一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤再热恢复方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤再热恢复方法。

背景技术

透平叶片作为燃气轮机实现能量转换的核心部件，是工作环境最恶劣、结构最复杂、故障最多的热通道部件之一。随着燃气轮机透平进气温度的提高，对透平叶片用材提出了更高要求。

定向凝固(含单晶)镍基高温合金一般为沉淀强化型合金，在合适热处理条件下能够获得奥氏体γ+γ′相组织，其中，γ′相作为主要沉淀强化相，其尺寸、存在形态及体积分数共同决定镍基高温合金的使用性能。特别地，沉淀强化型镍基高温合金具有独特的高温强度、高温耐蚀和抗氧化性能，目前已广泛用于制造现代燃气轮机包括e级、f级甚至h级燃气轮机透平叶片。经长时间服役，高温合金材料不可避免发生各种微观组织蠕变损伤，包括γ′相球化和筏化、碳化物分解和膜状化、tcp相析出等，这严重影响其高温性能和服役寿命。为了防止此类损伤对燃气轮机造成致命的安全威胁，燃机制造商推荐每运行等效运行时间24000h需更换或翻修热通道部件，然而部件更换费用极其高昂。以恢复热处理为代表的翻修方法已被国外广泛用于热通道部件的延寿修复，以期获得适当的强化相尺寸、形态、分布和体积分数，以及优良的高温性能。

热等静压恢复热处理可有效消除晶界蠕变孔洞，同时适当的恢复热处理工艺能够确保其微观组织与服役前的原始材料组织基本一致，同时提高相组织的稳定性。但相比于再热恢复处理，热等静压恢复热处理的成本较高且操作较复杂。也有研究结果表明，对于无蠕变孔洞的服役透平叶片材料，热等静压的加入并无明显优势。实际上，现代e级、f级甚至h级燃气轮机透平叶片多使用具有高抗蠕变孔洞能力的定向凝固(含单晶)镍基高温合金，这为开发相对廉价的常规再热恢复处理工艺带来新的契机，但目前对定向凝固(含单晶)镍基高温合金的常规再热恢复处理的研究报道仍然非常有限，且在以往关于再热恢复处理的研究中多通过蠕变中断实验模拟叶片的服役损伤，并经过再热恢复处理研究γ′相和碳化物等显微组织和蠕变性能的变化，对实际服役叶片的再热恢复处理研究还不够深入。另外，由于不同定向凝固(含单晶)镍基高温合金组织结构多样、化学成分各异、服役历史和损伤机制不同，已报道的再热恢复处理工艺各不相同，对于特定合金的组织和性能恢复借鉴价值不高。

因此，开发一种普适性的、相对廉价的定向凝固透平叶片服役蠕变损伤组织和性能再热恢复方法具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的旨在克服上述不足，提供了一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤再热恢复方法，该方法结合全固溶和二级时效工艺，既能溶解服役透平叶片材料中的粗化组织，又能重新析出强化相，并优化其尺寸、形态、分布和体积分数，以达到改进透平叶片材料强度和韧性的目的，最终获得的透平叶片材料组织和性能接近或优于服役前透平叶片材料的组织和性能水平。本发明成本低廉、操作简单、经济效益高、通用性强、便于自动化，能够满足现代燃气轮机透平叶片修复和延寿要求。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤再热恢复方法，包括以下步骤：

1)全固溶：先用夹具固定服役定向凝固透平叶片，后置于热处理炉的保温区，抽真空，后回填惰性气体，反复2～3次，确保炉膛内空气排尽，后升温至1150℃～1320℃范围内，确保此温度值处于透平叶片材料的全固溶温度与初熔温度区间内，保温1h～6h，炉内气冷至室温；

2)一次时效：升温至1050℃～1150℃范围内，确保该温度低于透平叶片材料的固溶温度，保温1h～6h，炉内气冷至室温；

3)二次时效：再升温至750℃～950℃范围内，保温12h～48h，炉内气冷至室温，再热恢复处理后透平叶片材料的组织和性能接近或优于服役前透平叶片材料的组织和性能水平。

本发明进一步的改进在于，透平叶片材料为现代燃气轮机透平叶片所用定向凝固镍基高温合金材料，包括dsgtd111、dsgtd-222、dsgtd-444、dscm-247、dsmga1400、mar-m200hf、dsmar-m002、scpwa1480、scpwa1483、sxrenén5、cmsx-2、cmsx-4、cmsx-10和tms275。

本发明进一步的改进在于，热处理炉的工作真空度能够达到10^-1pa，最高工作温度能够达到：1400℃，同时能够回填惰性气体并控制冷却速度，冷却速度的控制范围为10℃/min～80℃/min。

本发明进一步的改进在于，热处理炉中回填惰性气体为氩气、氦气和氮气一种或多种的混合气体。

本发明进一步的改进在于，透平叶片材料的组织特征参数包括γ′、碳化物的成分、形态、尺寸和体积分数。

本发明进一步的改进在于，透平叶片材料的性能包括拉伸、蠕变和疲劳性能。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提出了一种普适性的、相对廉价的结合全固溶+两级时效处理的定向凝固(含单晶)透平叶片服役蠕变组织和性能恢复方法，由于该方法未使用热等静压工序，克服了热等静压恢复热处理工艺成本高昂、操作较复杂的突出问题。由于本发明提供的再热恢复方法是针对现役e级、f级甚至h级燃气轮机透平叶片普遍存在的服役损伤共性问题提出的，具有极强通用性，普遍适用于在役重型燃气轮机透平叶片所用的定向凝固(含单晶)镍基高温合金材料服役损伤组织和性能的恢复处理。由于本发明采用的全固溶+两级时效处理相结合的方法，既能溶解不同服役损伤程度的透平叶片材料中的粗化组织，又能重新析出全新的强化相，可通过调整工艺参数获得理想的全新组织形貌，具有广阔的工艺调整空间和服役损伤适用范围。

进一步，由于本发明提供的恢复方法能够恢复定向凝固(含单晶)透平叶片服役蠕变损伤组织包括γ′、碳化物等的尺寸、形态、分布和体积分数，而γ′、碳化物等是决定透平叶片材料高温性能和焊接性的主要参数，因此该发明不仅用于提高透平叶片材料高温性能和延长服役寿命，也可用于焊接性能的改进，具有广泛的应用前景。

进一步，由于采用本发明所述再热恢复方法能够获得双尺寸形态特征的γ′相，包括大尺寸方形γ′和小尺寸点状γ′两种形态，其组织特征参数接近或优于服役前的组织状态。再热恢复处理后透平叶片的服役寿命与服役前透平叶片的接近，再热恢复处理后透平叶片可直接安装到燃气轮机机组，继续服役至下一个检修周期，从而减少部件的报废率并带来巨大的经济效益。

进一步，由于本发明所述再热恢复方法的主要处理设备包含热处理炉，不同透平叶片材料的主要处理过程基本相同，适宜批量处理。因此本发明所述的恢复方法不仅成本低廉、操作简单、经济效益高、通用性和适用性强，且便于自动化。

综上所述，经再热恢复处理后的定向凝固(含单晶)镍基高温合金具有双尺寸形态γ′相组织特征，包括大尺寸方形γ′和小尺寸点状γ′两种形态，其组织状态接近或优于服役前的组织状态。本发明恢复方法成本低廉、操作简单、经济效益高、通用性强、便于自动化。

附图说明

图1是本发明所述的燃气轮机透平叶片所用定向凝固(含单晶)镍基高温合金材料的服役蠕变损伤组织和性能的再热恢复工艺流程。

图2是本发明所述的燃气轮机透平叶片所用定向凝固(含单晶)镍基高温合金材料的服役蠕变损伤组织和性能的再热恢复原理图。

图3为不同材质透平叶片的叶根(原始态)组织形貌。其中，图3(a)和图3(b)分别为dsgtd111合金材料金相组织和γ′相微观形貌，图3(c)和图3(d)分别为scpwa1483合金材料组织和γ′相微观形貌。

图4为不同材质透平叶片服役蠕变损伤组织形貌。其中，图4(a)和图4(b)分别为dsgtd111合金材料金相组织和γ′相微观形貌，图4(c)和图4(d)分别为scpwa1483合金材料金相组织和γ′相微观形貌。

图5为不同材质透平叶片恢复后的组织形貌。其中，图5(a)和图5(b)分别为dsgtd111合金材料金相组织和γ′相微观形貌，图5(c)和图5(d)分别为scpwa1483合金材料组织和γ′相微观形貌。

图6为再热恢复处理前后不同材质透平叶片的显微硬度值。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

首先本发明的设计原理说明如下：

在γ′相全固溶温度与初熔温度区间内的某一温度条件下，对服役定向凝固(含单晶)透平叶片进行全固溶处理，使得服役蠕变损伤合金中的一次粗大形变γ'相、部分碳化物以及非平衡态的γ+γ′共晶回溶到γ基体中，基体中溶质处于过饱和状态，在随后冷却过程中，随着γ基体内γ′相形成元素的溶解度的降低逐渐析出尺寸细小、分布均匀的二次γ'相。此时，基体溶质原子仍处于饱和状态，为后续时效过程中二次γ′相的继续长大和三次γ′析出创造了条件。一级时效过程中，二次γ'相以固溶处理冷却过程中形成的细小二次γ′相粒子作为核心进一步长大，同时在γ基体通道中析出细小的三次γ'相；二级时效处理是三次γ'相继续析出和长大的过程，最终获得双尺寸形态特征的γ′相，包括粗大立方状二次γ′相和细小颗粒状三次γ′相两种形态，其组织状态接近或优于服役前的组织状态。以服役透平叶片所用dsgtd111和scpwa1483合金材料为例，运用本发明的再热恢复方法获得的透平叶片材料组织中γ′相呈粗大立方状和细小颗粒状两种形态。再热恢复处理后透平叶片材料的显微硬度值与服役前透平叶片材料的相当。

如图1和图2所示，本发明为一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤组织和性能的再热恢复方法，其工艺流程及原理如下：

1)全固溶：先用夹具固定服役定向凝固透平叶片，后置于热处理炉的保温区，抽真空，后回填惰性气体，反复2～3次，确保炉膛内空气排尽，后升温至1150℃～1320℃范围内，确保此温度值处于透平叶片材料的全固溶温度与初熔温度区间内，保温1h～6h，炉内气冷至室温；该步骤的主要作用是溶解服役定向凝固透平叶片蠕变损伤组织中的一次粗大形变γ'相、部分碳化物以及非平衡态的γ+γ′共晶，并在冷却过程中析出尺寸细小、分布均匀的二次γ'相，为后续时效过程中的二次γ′相继续长大和三次γ′析出创造条件。

2)一次时效：升温至1050℃～1150℃范围内，确保该温度低于透平叶片材料的固溶温度，保温1h～6h，炉内气冷至室温；该步骤的主要作用是预先沉淀析出一定尺寸的三次γ′相，同时使得二次γ'相的尺寸长大、立方度增加。

3)二次时效：升温至750℃～950℃范围内，保温12h～48h，炉内气冷至室温。该步骤的主要作用是一次时效过程中析出的二次γ′相继续长大，同时进一步析出小尺寸的三次γ′相并长大，最终获得理想的双尺寸形态、均匀分布的γ′相组织。

实施例1

用夹具固定服役后的某f级燃气轮机定向凝固dsgtd111透平叶片，后置于热处理炉的保温区，抽真空，后回填氩气，反复2次，确保排尽炉膛内部空气，升温至1200℃，保温2h，炉内气冷至室温；升温至1121℃，保温2h，炉内气冷至室温；升温至843℃，保温24h，炉内气冷至室温。

实施例2

用夹具固定服役后的某f级燃气轮机单晶scpwa1483透平叶片，后置于热处理炉的保温区，抽真空，后回填氦气，反复3次，确保排尽炉膛内部空气，升温至1280℃，保温5h，炉内气冷至室温；升温至1100℃，保温4h，炉内气冷至室温；升温至870℃，保温36h，炉内气冷至室温。

图3为dsgtd111和scpwa1483透平叶片的叶根(原始态)组织形貌。两种材料组织中的枝晶间均有粗大γ+γ′共晶组织，γ′相呈双尺寸形态，包括粗大立方状一次γ′相和细小颗粒状二次γ′相两种。dsgtd111透平叶片材料的一次γ′相和二次γ′相尺寸分别约为0.693μm和0.086μm，scpwa1483透平叶片材料的一次γ′相和二次γ′相尺寸分别约为0.568μm和0.079μm。

图4为dsgtd111和scpwa1483透平叶片服役蠕变损伤组织形貌，样品均取自服役透平叶片叶根平台。两种材料组织中均未发现蠕变孔洞，枝晶间均有少量γ+γ′共晶组织，一次γ′相呈粗化和筏排化特征，无明显二次γ′相存在。dsgtd111透平叶片材料的γ′相尺寸约为1.28μm，scpwa1483透平叶片材料的γ′相尺寸约为1.02μm。

图5为dsgtd111和scpwa1483透平叶片再热恢复后的组织形貌，样品均取自服役透平叶片叶根平台。两种材料组织中的枝晶间仍有少量γ+γ′共晶组织，γ′相呈双尺寸形态特征，包括粗大立方状二次γ′相和细小颗粒状三次γ′相两种形态。dsgtd111透平叶片材料的二次γ′相和三次γ′相尺寸分别约为0.420μm和0.087μm，scpwa1483透平叶片材料的二次γ′相和三次γ′相尺寸分别约为0.461μm和0.083μm。相比于服役透平叶片材料组织，再热恢复处理对γ′相的尺寸和形态影响较为明显，再热恢复处理后所得透平叶片材料组织的γ′相更加细小均匀且呈双尺寸形态，这将赋予其更优异的性能。特别地，相比于原始态透平叶片材料组织，再热恢复后获得γ′相尺寸更小，分布更加弥散均匀。

图6为dsgtd111和scpwa1483透平叶片恢复处理前后的显微硬度值对比图。服役后透平叶片材料的显微硬度明显下降，但经再热恢复处理后，其值接近或超过了服役前透平叶片材料的硬度值。

实施例结果表明，采用本发明提出的一种定向凝固透平叶片服役蠕变损伤组织和性能的再热恢复方法，该方法结合运用全固溶+两级时效处理工艺，实现了定向凝固透平叶片服役蠕变损伤组织和性能的有效恢复，最终获得双尺寸形态、均匀分布的γ′相组织和优异的性能，再热恢复处理后透平叶片可直接安装到燃气轮机机组，继续服役至下一个检修周期。