一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法技术

本发明专利技术是一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，该方法包括热等静压处理及热处理，其中，所述热等静压处理的处理制度包括两段升温，具体为：压力介质氛围下，炉温升至1275℃～1285℃，压力介质的压力升至30MPa～50MPa，保温保压0.5h～3h；炉温再升至1295℃～1305℃，压力介质的压力升至80MPa～160MPa，保温保压2.5h以上；冷却。本发明专利技术所述的修复方法通过合理的热等静压工艺处理后，使得服役叶片组织得到修复，有效修复高温蠕变衰退及铸造缺陷的同时不会产生内部再结晶，修复后组织的显微硬度明显提高，高温力学性能得到恢复。本发明专利技术所述的修复方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在镍基第三、四代单晶高温合金涡轮导向叶片的翻修中具有广阔的前景。轮导向叶片的翻修中具有广阔的前景。轮导向叶片的翻修中具有广阔的前景。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法


[0001]本专利技术是一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，涉及高温合金组织修复技术。

技术介绍

[0002]航空发动机是飞机的“心脏”，但是，我国的航空发动机目前无论是从发动机寿命、翻修期还是叶片寿命都远落后于美英等国。镍基单晶高温合金具有优异的高温蠕变和疲劳性能，是制备先进航空发动机和地面燃气轮机涡轮叶片的关键材料。但是涡轮叶片的服役环境非常苛刻，常受到不同程度的由离心力导致的服役高温蠕变组织衰退，使其性能退化导致失效破坏，高温蠕变衰退的主要形式为显微组织退化和高温蠕变孔洞的形核及长大。据统计，航空发动机高压涡轮导向叶片的失效占航空发动机失效的40％左右。因此，定期对服役叶片进行更换或翻修具有重大的现实意义，能够提高部件的使用寿命，降低成本，从而延长航空发动机使用寿命。
[0003]国内现有技术中并没有有效的修复工艺，研究发现，热等静压工艺是形成修复工艺的首选，因为，合适的热等静压参数的选择与合金的损伤程度及合金类型密切相关，而目前对定向凝固及单晶高温合金的热等静压恢复热处理研究仍然非常有限。第三代、第四代单晶高温合金具有更苛刻的凝固条件及复杂的合金成分，晶界的部分及完全消除使得其对恢复热处理过程中热等静压参数更为敏感。对于第三代单晶高温合金来说，热等静压的参数选取异常重要，不当的温度选择可能会在愈合孔洞附近产生内部再结晶。镍基第四代单晶高温合金提高了合金中Re和Ru元素的含量，大大增加了其制备成本，使得镍基第四代单晶高温合金恢复热处理工艺的研究更为迫切，亟待探索出一条适合修复镍基第四代单晶高温合金涡轮叶片组织退化的恢复热处理方案。由于合金在高温服役条件下不可避免的出现组织缺陷，会大大影响合金的高温力学性能，为了节约制备成本并延长合金的使用寿命，采用热等静压工艺的恢复热处理方案已经成为定向凝固及单晶合金组织与性能恢复的必然途径，以期能在降低合金显微缺陷的同时恢复衰退组织，提高合金的高温综合力学性能，延长镍基第四代单晶高温合金涡轮叶片的使用寿命。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术设计提供了一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，该修复处理方法针对第三、四代单晶合金高温蠕变衰退的修复，以延长合金的使用寿命。应用该方法对镍基第四代单晶高温合金涡轮导向叶片进行翻新，修复后组织的显微硬度明显提高，高温力学性能得到恢复。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]本专利技术所述的镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法包括依次进行的热等静压处理、热处理，其中：
[0007]所述热等静压处理的制度为：压力介质使用高纯Ar气，以5～15℃/min的升温速率
从室温升温至1270℃～1285℃，同时Ar气压力升至30～50MPa，保温保压0.5h～3h，再升温至1290℃～1310℃，升压至80MPa～160MPa，保持2h以上，冷却速度为200℃/min～300℃/min；该技术措施是通过热等静压处理，使高温蠕变衰退的γ
’
相及残余共晶全部回溶入γ基体，形成γ单相组织；
[0008]所述热处理包括依次进行的一次时效处理和二次时效处理，一次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至1080℃～1135℃，保温3h～8h，冷却；该技术措施是通过一次时效处理，使γ
’
相尺寸增大，并将γ
’
相调整为0.3μm～0.5μm的规则立方体；
[0009]二次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至865℃～885℃，保温30h～34h，冷却，该技术措施是通过二次时效处理，使细小的γ
’
相析出更加充分。
[0010]在实施中，所述镍基单晶高温合金的制件为高压涡轮工作叶片，采用该修复处理方法制件的蠕变伸长率在1.0～1.5％区间。
[0011]在实施中，针对第三代镍基单晶高温合金，所述热等静压处理的制度为：压力介质使用高纯Ar气，以10℃/min的升温速率从室温升温至1270℃，同时Ar气压力升至50MPa，保温保压1.5h，再升温至1300℃，升压至150MPa，保持3h，冷却速度为250℃/min。
[0012]在实施中，针对第三代镍基单晶高温合金，所述热处理包括依次进行的一次时效处理和二次时效处理，一次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至1120℃，保温5h，空冷；二次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至870℃，保温24h，空却，冷却速度控制为250℃/min。
[0013]在实施中，针对的第四代镍基单晶高温合金中铼的重量百分比含量为4％～7％，所述热等静压处理的制度为：压力介质使用高纯Ar气，以12℃/min的升温速率从室温升温至1280℃，同时Ar气压力升至50MPa，保温保压2h，再升温至1305℃，升压至160MPa，保持3.5h，冷却，冷却速度为280℃/min；所述热处理包括依次进行的一次时效处理和二次时效处理，一次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至1130℃，保温5h，空冷，冷却速率为280℃/min；二次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至870℃，保温32h，空却，冷却速度控制为280℃/min。
[0014]上述高纯Ar气的纯度为99.999％以上。
[0015]本专利技术技术方案所述的修复处理方法不但能够使恢复热处理后的制件的γ
’
相恢复至原始状态，还能够消除残余共晶并使组织均匀化，从而使恢复热处理后性能接近甚至超过原始水平，实现修复航空发动机高压涡轮导向叶片用单晶高温合金高温蠕变衰退组织和性能的目标。高温蠕变衰退的镍基第四代单晶高温合金经恢复热处理后，其显微组织恢复至接近原始组织水平，大的立方状的γ
’
相和小的颗粒状的γ
’
相共存，γ
’
相体积分数亦恢复原始水平，其总高温蠕变断裂寿命提高约50％。
[0016]本专利技术的有益效果体现在该修复处理方法通过合理的热等静压和热处理工艺处理后，使得服役叶片组织得到修复，有效修复高温蠕变衰退及铸造缺陷的同时不会产生内部再结晶，修复后组织的显微硬度明显提高，高温力学性能得到恢复。本专利技术所述的修复处理方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在镍基第三、四代单晶高温合金涡轮导向叶片的翻修中具有广阔的前景。
附图说明
[0017]图1为第三代单晶高温合金的榫头处显微组织；
[0018]图2为第三代单晶高温合金涡轮叶片服役后叶身显微组织；
[0019]图3为第三代单晶高温合金服役后叶片再经恢复处理(热等静压温度1300℃，3h，空冷+两次时效)后的显微组织。
[0020]图4为第三代单晶高温合金服役后叶片再经恢复处理(热等静压温度1300℃，3h+两次时效)后的蠕变曲线。
[0021]图5为实施例2涉及的镍基第四代单晶高温合金的原始显微组织；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，其特征在于：该修复处理方法包括依次进行的热等静压处理、热处理，其中：所述热等静压处理的制度为：压力介质使用高纯Ar气，以5～15℃/min的升温速率从室温升温至1270℃～1285℃，同时Ar气压力升至30～50MPa，保温保压0.5h～3h，再升温至1290℃～1310℃，升压至80MPa～160MPa，保持2h以上，冷却速度为200℃/min～300℃/min；所述热处理包括依次进行的一次时效处理和二次时效处理，一次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至1080℃～1135℃，保温3h～8h，冷却；二次时效处理的热处理制度为：真空条件下，炉温升至865℃～885℃，保温30h～34h，冷却。2.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，其特征在于：所述镍基单晶高温合金的制件为高压涡轮工作叶片，采用该修复处理方法制件的蠕变伸长率在1.0～1.5％区间。3.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金高温蠕变衰退的修复处理方法，其特征在于：所述热等静压处理的制度为：压力介质使用高纯Ar气，以10℃/min的升温速率从室温升温至1270℃，同时Ar气压力升至50MPa，保温保压1.5h，再升温至1300℃，升压至150MPa，保持3h，冷却速度为250℃/min。4.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金高温蠕...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云松，郑素杰，郭媛媛，王海文，杨功，
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：