CN115815586A

CN115815586A - 一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件及其制备方法

Info

Publication number: CN115815586A
Application number: CN202211437343.5A
Authority: CN
Inventors: 孙友贝; 巩秀芳; 高振桓; 隆彬; 王天剑; 管迎博; 李金祺; 聂丽萍; 陈艺文; 李定骏; 吴比; 罗超; 杨乐馨
Original assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Current assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2042-11-17
Also published as: CN115815586B

Abstract

本发明提供一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件及其制备方法，目的是开发适用于高γ’强化相的高致密度无偏析镍基高温合金粉末冶金修复预制件技术，能使修复后的预制件连接的接头组织致密，能具备优良的抗高温蠕变性能和拉伸强度。镍基高温合金预制件主要由低熔点合金粉末、高熔点合金粉末和粘结剂制备而成，该预制件通过点焊方式固定至去除完涂层后的燃气轮机透平高温部件损伤区域，并通过特定的热处理进行修复，该修复区域界面连接牢固，接头组织均匀，碳化物或硼化物以颗粒状形式分布，接头力学强度可达到燃气轮机透平高温部件新品强度80%以上，修复后接头孔隙率≤1%。

Description

一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金预制件及其制备方法，特别涉及一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件及其制备方法。

背景技术

随着燃气轮机效率的逐步提升，对透平区域的高温合金的力学性能要求也逐步提高，为了满足应用要求，通常选用高γ’强化相的高温合金组织，即Al+Ti含量高的镍基高温合金。而该系列Al+Ti含量高的镍基高温合金服役损伤后采用熔化焊的方式针对高γ’强化相的高温合金其焊接性较差，修复大缺陷时会引起较大的变形和失效裂纹。此外钎焊的方式对较大缺陷尺寸修复效果不佳，为此人们致力于大间隙缺陷修复技术，现阶段主要采用粉末冶金的方式对大尺寸缺陷进行修复，而对于大型缺陷的修复，通过传统粉末冶金修复容易产生成分偏析，导致显微组织不均匀，随缺陷尺寸增大，修复缺陷(孔洞)出现的概率也相应增高，服役件修复质量难以量化控制。

发明内容

本发明提供了一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件及其制备方法，目的是针对现目前该领域存在的技术问题，提供适用于高γ’强化相的高致密度无偏析镍基高温合金粉末冶金修复预制件技术，能使修复后的预制件连接的接头组织致密，能具备优良的抗高温蠕变性能和拉伸强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件，该镍基高温合金预制件是由镍基高温合金修复粉末烧结而成的，该镍基高温合金修复粉末包含高熔点合金粉末、低熔点合金粉末和粘结剂。

其中，上述高熔点合金粉末和低熔点合金粉末混合为镍基高温合金粉末；按重量百分比计，镍基高温合金粉末中包括50％～70％高熔点合金粉末和30％～50％低熔点合金粉末。

上述镍基高温合金粉末和粘结剂混合为镍基高温合金修复粉末；按重量百分比计，镍基高温合金修复粉末中包括85％～95％镍基高温合金粉末和5％～15％粘结剂。

上述低熔点合金粉末按重量百分比计，含14.00％～20.00％的Cr、0.20％～1.50％的W、0.50％～2.00％的Mo、8.00％～10.00％的Co、2.50％～5.50％的Ta、3.00％～4.00％的Al、0.00％～2.00％的Ti、1.00％～2.50％的Nb、0.10％～0.35％的Zr、0.05％～0.2％的Hf、0.001％～0.01％的Y、0.005％～0.0％1的Ce、0.001％～0.01％的La、0.001％～0.006％的Mg、2.3％～2.7％的B，余量为Ni和不可避免的杂质元素；低熔点合金粉末各组成原料纯度不低于99.99％。

其中，高熔点合金粉末与待修复的燃气轮机透平高温部件材质组成成分一致；高熔点合金粉末优选Mar M247，In738或GTD-222等高γ’强化相的镍基高温合金。

上述低熔点合金粉末为具备良好熔点抑制作用和强化作用的多元复杂组分合金粉末。

上述低熔点合金粉末和高熔点合金粉末粒度为-53μm。

上述低熔点合金粉末熔化温度为1050℃～1140℃。

一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件的制备方法，具体方法为：

(1)选用Mar M247、In 738或GTD-222镍基高温合金，采用旋转电极方式制备并筛分所需的高熔点合金粉末；

(2)将Ni、Cr、W、Mo、Co、Ta、Al、Ti、Nb、Zr、Hf、Y、Ce、La、Mg、B进行配料，然后通过真空感应熔炼将以上原料熔炼成合金锭，然后用等离子雾化方式制备并筛分所需的低熔点合金粉末；

(3)将处理好的高熔点合金粉末和低熔点合金粉末混合后，加入粘结剂，然后进行机械均匀混合得到镍基高温合金修复粉末；

(4)将镍基高温合金修复粉末放置模具内，在真空热压炉内烧结制备预制件，真空热压炉内真空度＜1×10^-3Pa，烧结温度低于合金锭熔点温度50℃～100℃，真空热压炉内压力为0～35MPa；

(5)烧结完毕后，去除预制件周边模具，利用机械打磨、电火花线切割、激光切割或水切割方式对预制件进行加工以便满足燃气轮机透平服役部件修复需要。

其中，真空热压炉内的烧结条件优选：以≤10℃/min速度升至900℃±10℃保温20～30min，≤8℃/min速度升至1000℃±10℃保温10～20min，施加压力5～20MPa，≤3℃/min速度升至1040℃±10℃保温5～15min，施加压力20～35MPa，保温结束后以≥20℃/min速度降至400℃后随炉冷却至室温。

制备好的预制件厚度为1mm～5mm，长宽依据模具而定，内部组织致密，孔隙率≤3％。

上述镍基高温合金优选Maritime House Co.Ltd或Western AustralianSpecialty Alloys Pty Ltd公司的镍基高温合金牌号产品。

上述粘结剂为商业产品，优选Wall Colmonoy Corporation公司的NICROBRAZ-S粘结剂。

本发明制备的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件的具体应用：

1、采用机械喷砂方式将燃气轮机透平服役部件上的涂层去除。

2、采用机械打磨方式对燃气轮机透平服役部件缺陷和部分微裂纹进行打磨处理，形成修复凹坑或凹槽，采用酒精或丙酮等对修复凹坑和凹槽面进行清洗。

3、将镍基高温合金预制件通过点焊方式固定至燃气轮机透平服役部件修复区域表面，将燃气轮机透平服役部件放置真空热处理炉，进行热处理；热处理炉以≤15℃/min速度升至1000℃，热处理炉在1000℃下保温30mins，热处理炉以≤8℃/min速度升至1190℃，热处理炉在1190℃下保温30mins，热处理炉以≥10℃/min速度降至500℃，热处理炉在500℃后随炉冷却至室温。

4、将热处理后的燃气轮机透平修复部件按照原有部件外形进行修磨处理后进行整体燃气轮机透平修复部件组织的恢复性热处理，最后在燃气轮机透平修复部件重新制备涂层。

本发明提供的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件适用于Al+Ti含量高的高γ’强化相的镍基高温合金基材，以及缺陷深度较大(≥1.0mm)的修复。

本发明的有益效果：

1、依据燃气轮机透平高温部件损伤尺寸或人为处理损伤尺寸至某一特定尺寸用特定尺寸预制件，该预制件通过点焊方式固定至去除完涂层后的燃气轮机透平高温部件损伤区域，并通过特定的热处理进行修复，该修复区域界面连接牢固，接头组织均匀，碳化物或硼化物以颗粒状形式分布，接头力学强度可达到燃气轮机透平高温部件新品强度80％以上。

2、修复后接头孔隙率≤1％。

3、一种燃气轮透平高温部件修复用镍基高温合金预制件针对Al+Ti含量高的镍基高温部件大尺寸缺陷进行修复，修复过程操作简单，可按批次对高温部件同时进行修复，大大提高高温部件修复效率，降低制造成本。

附图说明

图1为本发明燃气轮机透平服役部件局部修复后金相图

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件进行详述。

实施例1

表1是本发明燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件中实施例2-4中低熔点合金粉末的3组配比。

表1

实施例2

燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件的制备方法及修复方法，具体步骤为：

(1)选用Mar M247镍基高温合金，采用旋转电极方式制备并筛分所需的高熔点合金粉末；

(2)将纯度不低于99.99％的Ni、Cr、W、Mo、Co、Ta、Al、Ti、Nb、Zr、Hf、Y、Ce、La、Mg、B按实施例1中序号1提供的配比进行配料，然后通过真空感应熔炼将所述原料熔炼成合金锭，然后用等离子雾化方式制备并筛分所需的低熔点合金粉末；

(3)将处理好的高熔点合金粉末和低熔点合金粉末混合后，加入粘结剂，然后进行机械均匀混合得到镍基高温合金修复粉末；粘结剂为Wall Colmonoy Corporation公司的NICROBRAZ-S粘结剂；按重量百分比计，其中，镍基高温合金粉末中高熔点合金粉末占比50％，低熔点合金粉末占比50％；镍基高温合金粉末与粘结剂混合均匀制得镍基高温合金修复粉末，按重量百分比计，其中，粘结剂占比15％，镍基高温合金粉末占比85％。

(4)将镍基高温合金修复粉末放置模具内，在真空热压炉内烧结制备预制件，真空热压炉内真空度＜1×10^-3Pa，真空热压炉内以≤10℃/min速度升至900℃±10℃保温20～30min，≤8℃/min速度升至1000℃±10℃保温10～20min，施加压力5～20MPa，≤3℃/min速度升至1040℃±10℃保温5～15min，施加压力20～35MPa，保温结束后以≥20℃/min速度降至400℃后随炉冷却至室温；

烧结后镍基高温合金修复粉末致密度＞99％。

修复：(1)采用机械喷砂方式将燃气轮机透平服役部件上的涂层去除。采用机械打磨方式对燃气轮机透平服役部件缺陷和部分微裂纹进行打磨处理，形成修复凹坑或凹槽。采用酒精或丙酮等对修复凹坑和凹槽面进行清洗。(2)将预制件通过点焊方式固定至燃气轮机透平服役部件修复区域表面，将燃气轮机透平服役部件放置真空热处理炉，进行热处理。热处理炉以≤15℃/min速度升至1000℃，热处理炉在1000℃下保温30mins，热处理炉以≤8℃/min速度升至1190℃，热处理炉在1190℃下保温30mins，热处理炉以≥10℃/min速度降至500℃，热处理炉在500℃后随炉冷却至室温。(3)将热处理后的燃气轮机透平修复部件按照原有部件外形进行修磨处理后进行整体燃气轮机透平修复部件组织的恢复性热处理，最后在燃气轮机透平修复部件重新制备涂层。

实施例3

与实施例2不同的是，本实施例选用In738镍基高温合金；低熔点合金粉末按实施例1中序号2提供的配比进行配料；镍基高温合金粉末中高熔点合金粉末按重量百分比计为70％，低熔点合金粉末为30％；镍基高温合金修复粉末中，粘结剂按重量百分比计为5％，镍基高温合金粉末为95％。其余制备及修复方法与实施例2相同。

实施例4

与实施例2不同的是，本实施例选用GTD-222镍基高温合金；低熔点合金粉末按实施例1中序号3提供的配比进行配料；镍基高温合金粉末中高熔点合金粉末按重量百分比计为50％，低熔点合金粉末为50％；镍基高温合金修复粉末中，粘结剂按重量百分比计为10％，镍基高温合金粉末为90％。其余制备及修复方法与实施例2相同。

实施例5

MarM247高温合金构件损伤预制件修复

(1)修复区预处理：采用硬质合金直磨机将待修复位置打磨至光亮平整，待修复区尺寸为长×宽×深＝30mm×15mm×1.5mm，将打磨区域用丙酮清洗干净。

(2)粉末准备：低熔点合金粉末成分按重量百分比如下：19.0％Cr、1.5％W、8.2％Co、5.0％Ta、1.8％Mo、1.7％Ti、2.0％Nb、4.0％Al、0.15％Zr，0.1％Hf，0.0002％Y，0.007％Ce,0.005％La，0.002％Mg，2.45％B，其余为Ni和不可避免的杂质元素。粉末粒度为-53μm，高熔点合金粉末成分为MarM247合金锭制备，粉末粒度为-53μm。

(3)粉末混合：

按照重量百分比计：镍基高温合金粉末中高熔点合金粉末占比60％，低熔点合金粉末占比40％。

按照重量百分比计：镍基高温合金粉末与粘结剂混合均匀制得镍基高温合金修复粉末，其中，粘结剂占比15％，镍基高温合金粉末占比85％。

镍基高温合金粉末制备：将高熔点合金粉末、低熔点合金粉末以及粘结剂按上述比例在混粉机中混合均匀。

(4)预制件制备：

将混合后的镍基高温合金粉末放置模具中，将模具放置真空热压炉有效加热区域，真空热压炉真空度为3×10^-3Pa，真空热压炉以≤10℃/min速度升至900℃±10℃保温20～30min，≤8℃/min速度升至1000℃±10℃保温10～20min，施加压力5～20MPa，≤3℃/min速度升至1040℃±10℃保温5～15min，施加压力20～35MPa，保温结束后以≥20℃/min速度降至400℃后随炉冷却至室温。烧结完毕后通过机械加工、电火花线切割对预制件表面去除模具并制备32mm×18mm×2mm预制件。

(5)预制件修复

将切割好的预制件点焊至MarM247高温合金构件修复区域，并将其放置热处理炉有效加热区域进行热处理，热处理工作真空度为5×10^-3Pa，热处理炉以≤15℃/min速度升至1000℃，热处理炉在1000℃下保温30mins，热处理炉以≤8℃/min速度升至1190℃，热处理炉在1190℃下保温30mins，热处理炉以≥10℃/min速度降至500℃，热处理炉在500℃后随炉冷却至室温。

(6)MarM247高温合金构件再制造

将修复后的MarM247高温合金构件进表面修型处理、性能恢复热处理以及涂层制备，完成整个流程的Mar M247高温合金构件修复工作。

Claims

1.一种燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件，其特征在于：所述镍基高温合金预制件由镍基高温合金修复粉末烧结而成；所述镍基高温合金修复粉末包含高熔点合金粉末、低熔点合金粉末和粘结剂；所述高熔点合金粉末和低熔点合金粉末混合为镍基高温合金粉末；所述镍基高温合金粉末按重量百分比计包括50%~70%高熔点合金粉末和30%~50%低熔点合金粉末；所述镍基高温合金粉末和粘结剂混合为镍基高温合金修复粉末；所述镍基高温合金修复粉末按重量百分比计包括85%~95%镍基高温合金粉末和5%~15%粘结剂；所述低熔点合金粉末按重量百分比计含14.00%～20.00%的Cr、0.20%～1.50%的W、0.50%～2.00%的Mo、8.00%～10.00%的Co、2.50%～5.50%的Ta、3.00%～4.00%的Al、0.00%～2.00%的Ti、1.00%～2.50%的Nb、0.10%～0.35%的Zr、0.05%～0.2%的Hf、0.001%～0.01%的Y、0.005%～0.01%的Ce、0.001%～0.01%的La、0.001%～0.006%的Mg、2.3%～2.7%的B，余量为Ni和杂质元素；所述高熔点合金粉末与待修复的燃气轮机透平高温部件材质组成成分一致。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件，其特征在于：所述低熔点合金粉末各组成原料纯度不低于99.99%。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件，其特征在于：所述低熔点合金粉末和高熔点合金粉末粒度为-53μm。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件，其特征在于：所述低熔点合金粉末熔化温度为1050℃～1140℃。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

（1）选用镍基高温合金，采用旋转电极方式制备并筛分所需的高熔点合金粉末；

（2）将Ni、Cr、W、Mo、Co、Ta、Al、Ti、Nb、Zr、Hf、Y、Ce、La、Mg、B进行配料，然后通过真空感应熔炼将所述原料熔炼成合金锭，用等离子雾化方式制备并筛分所需的低熔点合金粉末；

（3）将所述处理好的高熔点合金粉末和低熔点合金粉末混合后，加入粘结剂，然后进行机械均匀混合得到镍基高温合金修复粉末；

（4）将所述镍基高温合金修复粉末放置模具内，在真空热压炉内烧结制备预制件，所述真空度＜1×10^-3Pa，所述烧结温度低于所述合金锭熔点温度50～100℃，所述真空热压炉内压力为0～35MPa；

（5）烧结完毕后，去除预制件周边模具，利用机械打磨、电火花线切割、激光切割或水切割方式对预制件进行加工以便满足燃气轮机透平服役部件修复需要。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机透平高温部件修复用镍基高温合金预制件的制备方法，其特征在于：所述真空热压炉内以≤10℃/min速度升至900℃±10℃保温20～30min，≤8℃/min速度升至1000℃±10℃保温10～20min，施加压力5～20MPa，≤3℃/min速度升至1040℃±10℃保温5～15min，施加压力20～35MPa，保温结束后以≥20℃/min速度降至400℃后随炉冷却至室温。