等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料及修复方法技术

本发明专利技术涉及航空发动机热端关键部件维修技术领域，提供了一种等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料及修复方法，修复用填充材料为粒径Φ53～Φ150μm的高温合金粉末，其组分及质量百分比：C：0.12～0.18％，Cr：15.5～16.5％，Co：12.5～13.5％，W：3.5～4.5％，Mo：3.5～4.5％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.5％，Ti：3.5～4.0％，Zr：0.03～0.08％，B：0.006～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.010％，N：≤0.008％，Ni为余量；所述修复方法在修复前对待修复叶片进行固溶热处理：后采用激光直接沉积方法进行修复，并恢复尺寸；本发明专利技术的修复方法和修复材料实现了高Al、Ti含量等轴晶高温合金涡轮导向叶片修复效率、修复接头质量和性能的大幅提高，对促进发动机的研制和应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料及修复方法
本专利技术涉及修复
，特别是涉及一种等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料及修复方法。
技术介绍
针对先进航空发动机的高性能需求，高Al、Ti含量的等轴晶高温合金在发动机涡轮导向叶片的应用愈加广泛，如K418B、K447A和K465等。为提高航空发动机涡轮导向叶片工作时的冷却效果，国内外涡轮导向叶片普遍采用多联气冷空心结构，其内腔复杂、叶身壁及缘板薄、尺寸精度高，导致叶片的铸造工艺难度大，造成铸件产品普遍存在缩孔、缩松、空洞、欠铸、夹杂等局部缺陷，使其无法满足使用要求，且新品铸件的报废率常高达70％以上，为此迫切需要进行修复。因高Al、Ti含量的等轴晶高温合金中的“Al+Ti”含量高达6.2～8.9wt.％，采用常规熔焊方法和同母材填充材料修复时修复接头(包括修复区和基体热影响区)极易出现热裂纹，往往需要反复修补2次以上，一方面导致修复质量极不稳定，另一方面修补的合格率通常不足30％。因此急需高效、可靠的修复技术和修复材料。相比于常规熔焊方法，激光直接沉积工艺的热输入量小，使其修复时形成的热影响区和局部残余应力更小，从而有助于降低热裂纹倾向，因此适合用于高Al、Ti含量的等轴晶高温合金涡轮导向叶片铸造缺陷的修复。目前用于K447A等高Al、Ti含量的等轴晶高温合金熔焊修复用材料普遍为低Al、Ti含量(“Al+Ti”含量≤1.5wt.％)的镍基合金。低的Al、Ti含量使得修复材料具有优良的可成形性(即焊接性)，但也导致修复区难以析出时效强化的γ′强化的3Al相，致使修复区的室高温强度、持久性能和耐温能力显著下降。这导致等轴晶高温合金涡轮导向叶片铸造缺陷修复区成为零件服役时的“短板”，严重影响了服役寿命和可靠性，因此急需室高温性能与叶片基体接近且具有可成形良好的修复用材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料及修复方法，实现Al、Ti含量的等轴晶高温合金涡轮导向叶片铸造缺陷修复技术的突破，提升修复质量和接头性能。为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：一方面，提供一种等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料，所述的修复材料为激光修复用高温合金粉末，其成分及质量百分比为：C：0.12～0.18％，Cr：15.5～16.5％，Co：12.5～13.5％，W：3.5～4.5％，Mo：3.5～4.5％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.5％，Ti：3.5～4.0％，Zr：0.03～0.08％，B：0.006～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.010％，N：≤0.008％，Ni：余量。进一步地，所述的修复材料成分及质量百分比为：C：0.12～0.15％，Cr：15.8～16.5％，Co：12.8～13.5％，W：3.8～4.2％，Mo：3.8～4.2％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.4％，Ti：3.5～3.7％，Al+Ti：≤6.0％，Zr：0.035～0.05％，B：0.010～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.008％，N：≤0.005％，Ni：余量。优选地，所述的修复材料成分及质量百分比为：C：0.12％，Cr：16.3％，Co：13.3％，W：4.0％，Mo：3.9％，Nb：0.9％，Al：2.1％，Ti：3.5％，Zr：0.045％，B：0.014％，Ta：0.11％，Si：0.10％，Mn：0.10％，Fe：0.05％，P：0.006％，S：0.003％，O：0.006％，N：0.002％，Ni：余量。另一方面，提供一种等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复方法，利用上述的修复材料，采用激光直接沉积工艺修复等轴晶高温合金涡轮导向叶片的铸造缺陷，包括以下步骤：步骤一、修复前固溶热处理：将存在铸造缺陷的等轴晶高温合金涡轮导向叶片放入真空热处理炉内进行成分和组织均匀化的固溶热处理，热处理的工艺要求是：在真空压力低于3×10-2Pa条件下，开始加热升温，以50～80℃/min的速度升至1200～1215℃，保温25～30min；随炉冷至1170～1185℃，保温50～60min；然后降温，随炉冷至500℃以下后，充入空气快冷至室温；步骤二、修复前缺陷清除，打磨待修复区；步骤三、激光直接沉积修复：采用激光直接沉积方法对打磨区进行修复，并恢复铸造缺陷处的尺寸，修复工艺参数为：激光功率为450～900W、激光扫描速度为500～900mm/min、送粉速度为4～9g/min、道次间的搭接率为45～60％、同轴保护气流量为10～20L/min。所述步骤一还包括对缺陷无损检测的步骤。具体操作：通过目视、荧光和X射线检查涡轮导向叶片铸件，确定缺陷的位置、类型、数量、尺寸情况。所述步骤二具体如下：采用机械打磨方式去除铸造缺陷，直至露出金属光泽，打磨区轮廓略大于缺陷外缘，采用丙酮或酒精清洗打磨区及其周边区域，并用吹风机或风扇吹干。所述步骤三中所述的激光直接沉积修复工艺中每个修复层的具体参数为：与叶片基体相邻的第一层修复层的激光功率为450～600W、激光扫描速度为500～700mm/min、送粉速度为4～6g/min、道次间的搭接率为45～60％、同轴保护气流量为10～20L/min，第二层及以上修复层的激光功率为600～900W、激光扫描速度为500～900mm/min、送粉速度为5～9g/min、道次间的搭接率为45～60％、同轴保护气流量为10～20L/min。所述步骤三中激光修复用填充材料的粒径为Φ53～Φ150μm。所述等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复方法还包括对修复区尺寸精加工和对修复部位无损检测的步骤。具体操作：修复区尺寸精加工：采用磨削、铣削等方式加工修复区，恢复叶片尺寸；修复部位无损检测：采用荧光探伤和X射线方法，对修复区及其周围区域进行表面及内部质量检查，要求无裂纹、未熔合缺陷。本专利技术的有益效果是：本技术方案中修复材料成分设计如下：此外，为改善等轴晶高温合金导向叶片修复时的热裂纹敏感性，并保证修复接头具有良好的高温性能，基于K447、K465等高Al、Ti含量的等轴晶高温合金的化学成分，并结合合金元素在高温合金中的作用，优化设计了修复用材料的成分，设计依据如下：(1)铬：是高温合金中重要的固溶强化元素和碳化物形成元素，既能固溶在γ相中，也能进入γ′相中，从而达到固溶强化作用；同时还能与碳元素形成MC、M6C和M23C6碳化物，可强化晶界，而且Cr在材料表面可以形成抗氧化和抗腐蚀的Cr2O3保护层，能有效阻止金属元素向外扩散和O、N、S等有害元素向内扩散，对提高合金的热强度和抗腐蚀性起着重要的作用，但过高的Cr含量会降低γ′相的固溶温度，降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料，其特征在于：所述的修复材料为激光修复用高温合金粉末，其成分及质量百分比为：C：0.12～0.18％，Cr：15.5～16.5％，Co：12.5～13.5％，W：3.5～4.5％，Mo：3.5～4.5％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.5％，Ti：3.5～4.0％，Zr：0.03～0.08％，B：0.006～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.010％，N：≤0.008％，Ni：余量。/n

【技术特征摘要】
1.等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料，其特征在于：所述的修复材料为激光修复用高温合金粉末，其成分及质量百分比为：C：0.12～0.18％，Cr：15.5～16.5％，Co：12.5～13.5％，W：3.5～4.5％，Mo：3.5～4.5％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.5％，Ti：3.5～4.0％，Zr：0.03～0.08％，B：0.006～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.010％，N：≤0.008％，Ni：余量。


2.根据权利要求1所述的等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料，其特征在于：所述的修复材料成分及质量百分比为：C：0.12～0.15％，Cr：15.8～16.5％，Co：12.8～13.5％，W：3.8～4.2％，Mo：3.8～4.2％，Nb：0.6～1.0％，Al：2.0～2.4％，Ti：3.5～3.7％，Al+Ti：≤6.0％，Zr：0.035～0.05％，B：0.010～0.015％，Ta：＜0.2％，Si：＜0.2％，Mn：＜0.12％，Fe：＜0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤0.008％，N：≤0.005％，Ni：余量。


3.根据权利要求1所述的等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复材料，其特征在于：所述的修复材料成分及质量百分比为：C：0.12％，Cr：16.3％，Co：13.3％，W：4.0％，Mo：3.9％，Nb：0.9％，Al：2.1％，Ti：3.5％，Zr：0.045％，B：0.014％，Ta：0.11％，Si：0.10％，Mn：0.10％，Fe：0.05％，P：0.006％，S：0.003％，O：0.006％，N：0.002％，Ni：余量。


4.等轴晶材料涡轮导向叶片铸造缺陷修复方法，利用权利要求1所述的修复材料，其特征在于：采用激光直接沉积工艺修复等轴晶高温合金涡轮导向叶片的铸造缺陷，包括以下步骤：
步骤一、修复前固溶热处理：将存在铸造缺陷的等轴晶高温合金涡轮导向叶片放入真空热处理炉内进行成分和组织均匀化的固溶热处理，热处理的工艺要求是：在真空压力低于3×10-2Pa条件下，开始加热升温，以50～80℃/min的速度升至1200～1215℃，保温25～30min；随炉冷至1170～1185℃，保温50～60min；...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦仁耀，梁家誉，张国会，陈冰清，赵梓均，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11