一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法技术

本发明专利技术属于冶金技术领域，提供了一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法，主要包含热等静压、固溶和时效工艺。热等静压用来愈合合金材料中的孔洞和疏松缺陷，同时溶解部分粗化或球化γ′，且确保合金材料不发生初熔。固溶处理用来溶解合金材料在服役过程中形成的残余粗化或球化γ′相；时效处理用来调整γ′的形态和大小以获得强度和塑性的最佳配合，最终获得无孔洞缺陷、大尺寸方形γ′和小尺寸点状γ′共存的镍基合金材料。恢复处理后合金材料的高温持久性能接近服役前的水平。本发明专利技术操作简单、生产效率高、经济效益高、普适性和通用性和适用性强，能够满足燃气轮机高温部件修复和延寿要求。

Service recovery method of a precipitated reinforced polycrystalline nickel base alloy in service

The invention belongs to the metallurgical technology field, and provides a precipitation strengthening polycrystalline nickel base alloy service damage recovery method, mainly including hot isostatic pressing, solid solution and aging process. Thermal isostatic pressure is used to heal holes and loose defects in alloy materials, and to dissolve partially coarsening or spheroidizing gamma ', and to ensure that the alloy material does not have initial melting. Solid solution used to dissolve the alloy material is formed in the service process of residual coarsening or spheroidal gamma prime phase; aging treatment is used to adjust the gamma 'morphology and size in order to obtain the strength and ductility of the best fit, ultimately no holes, large size and small size square coexist R' dot gamma 'Ni alloy material. The high temperature durability of the alloy after recovery treatment is close to the level before service. The invention has the advantages of simple operation, high production efficiency, high economic benefit, universality, versatility and applicability, and can meet the requirements for repairing and prolonging life of high temperature components of gas turbines.

【技术实现步骤摘要】
一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法
本专利技术属于冶金
，具体涉及一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法。
技术介绍
透平叶片、护环、火焰筒、过渡段等作为燃气轮机实现能量转换的核心部件，在服役过程中承受着高温度、高应力以及恶劣的氧化腐蚀环境。随着燃气轮机透平进气温度的提高，对高温部件用材提出了更高要求。沉淀强化型镍基高温合金在合适的热处理条件下能够获得奥氏体γ+γ′相组织。γ′相作为沉淀强化型镍基高温合金的主要强化相，其尺寸、存在形态及体积分数共同决定其抗高温蠕变能力。由于镍基高温合金在高温条件下具有较高的强度、良好的抗氧化性和抗腐蚀性，现已被广泛用于制造燃气轮机高温部件。尽管镍基高温合金具有良好的高温强度，但在高温、高应力服役环境下，蠕变是高温部件性能衰退和寿命消耗的主要因素，其极易发生各种微观组织损伤，包括γ′相球化和筏化、碳化物分解和膜状化、TCP相析出、蠕变孔洞等，微观组织蠕变损伤严重影响高温部件材料的高温性能和服役寿命。为延长高温部件的服役寿命，需要对服役后高温部件材料发生的微观组织损伤进行恢复热处理，以期获得满意的强化相形态、尺寸，以及高温性能。目前较为成功的恢复热处理工艺主要有热等静压和热处理两种工艺。大量研究结果表明：热等静压工艺能够一定程度地压缩高温部件在服役过程中形成的蠕变孔洞、铸造孔洞、位错和小裂纹，能够有效愈合初熔区，同时高压条件下能够提高合金的初熔温度，缓解初熔行为的发生。也有研究表明：使用普通热处理工艺能有效将合金材料微观组织中的γ′相形态和尺寸恢复到服役前的水平，并提高了相组织的稳定性。然而，对于服役燃气轮机高温部件所用沉淀强化型多晶铸造高温合金材料，往往同时存在蠕变孔洞或铸造缩孔，以及γ′相粗化和筏化的损伤形式，单独使用热等静压和热处理很难恢复损伤组织和性能至服役前的状态。另外，这种合金材料一般含有大量晶界强化元素，易发生初熔行为，很难确定合金材料的恢复热处理参数。由于高温合金组织结构多样、化学成分各异、服役历史和损伤机制不同，已报道的恢复热处理工艺各不相同，对于特定合金的组织和性能恢复借鉴价值不高。因此，开发普适性的燃气轮机高温部件沉淀强化型多晶铸造高温合金材料损伤组织和性能恢复新方法具有很大的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服上述不足，提供了一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法，结合热等静压+热处理工艺，既能愈合镍基合金材料中的孔洞或疏松，同时恢复镍基合金材料的微观组织，最终获得的镍基合金材料组织和性能与服役前的组织和性能水平相近。本专利技术操作简单、生产效率高、经济效益高、通用性和适用性强，能够满足燃气轮机高温部件修复和延寿要求。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案来实现：一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法，包括以下步骤：先用夹具固定高温部件，后置于热等静压机的高压保温区，抽真空，后充惰性气体，反复2～3次，确保空气排尽，后在惰性气体的作用下将高压容器内部压力保持在80～120MPa，升温至1180～1300℃，保证此温度值处于高温合金材料γ′相固溶温度与初熔温度区间内，保温2～6小时，炉冷；排气至常压，再升温至1100～1180℃，确保该温度略低于合金材料γ′相固溶温度，保温2～6小时，空冷；升温至900～1100℃，保温1～4小时，空冷；升温至800～900℃，保温12～36小时，空冷，恢复处理后合金材料的组织和性能接近或优于服役前的组织和性能水平。本专利技术进一步的改进在于，高温合金材料为在役燃气轮机火焰筒、过渡段、透平叶片所用的镍基高温合金，包括GTD111、IN738、GTD222、IN706、IN939、IN617、MGA1400、MGA2400、Tomilloy、MarM247、Nimonic263、Udimet500和HastelloyX。本专利技术进一步的改进在于，热等静压机以高压惰性气体为传压介质，工作压力可达200MPa，最高使用温度：1500℃。本专利技术进一步的改进在于，热等静压高压容器中所充惰性气体包括氩气、氦气和氮气。本专利技术进一步的改进在于，合金材料组织包括γ′、碳化物、TCP相等的成分、形态和尺寸，以及孔洞的尺寸和形态。本专利技术进一步的改进在于，合金材料性能包括高温持久、拉伸和疲劳性能。相对于现有技术，本专利技术具有如下的优点：本专利技术提出了一种热等静压+热处理相结合的组织和性能恢复新方法，由于可同时实现燃气轮机高温部件所用沉淀强化型铸造多晶镍基合金材料的孔洞和退化组织的有效恢复，并改善合金材料的高温性能，达到延寿高温部件服役寿命的目的，相比于单独使用热等静压和热处理工艺具有突出的优势。进一步，由于本专利技术提供的恢复新方法是针对现役燃气轮机高温部件普遍存在的服役损伤共性问题提出的，具有极强通用性，普遍适用于在役重型燃气轮机火焰筒、过渡段、透平叶片等部件所用的多晶铸造镍基合金材料服役损伤组织和性能的恢复处理。进一步，由于本专利技术采用的热等静压方法以高压惰性气体为传压介质，在高温高压条件下能够保证高温合金材料各向受压均匀，热等静压处理后能够使高温合金中的孔洞得到有效愈合，同时所述恢复方法的热等静压工艺能够提高合金的初熔温度，该方法热处理温度范围宽，克服了单一热处理工艺在处理含有大量晶界强化元素的合金材料时易发生初熔行为的突出问题。进一步，由于本专利技术提供的恢复方法能够恢复合金材料微观组织包括孔洞、γ′、碳化物、TCP相等的成分、形态和尺寸，而孔洞、γ′、碳化物、TCP相等是决定合金材料高温蠕变性能和寿命的主要参数，因此该专利技术在恢复合金材料蠕变损伤、提高抗高温蠕变能力和延长合金材料蠕变寿命方面具有明显优势，不仅适用于高温部件蠕变寿命的延长，也适用于焊接修复后的部件组织和性能的恢复。进一步，由于采用本专利技术所述恢复方法能够获得无明显孔洞，大尺寸方形γ′和小尺寸点状γ′两种形态共存的合金材料组织特征，其组织状态接近或优于服役前的组织状态。恢复处理后合金材料的高温持久寿命与服役前的相当，恢复处理后可直接安装到燃气轮机机组，继续安全服役至下一个检修周期。进一步，由于本专利技术所述恢复方法的主要处理设备包含热等静压机和热处理炉，主要处理过程相同，针对服役重型燃气轮机所用的不同多晶铸造镍基合金材料，其工艺参数略有差异，适宜自动化批量处理。因此本专利技术所述的恢复方法不仅通用性和适用性强，且操作简单、便于自动化、生产效率高、经济效益高。综上所述，经恢复处理后的多晶铸造镍基合金材料具有无孔洞、大尺寸方形γ′和小尺寸点状γ′共存、成分相对均匀的组织特征，其组织状态接近或优于服役前的组织状态。且本专利技术恢复方法操作简单、便于自动化、生产效率高、经济效益高、通用性和适用性。附图说明图1是本专利技术所述的燃气轮机高温部件所用沉淀强化型多晶铸造镍基合金材料的服役损伤组织和性能的恢复工艺流程，图2是本专利技术所述的燃气轮机高温部件所用沉淀强化型多晶铸造镍基合金材料的服役损伤组织和性能的恢复原理图。图3和图4分别为GTD111合金材料金相组织和γ′相微观形貌。图5和图6分别为IN738合金材料组织和γ′相微观形貌。图7和图8分别为GTD111合金材料金相组织和γ′相微观形貌。图9和图10分别为IN738合金材料金相组织和γ′相微观形貌。图11和图12分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：先用夹具固定高温部件，后置于热等静压机的高压保温区，抽真空，后充惰性气体，反复2～3次，确保空气排尽，后在惰性气体的作用下将高压容器内部压力保持在80～120MPa，升温至1180～1300℃，保证此温度值处于高温合金材料γ′相固溶温度与初熔温度区间内，保温2～6小时，炉冷；排气至常压，再升温至1100～1180℃，确保该温度略低于合金材料γ′相固溶温度，保温2～6小时，空冷；升温至900～1100℃，保温1～4小时，空冷；升温至800～900℃，保温12～36小时，空冷，恢复处理后合金材料的组织和性能接近或优于服役前的组织和性能水平。

【技术特征摘要】
1.一种沉淀强化型多晶铸造镍基合金服役损伤恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：先用夹具固定高温部件，后置于热等静压机的高压保温区，抽真空，后充惰性气体，反复2～3次，确保空气排尽，后在惰性气体的作用下将高压容器内部压力保持在80～120MPa，升温至1180～1300℃，保证此温度值处于高温合金材料γ′相固溶温度与初熔温度区间内，保温2～6小时，炉冷；排气至常压，再升温至1100～1180℃，确保该温度略低于合金材料γ′相固溶温度，保温2～6小时，空冷；升温至900～1100℃，保温1～4小时，空冷；升温至800～900℃，保温12～36小时，空冷，恢复处理后合金材料的组织和性能接近或优于服役前的组织和性能水平。2.根据权利要求1所述的恢复方法，其特征在于，高温合金材料为在役燃气轮机火焰...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐文书，肖俊峰，高松，南晴，高斯峰，李永君，张炯，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61