燃?xì)廨啓C(jī)葉片修復(fù)研究進(jìn)展

馮麗

摘 要：鎳基高溫合金葉片是高性能燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，葉片大間隙缺陷修復(fù)強(qiáng)度低，嚴(yán)重制約了我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)葉片修復(fù)與再制造工程應(yīng)用。目前瞬態(tài)液相熔滲法可實(shí)現(xiàn)大間隙接頭的高強(qiáng)度連接，成為大間隙缺陷連接與修復(fù)的新方法，本文對(duì)鎳基高溫合金瞬態(tài)液相熔滲的發(fā)展進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；葉片修復(fù)；高溫合金

中圖分類(lèi)號(hào)：TK471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0065-02

1 引言

高溫合金葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，價(jià)格昂貴，葉片長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、腐蝕燃?xì)獾葠毫迎h(huán)境中，易產(chǎn)生粗大裂紋與腐蝕坑等大間隙缺陷。隨著高功率、高性能燃機(jī)的發(fā)展，由大間隙缺陷導(dǎo)致葉片過(guò)早失效的問(wèn)題也愈加嚴(yán)重，隨著大量燃機(jī)的投入使用，維修保障問(wèn)題日益突出[1]。此時(shí)，葉片遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，若更換新葉片則會(huì)大幅提高燃機(jī)的維修成本。因此，研究發(fā)展合適的大間隙缺陷修復(fù)技術(shù)，對(duì)降低維護(hù)成本，提高燃機(jī)維修保障能力具有重要意義。

葉片大間隙缺陷的修復(fù)主要由待修復(fù)區(qū)的應(yīng)力水平及強(qiáng)度所決定，修復(fù)區(qū)應(yīng)力水平越高，對(duì)修復(fù)強(qiáng)度要求越高[2]。理想情況下，應(yīng)采用與葉片基體成分相同或相近的合金作為填料以獲得近、等強(qiáng)度連接。然而，葉片材料通常為高Al、Ti含量的鎳基高溫合金，這類(lèi)材料高溫強(qiáng)度高，但焊接性差[3]。為了減少和避免裂紋等缺陷的產(chǎn)生，大間隙缺陷的熔焊修復(fù)大都使用固溶強(qiáng)化合金焊料，這使得葉片的熔焊修復(fù)局限在低應(yīng)力區(qū)，且修復(fù)區(qū)強(qiáng)度與抗氧化、耐蝕性能也顯著降低。采用與葉片基體成分相同或相近的合金作為修復(fù)材料，實(shí)現(xiàn)大間隙缺陷的近、等強(qiáng)度連接，一直是葉片修復(fù)與再制造所追求的目標(biāo)。

2 高溫合金焊接修復(fù)方法

2.1 熔化焊

高溫合金葉片的焊接修復(fù)方法主要包括熔焊和釬焊兩大類(lèi)。在熔焊方面，由于葉片材料的熱裂紋敏感性與焊接熱輸入量有關(guān)[4]。因此，控制和減少焊接熱輸入成為提高焊接性的重要途徑，基于此，高溫合金葉片熔焊修復(fù)工藝正向微型化和低熱化方向發(fā)展，出現(xiàn)了微弧氬弧焊、微等離子弧焊、微弧火花沉積、激光焊接等，國(guó)內(nèi)外知名單位如 Sienens Westinghous、Pratt and Whitney、Rolls Royce、General Electric，中科院金屬研究所等都在開(kāi)展熔焊修復(fù)研究，取得了許多有價(jià)值的研究成果[5-6]，實(shí)現(xiàn)了如IN738、IN939、Rene142等高Al+Ti鎳基高溫合金無(wú)裂紋直接堆焊，但是由于這類(lèi)材料的高熱裂紋敏感性，往往需要預(yù)熱到700℃以上的高溫才能實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋堆焊，而且結(jié)果也很不穩(wěn)定。關(guān)于燃機(jī)葉片近、等強(qiáng)度熔焊修復(fù)尚無(wú)成功的工業(yè)報(bào)道。

2.2 大間隙釬焊

在釬焊方面，各燃機(jī)制造商也在積極發(fā)展新的修復(fù)工藝，如美國(guó)General Electric公司的反應(yīng)擴(kuò)散愈合法 （Activated Diffusion Healing， ADH），對(duì)于大間隙缺陷，由于毛細(xì)作用的喪失，傳統(tǒng)釬焊和TLP等方法已很難形成高性能的接頭。ADH法也僅能對(duì)尺寸不大于1.5mm的缺陷進(jìn)行有效修復(fù)，遠(yuǎn)不能滿足大間隙缺陷修復(fù)的需求[7]。目前，針對(duì)大間隙缺陷的修復(fù)，國(guó)外普遍采用粉末冶金修復(fù)技術(shù)，即采用機(jī)械打磨去除缺陷周?chē)膿p傷區(qū)，然后以一種或多種與工件基體成分相同或相近的粉末為母體，通過(guò)添加適量的低熔點(diǎn)合金粉，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而獲得損傷區(qū)的填補(bǔ)愈合，真空燒結(jié)溫度及其溫度控制工藝也可以與工件基材的熱處理制度結(jié)合起來(lái)。國(guó)際上該技術(shù)應(yīng)用發(fā)展首推加拿大Liburdi公司的LPMTM，由于該技術(shù)對(duì)由高Al+Ti含量的鎳基高溫合金葉片與熱端部件的高溫燃?xì)鉄g、熱腐蝕孔洞和粗大裂紋等嚴(yán)重?fù)p傷的修復(fù)具有獨(dú)特的效果。目前，該技術(shù)被GE公司、Rolls Royce公司、Siemns Westinghouse公司等在電力燃機(jī)葉片與熱端部件修復(fù)上越來(lái)越廣泛的被采用[8]。以前很多采用釬焊，ADH，TLP甚至熔焊不能修復(fù)而報(bào)廢的葉片均可得到有效的修復(fù)，并且修復(fù)后的工件使用性能良好。目前，我國(guó)高性能電力燃機(jī)大多是從國(guó)外進(jìn)口，葉片大間隙缺陷的修復(fù)幾乎都是送往美國(guó)、英國(guó)和加拿大的修理公司，修復(fù)費(fèi)用昂貴，制約了我國(guó)電力生產(chǎn)成本的降低。迄今為止，大間隙缺陷的近、等強(qiáng)度連接技術(shù)已成為我國(guó)燃機(jī)葉片修復(fù)與再制造技術(shù)的瓶頸之一。由于大間隙缺陷的近、等強(qiáng)度連接技術(shù)專(zhuān)有性很強(qiáng)，相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究在公開(kāi)文獻(xiàn)中很少有報(bào)道，但從已有文獻(xiàn)看，該技術(shù)的核心是瞬態(tài)液相熔滲技術(shù)，因此必須盡早開(kāi)展相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)研究，以發(fā)展我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大間隙缺陷修復(fù)連接技術(shù)。

瞬態(tài)液相熔滲（Transient Liquid-Phase Infiltration， TLI）技術(shù)是將金屬粉末預(yù)先燒結(jié)成多孔金屬骨架，然后采用與金屬骨架成分相似的材料作為熔滲材料，熔滲過(guò)程依靠毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)多孔金屬骨架的致密化[9]。瞬態(tài)液相熔滲方法用于葉片大間隙缺陷修復(fù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）多孔金屬骨架的形成可以在大間隙接頭中起到“橋梁”的作用，這為大間隙接頭的連接提供先決條件。（2）多孔金屬骨架中相互連通的孔隙為熔滲材料的快速熔滲致密化提供了有利條件。（3）金屬骨架對(duì)熔滲材料中的降熔元素起擴(kuò)散島的作用，可使液相在數(shù)分鐘內(nèi)完成等溫凝固，從而實(shí)現(xiàn)組織均勻化，為提高接頭性能奠定了基礎(chǔ)。中科院金屬所對(duì)瞬態(tài)液相熔滲法修復(fù)大間隙缺陷進(jìn)行了探索性研究，首先將高溫合金粉末填充到間隙中，然后通過(guò)固相燒結(jié)將間隙中的高溫合金粉末制成多孔高溫合金骨架，并采用與骨架成分相似的熔滲材料對(duì)多孔高溫合金骨架進(jìn)行了瞬態(tài)液相熔滲。探索性的研究表明，瞬態(tài)液相熔滲區(qū)組織致密，連接強(qiáng)度可達(dá)基材的85%，已超過(guò)Liburdi公司所采用LPMTM所報(bào)道的水平[10]。

發(fā)展燃機(jī)葉片大間隙缺陷瞬態(tài)液相熔滲修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是認(rèn)識(shí)鎳基高溫合金瞬態(tài)液相熔滲機(jī)理，掌握鎳基高溫合金粉末燒結(jié)多孔化、液相熔滲致密化、凝固組織均勻化等關(guān)鍵過(guò)程的相關(guān)材料科學(xué)問(wèn)題。雖然瞬態(tài)液相熔滲法與傳統(tǒng)熔滲法有許多相似之處，且有關(guān)傳統(tǒng)熔滲的相關(guān)研究報(bào)道也較多，但多用于合金成分相對(duì)簡(jiǎn)單的鎢/銅、石墨/銅和C/C-SiC等復(fù)合材料的制備，其理論研究工作主要集中在熔滲過(guò)程質(zhì)量轉(zhuǎn)移、界面反應(yīng)等方面[11-12]。相比而言，瞬態(tài)液相熔滲法可以制備復(fù)雜成分、組織致密的部件，此時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題是復(fù)雜成分熔滲過(guò)程中液相與多孔金屬骨架交互作用及組織與性能的可控性。具體到多組元合金的瞬態(tài)液相熔滲領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)迄今鮮有報(bào)道。國(guó)外也僅有麻省理工學(xué)院開(kāi)創(chuàng)性地進(jìn)行了探索性的研究。2004年他們將瞬態(tài)液相熔滲二元鎳基合金、三元鋁合金及多元鐵基合金相關(guān)結(jié)果在Metallurgical and Materials Transactions A刊物上公開(kāi)發(fā)表[13-14]，并于2006年就瞬態(tài)液相熔滲致密化金屬構(gòu)件方法申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利，其涉及的合金也主要是成分相對(duì)簡(jiǎn)單的材料[15]。

2.3 未來(lái)發(fā)展方向

盡管對(duì)簡(jiǎn)單成分進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)復(fù)雜成分的鎳基高溫合金的瞬態(tài)液相熔滲尚未見(jiàn)有報(bào)導(dǎo)。雖然經(jīng)過(guò)前期探索，發(fā)現(xiàn)采用瞬態(tài)液相熔滲法可以實(shí)現(xiàn)大間隙缺陷的近、等強(qiáng)度連接。但是與高溫合金瞬態(tài)液相熔滲密切相關(guān)的基礎(chǔ)理論仍然不清楚。首先，多孔高溫合金骨架形成過(guò)程中存在粉體的自燒結(jié)和粉體與葉片基體界面之間的連接兩個(gè)過(guò)程，二者需同時(shí)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行。若自燒結(jié)發(fā)生在連接之前，則會(huì)引起間隙中高溫合金骨架脫落，喪失“橋梁”作用，相反則高溫合金骨架會(huì)出現(xiàn)裂紋或凹陷等缺陷。與此同時(shí)，多孔高溫合金骨架的形成還受到燒結(jié)溫度等因素的約束，過(guò)高的燒結(jié)溫度雖可以形成多孔高溫合金骨架，但會(huì)導(dǎo)致葉片組織的大面積改變，降低葉片力學(xué)性能。而溫度過(guò)低，則無(wú)法形成多孔骨架結(jié)構(gòu)。因此，多孔高溫合金的形成機(jī)制成為瞬態(tài)液相熔滲修復(fù)首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。其次，瞬態(tài)液相熔滲過(guò)程中，液相與多孔骨架及葉片基體界面間存在液-固浸潤(rùn)、液-固反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程。過(guò)高的熔滲溫度會(huì)增加熔點(diǎn)抑制元素的活性，使熔滲材料對(duì)高溫合金骨架產(chǎn)生溶蝕，凝固過(guò)程中會(huì)形成大量硼化物、硅化物等脆性相，降低接頭強(qiáng)度。相反則高溫合金骨架會(huì)對(duì)熔滲材料產(chǎn)生“凍結(jié)”，凝固過(guò)程中形成大量孔洞，降低熔滲區(qū)組織的致密性，進(jìn)而降低熔滲區(qū)的力學(xué)性能。因此，研究與熔滲致密化及組織演變過(guò)程相關(guān)理論成為另一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著葉片大間隙缺陷近、等強(qiáng)度修復(fù)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，可使我國(guó)燃機(jī)葉片的使用由高投入、高消耗、低效率的傳統(tǒng)模式向低投入、低消耗、高效率的可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，對(duì)降低燃機(jī)維護(hù)成本，打破國(guó)外的技術(shù)封鎖意義重大，為我國(guó)能源動(dòng)力工業(yè)的自主、長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張杰，王茂才，翟玉春.先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片粉末冶金修復(fù)技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010，（24）：110-113.

[2]謝玉江，王茂才，王明生.高Al、Ti含量鎳基高溫合金激光、微弧火花表面熔焊處理研究進(jìn)展及解決熔焊裂紋的途徑[J].中國(guó)表面工程，2010，（23）：1-16.

[3]M.B. Henderson， D. Arrell， R. Larsson， M. Heobel， G. Marchant. Nickel based superalloy weldingpractices for industrial gas turbine applications[J]. Science and Technology of Welding and Joining，2004，（1）：13-21.

[4]張海泉，趙海燕，張彥華，李劉合，張行安.鎳基高溫合金電子束焊接熱影響區(qū)微裂紋特征分析[J].材料工程，2005，（3）：22-25.

[5]L. Sexton， S. Lacin， G. Byrne， A. Kennedy. Laser cladding of aerospace materials[J]. Journal of Materials Processing Tech， 2002，（1）： 63-68.

[6]Guijun Bi， Andres Gasser. Restoration of nickel-base turbine blade knife-edges with controlled laser aided additive manufacturing[J]. Physics Procedia， 2011， （12）： 402-409.

[7]L. S. K. Heikinheimo， A. Laukkanen， J. Veivo. Joint characterization for repair brazing of superalloys[J]. Welding World， 2005，（5-6）： 5-12.

[8]王茂才，張杰.高溫合金葉片粉末冶金修復(fù)再制造[J].中國(guó)表面工程，2010，（1）：80-86.

[9]Lorenz. Transient liquid-phase infiltration of a powder-metal skeleton[D]. Massachusetts Institute of Technology，2002.

[10]R. Sparling， J. Liburdi. Liburdi Powder Metallurgy： new composition for high strength repairs of turbine compontents[C].ASTM Turbo Expo， Amsterdan， the Netherlands，2002.

[11]張偉，鄒軍濤，白艷霞.Cu-W合金熔滲過(guò)程的微觀模擬與分析[J].稀有金屬材料與工程，2012，（10）：1473-1750.

[12]李金山，羅明波，胡銳，等.低壓輔助熔滲3D-C/Cu復(fù)合材料的組織和界面特性[J].特種鑄造及有色合金，2009，（8）：687-689.

[13]A Lorenz， E Sachs， B Kernan， SA Posco， L Rafflenbful. Densification of a powder-metal skeleton by transient liquid-phase infiltration[J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2004，35（2） ：631-640.

[14]A Lorenz， E Sachs， S Allen. Freeze-off limits in transient liquid-phase infiltration[J].Metallurgical & Materials Transactions A ，2004，35（2）：641-653.

[15]EM Sachs ， AM Lorenz ， S Allen.Infiltration of a powder metal skeleton of similar materials using melting point depressant[P].2006.U.S. Patent No.7，060，222B2.