專利名稱：一種高溫合金薄壁件裂紋真空釬焊修復方法
技術領域：
本發(fā)明屬于焊接技術，涉及對高溫合金薄壁件裂紋焊接修復的改進。
背景技術：
航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片等熱端部件通常采用高溫力學性能和高溫 抗氧化、抗腐蝕性能優(yōu)異的鎳基、鈷基合金制造，并采用復雜型面和冷卻結(jié)構(gòu)設計。但是惡 劣的工作環(huán)境還是經(jīng)常導致這些高溫合金部件在使用過程中產(chǎn)生裂紋缺陷。由于新件制造 工藝復雜，生產(chǎn)成本高，因此對受損部件進行修復具有非常高的經(jīng)濟價值。然而，由于缺乏 適合的修理方法，目前許多高溫合金部件裂紋一旦超過允許使用標準就只能報廢處理。采用焊接方法修復高溫合金部件是可行的途徑之一。目前已經(jīng)開發(fā)了 一些焊接修 理方法并應用于特定高溫合金部件的修復，主要分為熔焊和固相焊兩類，其中熔焊包括鎢 極氬弧焊、微束等離子焊、激光熔覆等，固相焊包括真空狀態(tài)下的常規(guī)釬焊、擴散釬焊和大 間隙釬焊。高溫合金部件長期在高溫燃氣腐蝕條件下工作，其形成的裂紋表面通常被Cr、Al、 Ti等元素的氧化物所覆蓋，并含有積碳等雜質(zhì)，這些氧化物和雜質(zhì)如不徹底清除，將嚴重影 響后續(xù)的焊接修復。目前常用的裂紋清理方法主要分為化學法、熱處理法、熱化學法和機械 法四類，其中化學法包括堿洗、鹽浴，熱處理法包括氫清洗、真空清洗，熱化學法包括氟離子 清洗、氟碳清洗，機械法包括機械打磨、噴沙。針對具體高溫合金部件損傷缺陷的焊接修復技術，通常是對上述不同裂紋清理方 法和不同焊接修復方法的優(yōu)化組合。現(xiàn)有裂紋清理技術的情況是采用堿洗、鹽浴方法進行裂紋清理，能夠去除Cr的氧化物和部分Al、Ti氧化物，但 效果不理想，對環(huán)境不友好，因此目前堿洗主要用于高溫合金部件的表面脫脂、積炭和部分 氧化物去除，鹽浴已不再使用。采用氫清洗、真空清洗方法進行裂紋清理，能夠去除Cr的氧化物，但無法去除裂 紋內(nèi)Al、Ti的氧化物，因此主要用于鈷基合金部件、低Al、Ti含量的鎳基合金部件的裂紋清 理和表面準備；而對于高Al、Ti含量的鎳基合金部件的裂紋清理效果不好。采用氟離子清洗、氟碳清洗方法進行裂紋清理，能夠有效去除高溫合金部件表面 和裂紋內(nèi)的Cr、Al、Ti的氧化物，因此目前廣泛用于高溫合金部件表面涂層的去除和裂紋 內(nèi)的Cr、Al、Ti氧化物清理。但是由于國內(nèi)缺乏氟離子清洗、氟碳清洗設備，所以此種裂紋 清理方法在國內(nèi)沒有應用。而且此種裂紋清理方法存在環(huán)保隱患。采用機械打磨、噴砂方法進行裂紋清理，機械打磨能有效去除高溫合金部件表面 和裂紋內(nèi)的Cr、Al、Ti的氧化物，但打磨尺寸不規(guī)范，噴砂可去除表面氧化物，因此通常用 于高溫合金部件的表面清理?，F(xiàn)有焊接修復方法的情況是采用鎢極氬弧焊修復高溫合金部件，由于熱輸入大，在焊接過程中高溫合金部件容易產(chǎn)生變形。微束等離子焊能夠減小高溫合金部件的焊接變形，但也無法消除變形。同 時，對于那些高Al、Ti含量的鑄造高溫合金部件，無論是鎢極氬弧焊還是微束等離子焊，在 焊接接頭都易形成裂紋，且接頭力學性能明顯低于母材，因此鎢極氬弧焊、微束等離子焊只 能用于對焊接變形不敏感的，特定高溫合金材料部件的低應力區(qū)損傷修復。激光熔覆可有 效降低焊接變形，但高溫合金材料激光熔覆接頭力學性能低，且很難適應部件裂紋位置隨 機出現(xiàn)的特點，因此也只能用于特定結(jié)構(gòu)的高溫合金部件的低應力區(qū)損傷修復。常規(guī)真空釬焊方法也只能用于特定結(jié)構(gòu)的高溫合金部件低應力區(qū)的損傷修復，這 主要由以下原因所致1)為使釬料通過毛細作用填充間隙，釬焊間隙必須小于0. Imm ；2) 釬焊接頭力學性能遠低于母材，這極大限制了真空釬焊方法在高溫合金部件修復方面的應 用。擴散釬焊是對常規(guī)真空釬焊方法的改進。由于采用與母材成分相近的釬料，擴散 釬焊接頭強度在理想情況下可以接近母材。然而要達到該強度水平，且保證釬焊時間在工 程應用可以接受的范圍內(nèi)，那么釬焊間隙就要非常小，如此小的間隙在高溫合金部件修復 時很難滿足。為適應高溫合金部件修復時間隙通常較大的情況(通常大于0. Imm)，開發(fā)了大間 隙釬焊(U. S. Patent No. 3155491,4381944,4008844)工藝。大間隙釬焊使用高熔點合金粉 末和釬焊合金粉末的混合物作為間隙填充材料，其中高熔點合金粉末的成分與被修復的高 溫合金部件材料一致或相近，而釬焊合金粉末成分通常也與高溫合金部件材料相近，但含 有一定的B、Si降低熔點元素。為保證釬焊合金的流動性和減少接頭孔洞，通常釬焊合金粉 末占混合物的40%以上，因此形成了以釬焊合金為基體的分布有高熔點合金顆粒的不均勻 釬焊接頭組織。長時間的擴散熱處理也很難實現(xiàn)組織均勻化。由于大間隙釬焊接頭中存在 大量的B、Si降低熔點元素，致使接頭強度通常大大低于母材強度。現(xiàn)有的高溫合金薄壁件裂紋焊接修復方法的專利情況是在一些工藝中利用氟 離子(U. S. Patent No. 4098450)或氫氣(U. S. PatentNo. 2005/0126593A1)在高溫下與裂 紋表面的氧化物反應使之去除，然后以低熔點釬料或低熔點釬料與高熔點合金粉的混合物 為裂紋填充材料，通過釬焊或擴散釬焊的方法使液態(tài)釬料填充裂紋間隙形成釬焊接頭，從 而完成修復。這種方法存在的主要問題是裂紋清理的充分性，即氧化物是否能夠徹底清 除。由于裂紋清理程度很難檢測，一旦裂紋清理不徹底，形成的釬焊接頭中將存在未焊合缺 陷，導致接頭性能下降，不能滿足使用要求。在一些工藝中采用機械打磨方法(U. S. Intent No. 4008844/4910098)去除裂紋及其周圍部分金屬并形成坡口，然后以低熔點釬料與高熔 點合金粉的混合物，或者是由該混合物燒結(jié)成的預成型件，為坡口填充材料，通過大間隙釬 焊方法完成修復。這種方法存在的主要問題是機械打磨形成的坡口尺寸不規(guī)范，間隙遠遠 大于0. 1mm，必須采用大間隙釬焊方法修復。大量低熔點釬料的使用致使修復部位力學性能 顯著下降，即使通過擴散熱處理使接頭組織更趨均勻，但是接頭中降低熔點元素B和Si的 平均水平仍遠高于母材，致使接頭性能難以滿足使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種既適用于低Al、Ti含量高溫合金薄壁件、又適用于高 Al、Ti含量高溫合金薄壁件的裂紋真空釬焊修復方法，以解決國內(nèi)高溫合金薄壁件的裂紋修復難題。本發(fā)明的技術方案是一種高溫合金薄壁件裂紋真空釬焊修復方法，其特征在于， 修復的步驟如下1、電解加工采用電解加工方法將高溫合金薄壁件裂紋周圍部分的金屬去除，形 成涵蓋裂紋的、貫通高溫合金薄壁件壁厚的矩形或圓形的修復槽或修復孔；2、清洗將電解加工后的高溫合金薄壁件置于裝有清水或丙酮或酒精的超聲波清 洗機中清洗30min 60min，然后放入烘箱中在100°C 150°C溫度下保溫30min 60min ；3、加工修復鑲塊采用與高溫合金薄壁件相同或相近的材料制造修復鑲塊，修復 鑲塊的形狀和尺寸與高溫合金薄壁件上的修復槽或修復孔相適應，將修復鑲塊嵌入修復槽 或修復孔后，其配合間隙應小于0. 1mm，修復鑲塊的厚度大于修復槽或修復孔處高溫合金薄 壁件的壁厚；4、定位修復鑲塊將修復鑲塊嵌入高溫合金薄壁件的修復槽或修復孔中，通過點 焊將修復鑲塊定位；5、粉末填充用-325目的混合有粘結(jié)劑的合金粉末填充修復鑲塊與修復槽或修 復孔之間的間隙，合金粉末的材料與高溫合金薄壁件相同或相近，粘結(jié)劑采用市售的Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘結(jié)劑與合金粉末的重量比為1 19 1 4 ；6、預加熱將高溫合金薄壁件送入100°C 250°C的烘箱中加熱15min 120min ；7、高溫燒結(jié)將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行熱處理，加熱溫度1050°C 1260°C，保溫時間15min 120min，使高溫合金薄壁件待修部位的合金粉末燒結(jié)為與修復 鑲塊和修復槽或修復孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體；8、釬焊準備在合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上放置成分與高溫合金薄壁件材料相 近的、混合有粘結(jié)劑的粉末釬料，為防止液態(tài)釬料漫流，在合金粉末燒結(jié)體周圍的高溫合金 薄壁件表面涂覆市售的止焊劑，止焊劑是Vitta IAlBraz-Stop ；9、釬焊將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行真空釬焊和擴散熱處理，釬焊溫 度1050°C 1260°C，保溫時間30min 180min ；隨后進行擴散熱處理，擴散熱處理溫度 900°C 1260°C，保溫時間30min MOmin，隨爐冷卻或者充氬氣冷卻到室溫；10、型面加工對釬焊后的高溫合金薄壁件的修復部位進行機械打磨加工，使修復 部位的型面尺寸恢復為修復前的型面尺寸。本發(fā)明的優(yōu)點是適用面廣，既適用于低Al、Ti含量高溫合金薄壁件、又適用于高 Al、Ti含量高溫合金薄壁件的裂紋修復，解決了國內(nèi)高溫合金薄壁件的裂紋修復難題。
具體實施例方式下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。一種高溫合金薄壁件裂紋真空釬焊修復方法， 其特征在于，修復的步驟如下1、電解加工采用電解加工方法將高溫合金薄壁件裂紋周圍部分的金屬去除，形 成涵蓋裂紋的、貫通高溫合金薄壁件壁厚的矩形或圓形的修復槽或修復孔；2、清洗將電解加工后的高溫合金薄壁件置于裝有清水或丙酮或酒精的超聲波清 洗機中清洗30min 60min，然后放入烘箱中在100°C 150°C溫度下保溫30min 60min ；3、加工修復鑲塊采用與高溫合金薄壁件相同或相近的材料制造修復鑲塊，修復
5鑲塊的形狀和尺寸與高溫合金薄壁件上的修復槽或修復孔相適應，將修復鑲塊嵌入修復槽 或修復孔后，其配合間隙應小于0. 1mm，修復鑲塊的厚度大于修復槽或修復孔處高溫合金薄 壁件的壁厚；4、定位修復鑲塊將修復鑲塊嵌入高溫合金薄壁件的修復槽或修復孔中，通過點 焊將修復鑲塊定位；5、粉末填充用-325目的混合有粘結(jié)劑的合金粉末填充修復鑲塊與修復槽或修 復孔之間的間隙，合金粉末的材料與高溫合金薄壁件相同或相近，粘結(jié)劑采用市售的美國 Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘結(jié)劑與合金粉末的重量比為1 19 1 4；6、預加熱將高溫合金薄壁件送入100°C 250°C的烘箱中加熱15min 120min ；7、高溫燒結(jié)將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行熱處理，加熱溫度1050°C 1260°C，保溫時間15min 120min，使高溫合金薄壁件待修部位的合金粉末燒結(jié)為與修復 鑲塊和修復槽或修復孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體；8、釬焊準備在合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上放置成分與高溫合金薄壁件材料相 近的、混合有粘結(jié)劑的粉末釬料，為防止液態(tài)釬料漫流，在合金粉末燒結(jié)體周圍的高溫合金 薄壁件表面涂覆市售的止焊劑，止焊劑是美國Vitta公司的Vitta IAl Braz-stop ；9、釬焊將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行真空釬焊和擴散熱處理，釬焊溫 度1050°C 1260°C，保溫時間30min 180min ；隨后進行擴散熱處理，擴散熱處理溫度 900°C 1260°C，保溫時間30min MOmin，隨爐冷卻或者充氬氣冷卻到室溫；10、型面加工對釬焊后的高溫合金薄壁件的修復部位進行機械打磨加工，使修復 部位的型面尺寸恢復為修復前的型面尺寸。本發(fā)明的工作原理是由于電解加工后的加工表面不產(chǎn)生再鑄層和微裂紋，基體不發(fā)生晶間腐蝕，且對 基體性能無影響，因此采用電解加工方法去除裂紋及其周圍部分金屬，可徹底去除裂紋內(nèi) 的氧化物，加工表面滿足釬焊要求，且加工后形成的修復槽或修復孔尺寸規(guī)范，可有效降低 修復鑲塊加工配合的難度；采用與高溫合金薄壁件材料成分相同或相近的修復鑲塊、合金 粉末填充修復槽或修復孔，通過高溫燒結(jié)使合金粉末燒結(jié)為與修復鑲塊和修復槽或修復孔 連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體；通過在合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上預置成分與高 溫合金薄壁件材料相近的粉末釬料并加熱焊接，液態(tài)釬料通過毛細作用潤濕填充合金粉末 燒結(jié)體的空隙并形成致密的釬焊接頭，同時由于最大限度地減少了釬焊接頭中粉末釬料所 占的比重，因此有效提高了釬焊接頭的力學性能，從而實現(xiàn)高溫合金部件的高質(zhì)量釬焊修
Μ. ο實施例1某薄壁件由KM合金精密鑄造而成，厚3mm。在薄壁件中部存在一長約8mm的穿 透性裂紋。K24合金主要成分為:C(0. 14 0. 20) ；Cr (8. 5 10. 5) ；Co (12. O 15. 0)； W(l. O 1. 8) ；Mo (2. 7 3. 4) ；Al (5. O 5. 7) ；Ti (4. 2 4. 7) ；Nb (0. 5 1. 0) ；Ni 余 量。修復過程如下首先，采用電解加工方法將薄壁件裂紋周圍部分的金屬去除，形成涵蓋 裂紋且貫通的Φ IOmm的圓形修復孔，尺寸誤差為士0. 1mm，采用機械打磨方法去除修復孔 周圍表面氧化物至呈金屬光澤。將零件置于裝有清水的超聲波清洗機中清洗60min后放入烘箱干燥30min。加工一 Φ 10 X 5mm的KM合金修復鑲塊，置入修復孔并電阻點焊定位， 點焊電流30A。在修復孔與修復鑲塊的間隙添加-325目的Mar-M247合金粉并用市售的 Nicrobraz 500Cement粘結(jié)劑固定，保證合金粉末顆粒緊密堆積，粘結(jié)劑與合金粉末的重量 比為1 10。將裝配好的零件在真空燒結(jié)爐中升溫至1210°C保溫30min，使合金粉末燒結(jié)為 與修復鑲塊和修復孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體。將AMDRY DF3粉末釬料置于合 金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上，并用上述粘結(jié)劑固定，周圍涂覆市售的Vitta IAl Braz-stop 止焊劑。將零件放入真空爐中進行釬焊和熱處理，釬焊溫度1210°C，保溫210min，隨爐冷卻 至1000°C后充氬氣冷至室溫。實施例2某薄壁件由K640合金精密鑄造而成，厚3mm。在薄壁件中部存在一長約8mm的穿 透性裂紋。K640 合金主要成分為:C(0. 45 0. 55) ；Cr (24. 5 26. 5) ；Ni (9. 5 11. 0)； W(7.0 8.0) ；Co余量。修復過程如下首先，采用電解加工方法將薄壁件裂紋周圍部分的 金屬去除，形成涵蓋裂紋且貫通的Φ IOmm的圓形修復孔，尺寸誤差為士0. 1mm，采用機械打 磨方法去除修復孔周圍表面氧化物至呈金屬光澤。將零件置于裝有清水的超聲波清洗機中 清洗60min后放入烘箱干燥30min。加工一 Φ 10 X 5mm的K640合金修復鑲塊，置入修復孔并 電阻點焊定位，點焊電流30A。在修復孔與修復鑲塊的間隙添加-325目的Mar-M509合金粉 并用市售的Nicrobraz 500Cement粘結(jié)劑固定，保證合金粉末顆粒緊密堆積，粘結(jié)劑與合 金粉末的重量比為1 10。將裝配好的零件在真空燒結(jié)爐中升溫至1210°C保溫30min，使 合金粉末燒結(jié)為與修復鑲塊和修復孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體。將Mar-M509B 粉末釬料置于合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上，并用上述粘結(jié)劑固定，周圍涂覆市售的Vitta lAlBraz-stop止焊劑。將零件放入真空爐中進行釬焊和熱處理，釬焊溫度1210°C，保溫 120min，隨爐冷卻至室溫。實施例3某渦輪導向葉片由K403合金精密鑄造而成。在葉片排氣邊冷卻孔位置存在 一長約9mm的穿透性裂紋，裂紋終端壁厚不大于3mm。K403合金主要成分為C(0. 11 0. 18) ；Cr (10. 0 12. 0) ；Co (4. 5 6. 0) ；W (4. 8 5. 5) ；Mo (3. 8 4. 5) ；Al (5. 3 5. 9)； TU2.3 2.9) ；Ni余量。修復過程如下首先，采用電解加工方法將葉片裂紋周圍部分的 金屬去除，形成涵蓋裂紋且貫通的3X10mm的修復槽，尺寸誤差為士 0. 1mm，采用機械打磨 方法去除修復槽周圍表面氧化物至呈金屬光澤。將零件置于裝有清水的超聲波清洗機中清 洗60min后放入烘箱干燥30min。加工3 X 12 X 4mm的K403合金修復鑲塊，置入修復槽并 電阻點焊定位，點焊電流30A。在修復槽與修復鑲塊的間隙添加-325目的Mar-M247合金 粉并用市售的Nicrobraz 500Cement粘結(jié)劑固定，保證粉末顆粒呈緊密堆積，粘結(jié)劑與合 金粉末的重量比為1 10。將裝配好的零件在真空燒結(jié)爐中升溫至1210°C保溫30min，使 合金粉末燒結(jié)為與修復鑲塊和修復槽連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體。將AMDRY775 粉末釬料置于合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上，并用上述粘結(jié)劑固定，周圍涂覆市售的 VittalAl Braz-stop止焊劑。將零件放入真空爐中進行釬焊和熱處理，釬焊溫度1210°C， 保溫210min，隨爐冷卻至1000°C后充氬氣冷至室溫。對焊后的渦輪導向葉片，采用機械打 磨方法恢復修復部位原有型面尺寸。
權利要求
1. 一種高溫合金薄壁件裂紋真空釬焊修復方法，其特征在于，修復的步驟如下 1.1、電解加工采用電解加工方法將高溫合金薄壁件裂紋周圍部分的金屬去除，形成 涵蓋裂紋的、貫通高溫合金薄壁件壁厚的矩形或圓形的修復槽或修復孔；1. 2、清洗將電解加工后的高溫合金薄壁件置于裝有清水或丙酮或酒精的超聲波清洗 機中清洗30min 60min，然后放入烘箱中在100°C 150°C溫度下保溫30min 60min ；1. 3、加工修復鑲塊采用與高溫合金薄壁件相同或相近的材料制造修復鑲塊，修復鑲 塊的形狀和尺寸與高溫合金薄壁件上的修復槽或修復孔相適應，將修復鑲塊嵌入修復槽或 修復孔后，其配合間隙應小于0. 1mm，修復鑲塊的厚度大于修復槽或修復孔處高溫合金薄壁 件的壁厚；1. 4、定位修復鑲塊將修復鑲塊嵌入高溫合金薄壁件的修復槽或修復孔中，通過點焊 將修復鑲塊定位；1. 5、粉末填充用-325目的混合有粘結(jié)劑的合金粉末填充修復鑲塊與修復槽或修復 孔之間的間隙，合金粉末的材料與高溫合金薄壁件相同或相近，粘結(jié)劑采用市售的Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘結(jié)劑與合金粉末的重量比為1 19 1 4 1. 6、預加熱將高溫合金薄壁件送入100°C 250°C的烘箱中加熱15min 120min ； 1.7、高溫燒結(jié)將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行熱處理，加熱溫度1050°C 1260°C，保溫時間15min 120min，使高溫合金薄壁件待修部位的合金粉末燒結(jié)為與修復 鑲塊和修復槽或修復孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體；1. 8、釬焊準備在合金粉末燒結(jié)體和修復鑲塊上放置成分與高溫合金薄壁件材料相近 的、混合有粘結(jié)劑的粉末釬料，為防止液態(tài)釬料漫流，在合金粉末燒結(jié)體周圍的高溫合金薄 壁件表面涂覆市售的止焊劑，止焊劑是VittalAl Braz-stop ；1.9、釬焊將高溫合金薄壁件送入真空爐中進行真空釬焊和擴散熱處理，釬焊溫 度1050°C 1260°C，保溫時間30min 180min ；隨后進行擴散熱處理，擴散熱處理溫度 900°C 1260°C，保溫時間30min MOmin，隨爐冷卻或者充氬氣冷卻到室溫；1. 10、型面加工對釬焊后的高溫合金薄壁件的修復部位進行機械打磨加工，使修復部 位的型面尺寸恢復為修復前的型面尺寸。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術，涉及對高溫合金薄壁件裂紋焊接修復的改進。其特征在于，修復的步驟如下電解加工；清洗；加工修復鑲塊；定位修復鑲塊；粉末填充；預加熱；高溫燒結(jié)；釬焊準備；釬焊；型面加工。本發(fā)明的適用面廣，既適用于低Al、Ti含量高溫合金薄壁件、又適用于高Al、Ti含量高溫合金薄壁件的裂紋修復，解決了國內(nèi)高溫合金薄壁件的裂紋修復難題。
文檔編號B23P6/04GK102120292SQ20111006781
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者侯金保, 張勝, 李曉紅, 郭德倫 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所