CN114669956A - 一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮机叶片修复的研究领域，提供一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法，该方法包括如下步骤，将含Zr低熔点粉末A和多主元合金的粉末B溶解于溶剂中，在保护气氛下进行球磨，得到均匀混合粉末；将适量乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺和硬脂酸混合后，得到黏结流体；将得到混合粉末加入到黏结流体中搅拌均匀，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；将得到修复剂涂覆于高温合金叶片待修复的缺陷处，并置于真空炉中的热处理，即完成修复。本发明为Inconel738LC制燃气轮机涡轮叶片提供了新的思路，具有方法适用性广、灵活性强，可以根据高温合金叶片缺陷或破损处的尺寸和形状任意调节优化等优点。

Description

一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法

技术领域

本发明属于汽轮机叶片修复的研究领域，特别提供了一种适用于修复Inconel738LC镍基高温合金的修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法。

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，容易成为重大事故的隐患。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。

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，后依靠熔化来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Inconel738LC高温合金含有较高含量的Al、Ti元素，容易导致靠近修复区的γ＇相发生显著变化，甚至有可能产生微裂纹，造成修复叶片的性能显著下降。传统钎焊一般使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时，钎料将会熔化流动填充需要修复的间隙，并母材相互扩散形成冶金结合扩散层的焊接方法。传统钎焊一般追求低的修复温度而使用与基材在成分相差很大的钎料，最终钎料通过变温凝固完成修复过程。最终容易在焊接区域形成非常多的脆性共晶组织，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固相扩散，在界面处形成新的扩散层，从而实现可靠连接。但扩散焊成本较高，所需时间较长，可修复缺陷尺寸有限。

发明内容

本发明公开了一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法，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：一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法，所述方法包括如下步骤，

S1）将含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B溶于溶剂中，在保护气氛下进行球磨，得到均匀混合粉末；

S2）将适量乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺和硬脂酸混合后，得到黏结流体；

S3）将S2）得到黏结流体加入到S1）得到混合粉搅拌，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；

S4）将S4）得到修复剂涂覆于Inconel738LC镍基高温合金的待修复处，并置于真空炉中的热处理，即完成修复。

进一步，所述S1）中含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B的质量比为(0.1-0.3):1。

进一步，所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、3-15wt.%Zr，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%Mo、0.5-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。

进一步，所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：8-16wt.%Cr、4-6wt.%Co、1-3wt.%Al、1-3wt.%Ti、1-3wt.%W、1-2wt.%Mo、3-13wt.%Zr，余量为Ni和不可避免的杂质，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为：10-20at.%Cr、10-20at.%Co、3-10at.%Al、1-5at.%W、1-5at.%Mo、1-5at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。

进一步，所述S3）的热处理的具体工艺为：

S3.1）在真空环境中，以10℃每分钟升温到400-500℃保温1-3小时，

S3.2）再以5℃每分钟升温到至1100-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后通氩气快冷。

进一步，所述修复后的Inconel738LC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≥65%。

进一步，所述含Zr低熔点粉末A粉末粒径小于20μm，所述多主元合金粉末B的粒径小于106μm。

进一步，所述含Zr低熔点粉末A粉末粒径为8-28μm，所述多主元合金粉末B的粒径为53~100μm。

进一步，所述S1）中球磨以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在20-60转/分钟的转速下混合2-12小时。

进一步，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。

进一步，所述黏结流体的各个成分的质量百分数为：0.5-4wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.%聚丙烯酰胺、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量乙醇。

瞬时液相连接法(Transient liquid phase bonding, TLP)是使用中间层在保温过程中熔化并润湿填充叶片而完成修复的方法。与传统钎焊法的相比，TLP法的主要特征是中间层通过等温凝固使液相消失以完成修复过程。同时通过后续的热处理，可以使修复区域组织逐渐均匀化，以尽可能的降低修复叶片的组织不均匀性。TLP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化，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锆元素可以有效的降低其熔点，且合金中添加适量锆元素不仅可以提高晶界结合力而强化晶界，还可以通过进入γ′相提升合金的高温强度。但为了满足降熔要求，中间层材料中必须加入较多的锆元素，而过多的锆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γ+γ′相的共晶组织和Ni₅Zr、Ni₇Zr₂金属间化合物相在修复区内部和修复区/基体界面处生成，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使组织逐渐均匀化，从而完成修复过程。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既可以降低修复成本，又可以有效降低有害相的生成，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，低熔点粉末中锆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（多主元）合金在近年来的发展为申请人在粉末冶金法修复Inconel738LC高温合金涡轮叶片提供了新的思路。所述Inconel738LC是镍基高温合金的牌号，镍基高温合金各个组分的质量百分数为：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。高熵（多主元）合金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。可以预期的是，使用高熵合金作为修复区不熔粉末骨架可以有效降低液相与骨架之间的扩散速率，从而可以使液相在修复过程中发生充分的流动，促进颗粒重排以提升修复区的致密度。此方法可以最大限度的降低低熔点粉末使用量，故可以降低修复过程中降熔元素的引入，从而有效抑制修复区域有害相的析出、提升修复叶片力学性能。

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，为燃气轮机叶片的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。由于低熔点粉末添加量少，故即使形成极少量的镍锆金属间化合物，也对叶片的力学性能特别是低周疲劳性能影响较小。

3、本发明提供的修复材料和方法成本低、适用性广、灵活性强，可以使用绝大部分叶片缺陷或破损的修复需求。

附图说明

图1为本发明一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法，所述方法包括如下步骤，

S1）将含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B溶于溶剂中，在保护气氛下进行球磨，得到均匀混合粉末；

S2）将适量乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺和硬脂酸混合后，得到黏结流体；

S3）将S2）得到黏结流体加入到S1）得到混合粉搅拌，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；

S4）将S4）得到修复剂涂覆于Inconel738LC镍基高温合金的待修复处，并置于真空炉中的热处理，即完成修复。

所述S1）中含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B的质量比为(0.1-0.3):1。

所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、3-15wt.%Zr，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%Mo、0.5-6)at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。

所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：8-16wt.%Cr、4-6wt.%Co、1-3wt.%Al、1-3wt.%Ti、1-3wt.%W、1-2wt.%Mo、3-13wt.%Zr，余量为Ni和不可避免的杂质，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为：10-20at.%Cr、10-20at.%Co、3-10at.%Al、1-5at.%W、1-5at.%Mo、1-5at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质，多主元粉末的作用，降低含Zr低熔点元素的扩散。

所述S3）的热处理的具体工艺为：

S3.1）在真空环境中，以10℃每分钟升温到400-500℃保温1-3小时，

S3.2）再以5℃每分钟升温到至1100-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后通氩气快冷，调整析出相的形貌和尺寸，增加组织稳定性。

所述修复后的Inconel738LC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≥65%。

所述含Zr低熔点粉末A粉末粒径小于20μm，所述多主元合金粉末B的粒径小于106μm。

所述含Zr低熔点粉末A粉末粒径为8-28μm，所述多主元合金粉末B的粒径为53~100μm。

所述S1）中球磨以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在20-60转/分钟的转速下混合2-12小时，使含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B均匀混合。

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。粘结流体与粉末润湿性好，在低温易去除，几乎没有残留。

所述黏结流体的各个成分的质量百分数为：0.5-4wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.%聚丙烯酰胺、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量乙醇。

实施例1：

将成分为Ni-8wt.%Cr-4wt.%Co-1wt.%Al-2wt.%Ti-1wt.%W-1wt.%Mo-13wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-15at.%Cr-15at.%Co-3at.%Al-1at.%W-1at.%Mo-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60转/分钟的转速下混合8小时。将成分配比为4wt.%PVP、4wt.%PAM、1wt.%SA、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20:1。将修复剂涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先以10℃每分钟升温到500℃保温3小时，以5℃每分钟升温到至1120℃保温3小时，随炉温冷却到700℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，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2：

将成分为Ni-12wt.%Cr-5wt.%Co-2wt.%Al-3wt.%Ti-2wt.%W-2wt.%Mo-10wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-18at.%Cr-18at.%Co-6at.%Al-2at.%W-2at.%Mo-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50转/分钟的转速下混合6小时。将成分配比为3wt.%PVP、2.5wt.%PAM、0.8wt.%SA、40wt.%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16:1。将修复剂涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先以10℃每分钟升温到450℃保温2小时，再以5℃每分钟升温到至1150℃保温2小时，随炉温冷却到760℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为692MPa，达到母材强度的65%以上。

实施例3：

将成分为Ni-15wt.%Cr-5.5wt.%Co-3wt.%Al-3wt.%Ti-2.5wt.%W-2.5wt.%Mo-6wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-20at.%Cr-20at.%Co-8at.%Al-3at.%W-3at.%Mo-3at.%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40转/分钟的转速下混合4小时。将成分配比为2wt.%PVP、1.5wt.%PAM、0.5wt.%SA、40wt.%丙醇和余量乙醇的粘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12:1。将修复剂涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先以10℃每分钟升温到480℃保温3小时，再以5℃每分钟升温到至1180℃保温2小时，随炉温冷却到840℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，将修复后的修复区制成拉伸件，测得室温抗拉强度为679MPa，达到母材强度的65%以上。

实施例4：

将成分为Ni-16wt.%Cr-6wt.%Co-3wt.%Al-3wt.%Ti-3wt.%W-3wt.%Mo-4wt.%Zr的粉末A和成分为Ni-25at.%Cr-25at.%Co-10at.%Al-5at.%W-5at.%Mo-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30转/分钟的转速下混合2小时。将成分配比为0.5wt.%PVP、0.5wt.%PAM、0.1wt.%SA、30wt.%丙醇和余量乙醇的粘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。将浆料涂覆于Inconel738LC叶片需要修复处后，将叶片置于真空炉中，先以5℃每分钟升温到至500℃保温2小时，再升温至1250℃保温2小时，随炉温冷却到880℃后通氩气快冷至室温完成修复过程，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)

1.一种修复高温合金叶片缺陷的粉末冶金修复方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

S1）将含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B溶于溶剂中，在保护气氛下进行球磨，得到均匀混合粉末；

S2）将适量乙醇、丙醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺和硬脂酸混合后，得到黏结流体；

S3）将S2）得到黏结流体加入到S1）得到混合粉搅拌，得到具有流动性和黏结性的胶凝态修复剂；

S4）将S4）得到修复剂涂覆于高温合金叶片待修复的缺陷处，并置于真空炉中的热处理，即完成修复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）中含Zr低熔点粉末A和多主元合金粉末B的质量比为(0.1-0.3):1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：6-18wt.%Cr、3-8wt.%Co、1-8wt.%Al、1-8wt.%Ti、0.5-5wt.%W、0.5-4wt.%Mo、3-15wt.%Zr，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为： 8-25at.%Cr、8-25at.%Co、3-15at.%Al、0.5-5at.%W、0.5-5at.%Mo、0.5-6at.%Ti，余量为Ni和不可避免的杂质。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含Zr低熔点粉末A中的各个组分的质量百分数为：8-16wt.%Cr、4-6wt.%Co、1-3wt.%Al、1-3wt.%Ti、1-3wt.%W、1-2wt.%Mo、3-13wt.%Zr，余量为Ni和不可避免的杂质，

所述多主元合金粉末B的各个组分的原子百分数为：10-20at.%Cr、10-20at.%Co、3-10at.%Al、1-5at.%W、1-5at.%Mo、1-5at.%Ti，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S3）的热处理的具体工艺为：

S3.1）在真空环境中，以10℃每分钟升温到400-500℃保温1-3小时，

S3.2）再以5℃每分钟升温到至1100-1250℃保温1-3小时，随炉温冷却到700-900℃后通氩气快冷。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修复后的高温合金叶片修复区的孔隙率＜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%。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含Zr低熔点粉末A的粒径小于20μm，所述多主元合金粉末B的粒径小于106μm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）中球磨以不锈钢球为介质，氩气为保护气氛，在20-60转/分钟的转速下混合2-12小时。

9.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。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述黏结流体的各个成分的质量百分数为：0.5-4wt.% 聚乙烯吡咯烷酮、0.5-4wt.%聚丙烯酰胺、0.1-1wt.% 硬脂酸、30-45wt.%丙醇和余量为乙醇。

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