等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法
【专利摘要】本发明提出的一种等轴晶铸造机件再熔铸修复方法，采用与机件成份相近的合金粉末，粒度为-300目～180目，分别加入软化温度呈10℃～50℃的梯度分布的二种合金粉末，粒度为-300目～260目和-300目，加入为总量的4wt%～10wt%，并加入粘接剂制成修复材料A；采用含有的钽、钇合金元素的合金粉末，并加入粘接剂混合制成膏状修复材料B；修复时按25wt%～30wt%的配比将A和B材料涂敷在缺陷处后进行烘干，送入真空炉烧结完成再熔铸修复方法，能获得较高机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性和较低气孔率的修复组织，且不需要特别的扩散处理。特别适用于燃气发动机热端部件的大缺陷和高应力区域修复。
【专利说明】等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等轴晶铸造的高温合金机件在使用中产生的腐蚀、裂纹、烧蚀、磨损等缺陷修理方法，尤其是镍基等轴晶铸造的高温合金机件的缺陷再熔铸修复方法。
【背景技术】
[0002]石油、电力和航空领域大量使用的燃气发动机涡轮转子和静子机件，因工作在高温腐蚀燃气环境下，大量采用等轴晶高温合金铸造机件。等轴晶铸造高温合金是用普通精密铸造方法成型铸造高温合金。组织以大小不等的等轴晶为主，局部可有少量柱状晶。按基体兀素来分，闻温合金又分为铁基、镇基、钻基等闻温合金。目如，在先进的发动机上，闻温合金已占发动机总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用高温合金。由于等轴晶铸造高温合金机件在使用过程中产生的常见性故障主要为裂纹、腐蚀、掉块、磨损和烧蚀等。目前对等轴晶高温合金铸造复杂机件损伤故障修复主要采用钎焊修复，其修复方法主要有氟离子加真空钎焊修复，以及高熔点粉末和低熔点粉末混合或分层进行真空烧结修复等。如:2010年2月《中国表面工程》第23卷第I期第80-87页公开的一种新的高温合金叶片粉末冶金再制造方法，该方法包括(I)原料粉末(含降熔元素)与粘接剂的制备，(2)粉末与粘接剂混合，(3)混合料涂覆于待修复区并成型，
(4)脱脂，(5)真空烧结和扩散热处理，(6)修型。该方法不足之处是:(I)混合料为了保证修复组织有较低的气孔率，修复处将加入大量的降熔元素，导致了修复组织的机械性能较低，(2)修理周期长，修理成本高，需要分三个不同阶段进行脱脂和长时间扩散处理。
[0003]中国专利号200510088280.7 (
【公开日】为2006年02月15日)公开了一种“再生燃气轮机静叶片的方法”，该方法包括研磨在表面的氧化层和裂纹，将与叶片材料等效的材料与低于等效材料熔点的钎料置于裂纹处，在高压惰性气氛下对所述填充部分进行热处理，从而熔化所述钎焊材料，通过使熔化的钎焊材料扩散入裂纹部分来实施钎焊处理。该方法的不足之处在于:(I)在等效材料和钎料中没有加粘接剂，导致等效材料和钎料在裂纹处的难以保持，(2)为了保证修复组织有较低的气孔率，采用的等效材料与钎料的混合方法，修复处将加入大量的降熔元素，会导致修复组织的机械性能较低。
[0004]中国专利号200910248657.9 (
【公开日】为2011年06月29日)公开了一种涡轮导向叶片缺陷的修补方法，采用膏状合金粉(FGH741)填充缺陷，然后在已被填充的缺陷地周边涂敷膏状钎料(B_Ni65CoCrWBMoAlNb)，比例为各百分之50wt%，之后烘干，修复操作，真空钎焊。该方法的不足之处是，采用比例为50wt%合金粉与钎料，修复组织中的硼、硅、磷等降熔元素较高，合金粉末之间形成的骨架状孔隙，易导致修复组织的机械性能较低。
[0005]上述方法为了保证钎焊组织中的气孔率，一般合金粉末与钎料的配比在40wt%以上，修复组织中的硼、硅、磷等降熔元素较大，需要通过长时间的高温扩散处理，才能将降熔元素扩散均匀，但总量还是很高。因此对一些大面积的高温合金铸造机件的损伤打伤、烧伤、材料缺失故障，且要求较高机械性能的区域，修复组织难以满足使用要求，同时需要较长时间的扩散处理，这样会增加机件的热损伤，延长机件的修复周期和增加修复成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种能够提高修复组织机械性能，不用扩散处理，并能获得较高机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性和较低气孔率的再熔铸修复方法，本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其特征在于包括如下步骤:
1)采用与机件基体材料化学成份相近，粒度在-300目?180目合金粉末作为再熔铸修复材料的第一组份；然后在第一组份合金粉末中加入粉末粒度-300目?260目，软化温度低于第一组份合金粉末10°C?50°C，加入量为总量4wt%?10wt%的第二组份合金粉末；再加入合金粉末粒度小于-300目，软化温度低于第二组份合金粉末10°C?50°C，加入量为总量4wt%?10wt%的第三组份合金粉末，然后将上述三组份合金粉末进行充分混合，再加入8wt%?15wt%的粘接剂混合，搅拌混合2小时后制成膏状再熔铸修复材料A ;
2)然后将含有0.4 wt%?1.0wt%的钽、钇等元素的第四组份合金粉末，加入8wt%?15wt%的粘接剂，搅拌混合2小时后制成膏状再熔铸修复材料B ；
3)将上述A材料涂敷在用机械加工方法去缺陷的修复部位，再在A材料表面再涂敷相对于A材料重量25wt%?30wt%的B材料，将涂敷好的机件在120°C?160°C下，烘干4h，然后送入真空炉中进行真空烧结；
4)真空烧结中，真空炉的真空度低于10_5mbar以下，以8°C/min?10°C /min的速率升温至1020°C，保温15分钟?30分钟，再以2V /min?6°C /min的速率升温至1180°C保温5分钟，再用15°C /min的速率升温至1200°C?1230°C，保温2.0h以上。
[0007]本发明相比于现有方法具有如下有益效果:
1)提高了修复组织的机械性能，同时真空钎焊后不用进行扩散处理。本发明采用基体合金成份相近、不同粒度、软化温度呈梯度分布的多组份合金粉末混合体系与粘接剂混合组成双组份的修复材料，中间配合特定的升温速率和采用钽、钇抗氧化元素的钎料，可促使降熔元素均匀分布在修复组织中，有效降低硼、硅、磷等降熔元素在修复组织中的比例，减少合金粉末之间形成的骨架状孔隙，能获得较高机械强度、抗氧化性、抗腐蚀性和较低气孔率的修复组织，真空烧结后不需要特别的扩散处理；
本发明采用软化温度呈梯度分布的多组份合金粉末体系，配合特定升温速率和添加钽、钇抗氧化元素，扩大了合金的固溶度范围，提高了合金化程度、高温强度和工作温度，创制出强度和使用温度更高的合金再熔铸修复材料，并保持相当高的强化效果。本发明采用不同的速率升温和保温时间，以及梯度升温真空烧结热处理可以使粉末冶金高温合金熔铸修复材料获得高强度的合金组织，使修复组织的成分更加均匀；
2)本发明采用含有少量的钽、钇等抗氧化元素的第四组份合金粉末和粘接剂混合组成修复组织钎料，可以提高修复组织的抗氧化性和抗腐蚀性，修复部位组织的抗氧化性和抗腐蚀性接近于基体组织；
3)应用本发明的方法不需要长时间的扩散处理的修复方法，修复组织最小气孔率可达0.08wt%o
[0008]本发明可用于机件的打伤、烧伤、材料缺失故障的大面积高强度修复。特别适合于地面和航空燃气发动机的涡轮导向叶片的大缺陷和高应力区域的修复，如:涡轮导向叶片的内、外缘板大面积烧穿，进、排气边的掉块，安装定位槽的局部大尺寸磨损等需要局部材料再生修复部位。
【具体实施方式】
[0009]根据本发明，按下述步骤完成再熔铸修复材料的制备和再熔铸修复:
1)采用与机件材料化学成份相近，粒度在-300目?180目之间的第一组份合金粉末，合金粉末材料包括镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金；
2)在第一组份合金粉末中加入第二组份合金粉末(商售)4wt%?10wt%，该合金粉末的软化温度(合金在一定的高温下产生塌陷)为第一组合金粉末的10°C?50°C范围内任意取值，粉末粒度在-300目?260目范围内任意取值；
3)在第一组份合金粉末中加入第三组份合金粉末(商售)4wt%?10wt%,该合金粉末的软化温度为第二组合金粉末10°C?50°C范围内任意取值，粉末粒度小于-500目?-300目范围内任意取值；
4)将三组份合金粉末进行充分混合，加入8wt%?15wt%范围内任意取值的粘接剂混合
2.0h后制成膏状再熔铸修复材料A。所述的粘接剂可以是有机粘接剂。有机粘接剂成份为丙烯酸甲脂、甲基丙烯酸正丁酯、异丁烯、丙烯酸乙酯、丁二烯、甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙稀、甲基丙烯酸乙酯等有机物的聚合物或它们的共聚物，也可以是它们聚合物的混合物。在粘接剂中所占比例为30%?35%;与丙酮、甲苯、乙酸丁酯、二甲苯、正丁醇、乙酸乙脂、二异丙醚等有机溶剂混合。有机溶剂可以是一种也可以为二种以上的混合物，溶剂在粘接剂中所占比例为42%?48% ;为粘接剂的可塑性，也可以在粘接剂中添加一定数量的邻苯二甲酸二丁脂、邻苯二甲酸二乙脂、磷酸三苯酯、邻苯二甲酸二辛脂、磷酸三甲酚酯等增塑剂，增塑剂在粘接剂中所占比例为12%?17%。为了提高合金粉末材料在高温真空中的活性，需要加入 4% ?6% 的 TritonX-1OO (商售)、TritonX-405 (商售)、TritonGR_5M (商售)或其它有机活化剂，将以上四种成份按比例混合均匀而成；
5)将含有0.4 wt%?1.0wt%范围内任意取值的钽、钇等抗氧化元素的第四组份合金粉末(商售)加入8wt%?15wt%范围内任意取值的粘接剂混合2.0h后制成膏状再熔铸修复材料B ;
6)将A材料涂敷在用机械加工方法去缺陷的修复部位，在A材料表面再涂敷相对于A材料重量的25wt%?30wt%范围内任意取值的B材料；
7)涂敷好的机件在120°C?160°C下，烘干4.0h ；
8)真空烧结处理:送入真空度低于10_5mbar以下的真空炉中，以8°C/min?10°C /min的速率升温至1020°C，保温15分钟?30分钟，再以2 V /min?6°C /min的速率升温至1180°C保温5分钟，再用15°C /min的速率升温至1200°C?1230°C，保温2.0h以上。且可在在上述定义的温度区间范围内任意取值。
【权利要求】
1.一种等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其特征在于包括如下步骤: 1)采用与机件基体材料化学成份相近，粒度在-300目?180目合金粉末作为再熔铸修复材料的第一组份；然后在第一组份合金粉末中加入粉末粒度-300目?260目，软化温度低于第一组份合金粉末10°C?50°C，加入量为总量4wt%? 10wt%的第二组份合金粉末；再加入粉末粒度小于-300目，软化温度低于第二组份合金粉末10°C?50°C,加入量为总量的4wt%?10wt%的第三组份合金粉末，然后将上述三组份合金粉末进行充分混合，再加入8wt%?15wt%的粘接剂混合，搅拌混合2小时后制成膏状再熔铸修复材料A ; 2)然后将含有0.4 wt%?1.0wt%的钽、钇等抗氧化元素的第四组份合金粉末，并加入8wt%?15wt%的粘接剂，搅拌混合2小时后制成膏状再熔铸修复材料B ； 3)将上述A材料涂敷在用机械加工方法去缺陷的修复部位，再在A材料表面再涂敷相对于A材料重量25wt%?30wt%的B材料，将涂敷好的机件在120°C?160°C下，烘干4h，然后送入真空炉中进行真空烧结。
2.如权利要求1所述的等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其度特征在于:真空烧结中，真空炉的真空度低于10_5mbar以下，以8°C /min?10°C /min的速率升温至1020°C，保温15分钟?30分钟，再以2V /min?6°C /min的速率升温至1180°C保温5分钟，再用15°C /min的速率升温至1200°C?1230°C，保温2.0h以上。
3.如权利要求1所述的等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其特征在于:所述的合金粉末材料包括镍基高温合金、钴基高温合金和铁基高温合金。
4.如权利要求1所述的等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其特征在于:所述的粘接剂是有机粘接剂。
5.如权利要求4所述的等轴晶铸造机件损伤的再熔铸修复方法，其特征在于:有机粘接剂成份为丙烯酸甲脂、甲基丙烯酸正丁酯、异丁烯、丙烯酸乙酯、丁二烯、甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙稀、甲基丙烯酸乙酯有机物的聚合物或它们的共聚物，或是它们聚合物的混合物。
【文档编号】B22D23/06GK103909246SQ201410159945
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】向巧, 何勇, 任天明 申请人:中国人民解放军第五七一九工厂