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镍基高温合金叶片焊接修复技术的研究进展
双击自动滚屏 发布者:china 发布时间:3/11/2008 阅读:13747

 

 

 

镍基高温合金叶片焊接修复技术的研究进展

 

 

哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室(150001

 

    张秉刚  冯吉才  何景山

 

航天医学工程研究所 (北京市  100094

 

马一兵

 

 

摘要:镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件,尤其是发动机的叶片。随着国内航空业的飞速发展,镍基高温合金叶片的先进焊接修复技术有着非常广阔的应用前景。综述了镍基高温合金叶片焊接修复技术的研究状况,主要涉及激光熔覆、堆焊和钎焊等方法,指出了这些方法的特点、最新进展及适用性。

关键词:镍基高温合金  叶片  焊接修复

中图分类号:TG115.28

 

 

O  

航空工作中所使用的高温合金部件由于工作环境恶劣,部件的可靠性问题尤为突出。在飞行器的服役期间这些部件所出现的损坏都会严重影响整套装备的使用寿命和安全性能。诸如航空发动机叶片等部件,虽然这些部件在设计时精心采用性能优异但价格十分昂贵的镍基和钴基高温合金材料及特殊复杂的冷却结构形式,但在发动机的使用过程中,叶片与热端部件往往还是薄弱环节12。由于叶片受磨损、冲击、高温燃气和冷热疲劳等作用,产生裂纹、腐蚀和磨损等缺陷,致使大量叶片报废。采用先进的修复技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复,延长其使用寿命,减少更换叶片,可获得可观的经济收益。

因此,为了有效提高航空发动机的工作可靠性和经济性,航空发动机叶片先进的修复技术日益受到发动机用户和修复单位的重视,并获得了广泛的应用。

1  镍基高温合金的特点

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料;并上仍较高的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性,基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度很高,又被称之为超合金(Superalloy, 是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一类重要材料。按基体元素来分,高温合金可分为铁基、镍基和钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金3

镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件,如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。若以150MPa100h持久强度为标准,则目前镍基合金所能承受的最高温度>1100℃,而钴基合金约950℃,铁基(铁-镍基)合金<850℃,即镍基合金相应地高出150℃及250℃左右。所以人们称镍基合金是“发动机的心脏”。目前在先进的发动机上,镍基合金已占总重量的一半,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镍基合金。与铁基合金比较,镍基合金的优点为:工作温度高、组织稳定、有害相少及抗氧化抗热蚀能力大。与钴基合金比较,镍基合金能在较高温度与应力下工作,尤其在动叶片场合。

镍基合金具有上述优点是与镍本身的某些卓越特性有关。

1)镍为面心立方结构,组织非常稳定,从室温到高温不发生同素异型转变(表1);这对选作基体材料十分重要。众所周知,奥氏体组织比铁素体组织具有一系列的优点。

1  镍、铁、钴、铬的物理性能

元 素

晶体结构

室温-高温

熔点/

密度

/g·cm-3

线膨胀系数

0100℃)

导热系数/cal·(cm·s·℃)1

0100℃)

Ni

FCC

1453

8.9

13.3×10-6

0.210

Fe

αγ→δ

1538

7.87

12.1×10-6

0.170

Co

ε→α

1492

8.90

12.5×10-6

0.166

Cr

BCC

1875

7.10

6.5×10-6

0.165

2)镍具有高的化学稳定性,在500℃以下几乎不氧化,常温下也不受湿气、水及某些盐类水溶液的作用。镍在硫酸及盐酸中溶解很慢,而在硝酸中溶解很快。

3)镍具有很大的合金化能力,甚至添加十余种合金元素也不出现有害相,这就为改善镍的各种性能提供潜在的可能性。

4)纯镍的力学性能虽不高,但塑性却极好,尤其在低温下塑性变化不大。

镍的上述特性使镍成为一个出色的基体金属4

2  镍基高温合金叶片的焊接修复研究

采用先进的叶片修复技术,修复叶片表面以及内部的缺陷,恢复甚至增强其原有的性能等,这都将大大降低发动机的寿命周期费用,有效提高其经济性。目前国内外实现镍基高温合金叶片修复的方法主要分为固相焊和熔化焊修复两类。

2.1  熔焊修复

2.1.1  激光熔覆修复

激光熔覆是利用一定功率密度的激光束照射(扫描)覆于裂纹、缺陷处的合金粉末,使之完全融化,而基材金属表层微熔,冷凝后在基材表面形成一个低稀释率的包覆层,从而弥合裂纹及缺陷。激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中,基材表层微熔的目的是使之与外加金属达到冶金结合,以增强外覆层与基材的结合力,并防止其他元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能。激光熔覆所获得的包覆层组织细小,一般无气孔和空穴56

清华大学的李晓莉等人,研究了高温合金K403基体上采用镍基自熔合金和自配无硼、硅元素镍基合金的激光同步送粉熔覆过程,分析了基体组织状态、熔覆层材料和熔覆工艺参数对熔覆层裂纹倾向的影响,探讨了激光熔覆技术强化和修复高温合金叶片的可行性。研究发现,激光熔覆时大多数裂纹是从基体形成后深入到熔覆层中,而基体组织中缩松等铸造缺陷及晶界低熔点共晶的存在是熔覆层开裂的重要原因。采用无硼、硅元素合金熔覆改善了结合区性能,与自熔合金相比,有助于改善熔覆层裂纹倾向7

华中理工大学的周卓华等研究了铸造镍基K3合金的激光熔覆过程,分析了原始组织及激光熔覆工艺参数对熔覆裂纹形成的影响及作用;探讨了使用激光熔覆技术对损伤的K3合金叶片进行修复的可能性。研究结果表明,K3合金中沿晶界分布的低熔点共晶及碳化物是引起激光熔覆开裂的主要因素,采用较高的功率密度和较快的扫描速度进行激光熔覆,可减少热影响区范围,明显地抑制熔覆裂纹的产生8

贵州大学的吴祥海等人,研究了不同激光熔覆工艺参数和添加不同稀土含量对航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆开裂敏感性的影响。结果表明,选择适当的熔覆工艺参数和稀土含量可在镍基高温合金K417G叶片上得到无裂纹的涂层,从而达到修复和强化叶片的目的9

2.1.2  堆焊修复

中石油前郭炼油厂的吴国林等人,对磨损后的烟气轮机叶片(材质为高温合金GH4037)用堆焊方法修复的可行性及经济性进行了分析,选择了合适的堆焊材料,制定了具体的堆焊工艺。为了防止裂纹的产生,减小堆焊层焊接应力,焊前必须预热。预热温度控制在650700℃,条件不具备时,可用氧乙炔焰对叶片直接进行整体加热。焊后在600700℃回火1h再缓冷。将堆焊完的叶片磨削加工至标准形状,用砂轮打磨时,局部温升过高可造成裂纹,所以在打磨过程中要时断时续地慢磨,以防止开裂。修复叶片经检查合格后组装到转子上,做高速动平衡试验,然后安装到烟气轮机上。机组运动稳定,叶片工作可靠。实践证明,若合理选用堆焊材料、堆焊工艺和方法,用堆焊方法修复磨损后叶片是可行的10

2.2  固相焊修复

2.2.1  自蔓延焊修复

自蔓延高温合金成(SHS)焊接技术是将混合均匀的SHS反应料填充在焊接对缝中,然后点火。燃烧反应以燃烧波的形式蔓延至整个焊缝后,施压即可得到性能优异的焊缝。

法国学者C. Pascal等人采用自蔓延焊的方法对镍基高温合金气轮叶片进行修复试验研究,并对NiAl/RBD61/高温合金的自蔓延焊接的组织结构和连接机理进行了研究。研究表明,与通常的焊接修复镍基高温合金叶片技术相比,自蔓延焊修复技术的优点是修复过程速度快,成本较低11

2.2.2  活性扩散钎焊修复

美国GE公司开发了一种以钎焊为基础的发动机热端部件延寿手段。其原理及工艺特点是借助低熔点焊接合金把高温合金粉末“注入”裂纹中,通过液相烧结使焊接合金同时向高温合金粉末和基体金属中扩散,从而使裂纹得到愈合。具体工艺是,把由与叶片基体材料成分相同的高温合金粉末以及钎焊黏结剂、低熔点活化扩散焊接合金(通常含有铬、铝、钽及钴,并填加2.4%的硼以降低熔点)所组成的裂纹修补材料制成浆料,用气压式灌注器填入裂纹中。在真空或惰性气体中(如氩气),叶片被分段加热至1205℃并保持30min,在液相烧结过程中,焊接合金熔化并使基体合金粉末“铸造”成裂纹形状与基体金属融合。用这种工艺可修复大约1.30mm宽的裂纹和不大于1.50mm的缺陷。活化扩散愈合法的显微金相检验表明,基体金属与修复后获得的金属都具有均匀的材质并有相近的物理性质。用于修补的混合物的组分、比例很重要,对修补的质量有决定性作用,其配合由维护手册中给出或由试验所得12

台湾的C.Y.SuW.C.Lih等人采用活性扩散钎焊(ABD)的方法对镍基高温合金IN738气轮叶片进行修复试验研究,并对高温合金接头的活性扩散钎焊连接工艺和机理进行了深入研究,获得了高强度的钎焊接头13

2.2.3  钎焊修复

钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料,加热到适当温度,使钎料熔化,焊件不熔化,利用毛细作用使液态钎料填充固态母材之间的间隙,经母材与钎料之间发生相互作用,然后冷却凝固,从而形成冶金结合的一类连接方法。钎焊具有很多优点,例如:加热温度低、对母材影响小、接头残余应力小;可以根据连接温度、强度选择多种填充金属;适合焊接难熔化的金属,特别是异种金属1415

北京航空材料研究院的潘辉等人,针对一级、二级镍基高温合金导向叶片的钎焊修复进行了研究。作者主要针对一级、二级导向叶片采用的镍基铸造高温合金焊接性较差的特点,进行了钎焊修复研究。此类叶片修复难度较大,主要难度较大,主要难点有两方面:一是待修复裂纹表面长期在高温燃气作用下产生较厚的氧化膜,且由于母材中含钛、铝和铬等元素,很难用简单的酸洗方法将此类氧化膜去除;另外叶片裂纹开敞性差,材质硬,普通刀具及机加工方法无法加工,因此机械加工去除氧化膜也有一定的难度。二是叶片要求修复后形成的大间隙钎焊接头,具有较高的高温持久性能、耐蚀性能和重熔温度。

为提高钎焊接头的力学性能、重熔温度及耐蚀性等,消除或减少接头中的低熔共晶相,进行了扩散处理。研究结果表明,采用氟化物反应和机械方法可有效去除叶片裂纹处的氧化膜;叶片去除氧化膜后,采用镶块和预填合金粉相结合的工艺进行钎焊修复,修复的叶片具有满意的性能,通过了涡轮喷气发动机地面100h试车16

3   

先进的焊接修复技术在镍基高温合金叶片维修中的应用,延长了发动机的使用寿命,有效提高了发动机的工作可靠性及维护的经济性。目前,实现镍基高温合金叶片的焊接修复方法主要分为固相焊和熔化焊修复两类,其中以固相焊修复较常见。虽然,钎焊和活性扩散钎焊等固相焊接修复方法在一定程度上可以实现工程应用,但工艺较复杂,效率较低。采用激光、电弧等熔化焊接进行修复,由于镍基高温合金的焊接冶金过程复杂、焊接性较差,加之保护环境的影响,常导致气孔、裂纹等缺陷的产生。

真空电子束钎焊(VEBB)作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术,适宜对各种特殊及难焊材料的精密、复杂部件的连接制造和修复。基于电子束钎焊的优点,将真空电子束钎焊应用于镍基高温合金叶片的修复,有望弥补其他焊接方法修复镍基高温合金叶片的不足。迄今为止,将电子束钎焊技术应用于叶片修复的相关研究还鲜见报道。因此,开展电子束钎焊对叶片的修复机制及实用工艺研究具有重要的理论和现实意义。

 

参考文献

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