C0.1%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為2mm，長(zhǎng)度30mm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率1500W，頻率100HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1230°C固溶2小時(shí)，空冷至室溫；再在800°C時(shí)效20小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。本實(shí)施例中，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。實(shí)施例4本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Cr23%, A16%,Ta7%, Re6%, Hfl.5%, Υ0.92%, C0.08%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為3mm，長(zhǎng)度40mm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率300W，頻率260HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1180°C固溶3.5小時(shí)，空冷至室溫；再在880°C時(shí)效6小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。 本實(shí)施例中，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。實(shí)施例5本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Co22%，Crl5%, A16.5%, Ta6%, Hf0.05%, Υ0.4%, C0.05%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為4mm,長(zhǎng)度80mm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率500W,頻率200HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1220°C固溶3小時(shí)，空冷至室溫；再在860°C時(shí)效12小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。本實(shí)施例中，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。實(shí)施例6本實(shí)施例中，微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成:Co 13%, Cr 12%, Al 7%, Ta8%, C0.05%,其余為Ni。將上述修復(fù)材料制成直徑為4mm，長(zhǎng)度80mm的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率1000W，頻率400HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1160°C固溶3.5小時(shí)，空冷至室溫；再在830°C時(shí)效16小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。本實(shí)施例中，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。 ·
權(quán)利要求
1.一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，其特征在于:按重量百分比計(jì)，Ni 45%-60%，Co0%-25%，Cr 10%-25%，Al 5%_7%，Ta 2%_8%，Re 0-6%, Hf 0-2%, Y 0-1%, C 0-0.1%,總重量為100%。
2.按照權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，其特征在于，優(yōu)選地，按重量百分比計(jì)，Ni 50%-55%，Co 10%-20%，Cr 15%_25%，Al 5.5%-6.5%, Ta 4%_6%，Re 2-4%, Hf0-1.5%, Y 0.4-0.6%, C 0.03-0.05%,總重量為 100%。
3.按照權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，其特征在于:修復(fù)材料為沉淀硬化鎳基高溫合金，其直徑為2mm-6mm，其長(zhǎng)度20mm以上的圓棒。
4.按照權(quán)利要求3所述的高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料，其特征在于:優(yōu)選地，修復(fù)材料的長(zhǎng)度為50-100mm。
5.一種利用權(quán)利要求1所述修復(fù)材料的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，其特征在于，包括如下步驟: (1)先采用真空冶煉方式獲得所需成分的合金，然后再采用線切割的方式將修復(fù)材料制成直徑為長(zhǎng)度20mm以上的圓棒,采用微弧火花沉積工藝在需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率100W-1500W，頻率100-500HZ ； (2)堆焊加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度:先在1150°C -1230°C固溶1-6小時(shí)，空冷至室溫；再在800-900°C時(shí)效4_20小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。
6.按照權(quán)利要求5所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，其特征在于，堆焊加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行。
7.按照權(quán)利要求5所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，其特征在于，修復(fù)層無(wú)裂紋，修復(fù)層與葉片基體之間結(jié)合界面為冶金熔合，組織均勻，主要強(qiáng)化相為Y’。
8.按照權(quán)利要求5所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，其特征在于，優(yōu)選地，堆焊工藝參數(shù)為功率400W-1000W，頻率250-350HZ。
9.按照權(quán)利要求5所述的高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工藝，其特征在于，優(yōu)選地，熱處理制度:先在1180°C -1200°C固溶2-4小時(shí)，空冷至室溫；再在830-850°C時(shí)效8_12小時(shí)，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫合金渦輪葉片修復(fù)再制造技術(shù)，具體為一種高溫合金渦輪葉片修復(fù)材料及其修復(fù)工藝。微弧火花沉積修復(fù)材料由以下組分按重量百分比組成Ni45%-60%,Co0%-25%,Cr10%-25%,Al5%-7%,Ta2%-8%,Re0-6%,Hf0-2%,Y0-1%,C0-0.1%,總重量為100%。將上述修復(fù)材料制成直徑為2mm-6mm，長(zhǎng)度20mm以上的圓棒，采用微弧火花沉積工藝需要修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)為功率100W-1500W，頻率100-500HZ，加工過(guò)程在氬氣保護(hù)或真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，加工完成后，將修復(fù)部件放入真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理制度1150℃-1230℃固溶1-6小時(shí)，800-900℃時(shí)效4-20小時(shí)。本發(fā)明為渦輪葉片表面缺陷修復(fù)提供了新型修復(fù)材料及其修復(fù)工藝，使高γ'高溫合金葉片采用高γ'高溫合金修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)成為可能，為高溫合金葉片近、等強(qiáng)度修復(fù)提供了新的解決方案。
文檔編號(hào)C22C30/00GK103243242SQ201310170388
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者謝玉江, 王明生, 楊彥紅, 韓旭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所