CN117626448A - 一种降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涡轮叶片的修复延寿技术领域，具体涉及一种显著降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理再结晶倾向的工艺方法。待修复单晶/定向合金零件依次进行热等静压预处理、高温固溶热处理和时效处理；其中热等静压预处理可以降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向，同时提高待修复单晶/定向合金零件的高温固溶热处理温度；高温固溶热处理温度为1220‑1240℃。本发明引入热等静压(HIP)预处理，能够显著降低定向凝固合金的再结晶倾向，提升了高温均匀化处理的充分性和可靠性，同时，保障了蠕变孔洞的充分闭合，促进组织和元素偏析的均匀化，形成了自主定向凝固燃机叶片的恢复处理技术方法。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片的修复延寿技术领域，具体涉及一种显著降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理再结晶倾向的工艺方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的核心热端部件，涡轮叶片在苛刻的服役工况下通常会遭遇两种类型的损伤形式，包括表观损伤和内部物理冶金组织损伤。表观损伤包括叶片的裂纹、掉块和磨损，防护涂层的开裂和剥落，以及叶片的腐蚀和氧化等形式，表观损伤通常可以通过焊接、增材制造修复技术以及防护涂层再制备等技术手段进行修复。涡轮叶片在服役后发生的内部冶金组织损伤包括γ'相的粗化或筏排化、碳化物的退化分解、TCP有害相的析出和晶界组织的退化等，并导致力学性能出现大幅度衰减。
物理冶金组织损伤需采用合理的恢复热处理工艺进行组织与性能的恢复。定向凝固涡轮叶片(包括单晶和定向合金叶片)恢复处理技术的修复机制复杂、技术难度大，其主要原因如下：首先，定向凝固涡轮叶片高温运行中承受的温度高、载荷大，内部组织退化程度高，因此恢复热处理必须采用较高的固溶温度才能达到均匀化效果；然而，单晶/定向动叶片离心载荷巨大，应力分布复杂，高温均匀化处理过程中又非常容易产生再结晶缺陷。因此，解决高温均匀化与再结晶控制之间的矛盾难题是掌握定向凝固涡轮叶片恢复处理技术的关键和难点。
目前，热等静压技术被广泛应用于粉末冶金和大尺寸铸件冶金缺陷(如疏松、微裂纹等)的消除，近些年热等静压技术也被应用于等轴晶合金涡轮叶片的恢复处理，可以有效消除或降低损伤叶片中的蠕变、疲劳孔洞。然而，在定向凝固涡轮叶片修复技术领域的公开报道中，热等静压技术的工程化应用鲜有报道，少数公开报道中也仅限于热等静压对单晶/定向合金显微损伤孔洞和力学性能的影响研究。
中国专利CN116423144A公开了热等静压技术可以用于抗热腐蚀定向合金涡轮叶片的恢复处理，其中热等静压处理的作用为闭合损伤合金内部显微孔洞，可以恢复抗热腐蚀定向合金涡轮叶片显微组织与力学性能，延长叶片使用寿命，但是该专利中并没有研究关于热等静压处理还能够改善定向凝固损伤合金在高温均匀化热处理过程中的再结晶缺陷问题，也没有提出相应的解决方案，同时，在专利CN116423144A中，由于考虑到定向凝固损伤合金的再结晶问题，采用的高温固溶均匀化温度较低，不能实现完全固溶均匀化效果，导致高温均匀化的效果不完全，显微组织和性能的恢复空间还存在进一步提升空间。
因此，形成一种能够降低定向凝固涡轮叶片恢复热处理再结晶倾向的工艺方法，提升高温均匀化热处理的充分性和安全可靠性，对于涡轮叶片组织与性能的恢复，延长叶片使用寿命，保障服役可靠性至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，本发明的工艺方法在高温均匀化固溶热处理之前引入热等静压预处理，热等静压处理除了能够显著闭合显微孔洞缺陷外，还能够显著降低定向叶片在高温均匀化固溶热处理过程中的再结晶倾向，大幅度提高叶片的高温均匀化温度(≥20℃)，显著提升长时服役损伤叶片的组织均匀性。
为实现上述目的，本发明所采用的方案如下：
一种降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，待修复单晶/定向合金零件依次进行热等静压预处理、高温固溶热处理和时效处理；其中热等静压预处理可以降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向，同时提高待修复单晶/定向合金零件的高温固溶热处理温度；高温固溶热处理温度为1220-1240℃，优选的高温固溶热处理温度为1225-1240℃。
热等静压温度为1120-1220℃；热等静压压力为110-200MPa；热等静压时间为100-200min；冷却方式采用随炉冷却。
高温固溶热处理时间为2-6小时，冷却方式采用氩气冷却或空冷。
时效处理是促使固溶后析出的γ'相核心长大，并调整为适宜尺寸和形貌的过程。时效处理包括依次进行的一级时效处理与二级低温时效处理，一级时效处理中，工艺参数为：一级时效温度1000-1140℃，时间2h～4h，冷却方式采用氩气风扇快冷方式；二级低温时效处理工艺参数为：二级低温时效温度830～880℃，时间16h～24h，冷却方式采用氩气风扇快冷。
所述待修复单晶/定向合金零件包括真实服役涡轮叶片和近服役工况不同损伤条件的蠕变中断试验合金。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明针对我国先进发动机和燃气轮机关键核心热端部件检修维护的迫切需求，围绕定向凝固涡轮叶片服役损伤及修复技术中的关键问题，选取广泛应用的国产化燃机透平叶片材料DZ411定向凝固合金以及电厂进口F级燃机叶片等为研究对象，建立一种显著降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复处理工艺方法，目标应用于单晶/定向合金涡轮叶片的工程化修复处理。
本发明引入热等静压恢复处理工艺后，定向凝固合金在高温均匀化热处理中的再结晶倾向得到显著抑制，显微组织得到了充分的恢复，合金的高温力学性能得到大幅度恢复。具体为：热等静压预处理不仅能够大幅减少变形合金中的蠕变孔洞，并且热等静压处理本身还是一种非常有效的降低形变储能和提高元素扩散能力的技术手段，热等静压处理促进了变形损伤合金中位错的反应和湮灭，其中位错缠结基本消除，部分堆垛层错开始分解成不同柏氏矢量的位错线，合金再结晶缺陷得到完全抑制；另外，热等静压还能够促进Al、Ti等γ'形成元素的均匀化扩散，热压缓冷过程中基体通道内析出的三次γ'颗粒阻碍了位错在高温固溶过程中的快速运动，延缓了位错间的过度交互反应，显著降低了再结晶倾向，大幅度提高叶片的高温均匀化温度(≥20℃)。
本发明对于建立定向凝固合金涡轮叶片的修复技术，延长涡轮叶片使用寿命，降低燃机运行成本，提高叶片长时服役可靠性具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1标准蠕变试样示意图。
图2为实施例1 750℃/610MPa试验条件1.0％应变蠕变中断合金的显微组织，其中a，b为γ'组织，c为碳化物组织，d为位错组织。
图3为实施例1采用热等静压(HIP)+高温完全固溶均匀化热处理(1225℃)+时效处理工艺后，750℃/610MPa蠕变试验条件1.0％应变中断合金的恢复组织(EBSD)。
图4为实施例1采用热等静压(HIP)+高温完全固溶均匀化热处理(1225℃)+时效处理工艺后的恢复组织(SEM)。
图5为对比例1 1205℃亚固溶均匀化热处理后750℃/610MPa试验条件1.0％应变蠕变中断合金中的再结晶缺陷(EBSD)：(a)750℃/610MPa，1％应变中断组织；(b)750℃/610MPa，1％应变中断组织+亚固溶处理组织。
图6为对比例2采用热等静压(HIP)+亚固溶均匀化热处理(1205℃)+时效处理工艺后的恢复组织(SEM)。
具体实施方式
实施例1
本实施例的研究对象采用近服役工况不同温度、应力条件的中断蠕变等效损伤DZ411合金。本实施例采用的抗热腐蚀定向DZ411高温合金试棒(规格：φ16mm*220mm)采用液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺制备。将标准热处理(SHT)后的DZ411合金定向试棒机加成标准蠕变力学试样(图1)。针对DZ411定向合金蠕变力学试样分别在900℃/190MPa和750℃/610MPa条件下开展蠕变试验，当总应变量达到1.0％时中断试验，卸载降温，从蠕变试验机卸取试样。针对步骤一中近服役工况不同温度、应力条件的中断蠕变等效损伤DZ411合金，利用扫描电子显微镜(SEM)、透射显微镜(TEM)和拉伸蠕变试验机等分析测试手段，开展不同试验条件中断蠕变损伤合金的显微组织损伤(包括γ'组织的退化、碳化物的退化分解、晶界组织的退化以及变形位错组态的分析表征。其中，750℃/610MPa试验条件1.0％应变蠕变中断合金的组织如图2所示。
考虑到再结晶缺陷控制和退化组织的有效固溶，对研究对象依次进行热等静压(HIP)预处理、高温固溶热处理和时效处理；
热等静压温度为1185℃；热等静压压力为170MPa；热等静压时间为140min；冷却方式采用随炉冷却；
高温均匀化固溶处理温度为1225℃，固溶时间2小时；冷却方式采用空冷方式；
时效热处理包括依次进行的一级时效处理与二级低温时效处理，一级时效处理中，工艺参数为：一级时效温度1120℃±10℃，时间2h，冷却采用氩气风扇快冷方式；二级低温时效处理工艺参数为：二级低温时效温度850℃±10℃，时间24h，冷却方式采用空冷方式。
经过处理后开展损伤合金的组织、再结晶和力学性能分析表征和测试，分析表征采用背向散射电子衍射技术(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)等技术手段，力学性能测试包括拉伸、持久蠕变和疲劳性能等。试验结果表明：引入热等静压预处理后，750℃/610MPa试验条件1.0％应变蠕变中断合金内均未发现再结晶缺陷(图3)，结合后续高温固溶热处理(RHT)，显微组织得到良好的恢复，见图4。同时，由于保障了蠕变孔洞的充分闭合，促进组织和元素偏析的均匀化，合金高温蠕变寿命得到大幅度延长。
对比例1
与实施例1的区别在于：对研究对象依次进行亚固溶恢复热处理和时效处理；
亚固溶温度为1205℃，固溶时间4小时，冷却方式采用氩气冷却；
时效处理与实施例1相同。
试验结果表明：在1205℃亚固溶恢复热处理后，750℃/610MPa试验条件1.0％应变蠕变中断合金中变形位错仍大量残留，合金表面仍出现较为明显的再结晶缺陷(图5)。
对比例2
与实施例1的区别在于：对研究对象依次进行热等静压(HIP)预处理、亚固溶恢复热处理和时效处理；
亚固溶温度为1205℃，固溶时间4小时，冷却方式采用氩气冷却；
热等静压(HIP)预处理、时效处理的条件与实施例1相同。
试验结果表明：对比例2中亚固溶高温处理组织见图6，对比例2中亚固溶高温处理后，枝晶间和枝晶干γ'组织分布不均匀，枝晶间仍然残留粗大γ'组织。相比对比例2，实施例1中经过完全固溶处理后，γ'组织回溶和析出更充分，枝晶间粗大γ'组织消失，枝晶间和枝晶干γ'组织分布更加均匀(图4)。
由实施例和对比例对比可见，引入热等静压(HIP)预处理，能够显著降低定向凝固合金的再结晶倾向，提升了高温均匀化处理的充分性和可靠性，同时，保障了蠕变孔洞的充分闭合，促进组织和元素偏析的均匀化，形成了自主定向凝固燃机叶片的恢复处理技术方法。
引入热等静压(HIP)预处理后，将高温均匀化固溶处理温度提升至1225℃，高温均匀化处理后750℃/610MPa未发现再结晶缺陷，并且相比亚固溶处理(1205℃)，完全高温固溶处理后(1225℃)，枝晶间粗大γ'组织得到充分回溶和再析出，合金内部组织均匀化更充分。
Claims (6)
1.一种降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：待修复单晶/定向合金零件依次进行热等静压预处理、高温固溶热处理和时效处理；其中热等静压预处理可以降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向，同时提高待修复单晶/定向合金零件的高温固溶热处理温度；高温固溶热处理温度为1220-1240℃。
2.根据权利要求1所述的降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：热等静压温度为1120-1220℃；热等静压压力为110-200MPa；热等静压时间为100-200min；冷却方式采用随炉冷却。
3.根据权利要求1所述的降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：高温固溶热处理时间为2-6小时，冷却方式采用氩气冷却或空冷。
4.根据权利要求1所述的降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：高温固溶热处理温度为1225-1240℃。
5.根据权利要求1所述的降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：时效处理包括依次进行的一级时效处理与二级低温时效处理，一级时效处理中，工艺参数为：一级时效温度1000-1140℃，时间2h～4h，冷却方式采用氩气风扇快冷方式；二级低温时效处理工艺参数为：二级低温时效温度830～880℃，时间16h～24h，冷却方式采用氩气风扇快冷。
6.根据权利要求1所述的降低定向凝固涡轮叶片再结晶倾向的恢复热处理工艺方法，其特征在于：所述待修复单晶/定向合金零件包括真实服役涡轮叶片和近服役工况不同损伤条件的蠕变中断试验合金。
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