一种镍基高温合金修复材料、修复方法与流程

本发明属于粉末增材制造，具体地，本发明涉及一种镍基高温合金修复材料、修复方法。

背景技术：

1、与传统的等轴晶镍基高温合金相比，具有更高高温强度和耐热腐蚀性能组合的定向凝固镍基单晶高温合金更适用于作为燃气轮机和航空发动机的涡轮叶片材料，其将允许的涡轮转子进气温度增加到了1427℃。然而，在长期高温和高压的服役环境下，叶片极易产生腐蚀、裂纹、变形和凹坑等缺陷。此外，叶片在定向凝固铸造过程中也会产生缺陷，如表面孔隙和结晶缺陷，这些都将降低单晶构件的使用寿命。因此，需要通过有效的维修技术来延长损坏零件的使用寿命以避免较大的经济损失。现有修复技术中，选区激光熔化技术具有热源尺寸小，对基材造成的热影响区域小，沉积精度高等特点，可以制备具有复杂通道的结构，适用于单晶叶片的修复。

2、利用选区激光熔化技术成功修复镍基单晶高温合金的前提条件是需要确保沉积区的柱状枝晶是沿着与基底相同的晶体方向进行外延生长。kurz等人[acta mater.49(2001)1051]首先证明了激光粉末沉积可以诱导外延生长，并可以通过确保柱状枝晶从基底外延生长来修复镍基单晶高温合金。然而外延生长过程中，组织中会产生等轴杂晶和无取向柱状杂晶，并最终破坏定向晶粒的生长，恶化修复区的蠕变及疲劳性能，导致修补部件的报废。且根据经典凝固理论，熔池凝固过程中的温度梯度和凝固速率的比值影响凝固结构的形态。除了取向一致性以外，沉积区的裂纹控制是选区激光熔化技术沉积镍基高温合金所面临的另一个关键问题。裂纹的产生主要来自于两方面：(1)合金成分中高含量的al和ti造成的高体积分数γ′相使得打印困难，导致开裂；(2)在打印过程中热循环造成的内应力会增加修复组织对热裂纹的敏感性。

3、专利cn115354194a公开了一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用，该种材料可作为进口in718 plus等镍基高温合金零件增材修复用材料，可利用超声气体雾化法、旋转电极法等制成粉末增材产品，也可以采用锻造、轧制和拉丝等工艺加工成丝材产品，满足激光、电子束和电弧焊等不同增材修复方法要求。专利cn116145133a公开了一种镍基单晶高温合金激光外延生长方法，通过激光熔覆镍基单晶合金熔池的数值模拟，得到熔池内的温度梯度分布，利用理论模型精确预测枝晶生长方向与速度，并通过判断是否实现枝晶外延生长来确定最优激光工艺参数，再通过激光熔覆技术，对镍基单晶高温合金进行激光熔覆，从而实现枝晶的外延定向生长，解决镍基单晶高温合金叶片外延生长修复的技术问题。同样地，专利cn110344049b公开了一种单晶/定向凝固镍基高温合金的修复方法及其应用，首先在单晶/定向凝固镍基高温合金待修复部分的表面通过热导型熔融方式形成一层过渡层，然后在所述过渡层上进行激光金属沉积处理形成沉积层，相比于传统的修复方法，有利于同时保证热裂纹的抑制和柱状晶的连续生长，缩短生产周期。然而上述现有技术方案的缺点是均不能适用于具有高体积分数γ′相的镍基单晶高温合金零件的高质量修复。且专利cn115354194a合金成分中的al+ti含量较低，难以满足强度需求，并且没有与之匹配的工艺参数可以同时控制裂纹和外延生长取向。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种镍基高温合金修复材料，通过对受损镍基单晶高温合金进行有效修复，以获得晶粒生长一致性优异且无裂纹的组织，降低杂晶产生趋势及裂纹敏感性。

2、本发明的另一个目的还在于提供一种镍基高温合金修复材料的应用。

3、本发明的又一个目的还在于提供一种镍基单晶高温合金激光外延修复方法。

4、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、第一方面，本发明实施例提出一种镍基高温合金修复材料，包括如下重量百分含量的成分：

6、b：0.001-0.01％；c：0.01-0.1％；cr：12.0-17.0％；mo：1.0-2.1％；nb：1.7-3.0％；ti：1.5-2.4％；al：1.2-2.1％；ta：1.4-2.4％；co：19.0-24.0％；w：1.5-3.1％；sc：0.04-0.12％；ni为余量。

7、本发明实施例通过优化设计修复材料的组分及其含量，可以在保证高温合金修复材料力学强度的同时，降低其裂纹敏感性，同时还可以控制晶界凝固裂纹的形成，使用该高温合金修复材料对镍基单晶高温合金部件进行修复，修复质量良好。

8、在一些实施例中，所述镍基高温合金修复材料包括如下重量百分含量的成分：

9、b：0.005-0.008％；c：0.05-0.08％；cr：15.0-17.0％；mo：1.8-2.1％；nb：1.7-2.1％；ti：2.1-2.4％；al：1.8-2.1％；ta：1.4-1.6％；co：19.0-21.0％；w：2.9-3.1％；sc：0.06-0.08％；ni为余量。

10、在一些实施例中，所述镍基高温合金修复材料中，al+ti≤4.5wt％。

11、在一些实施例中，所述镍基高温合金修复材料的粒径为5-50μm。

12、在一些实施例中，所述镍基高温合金修复材料是通过采用超声气雾化法或旋转电极法制备得到。

13、第二方面，本发明实施例还提出了一种如第一方面所述的镍基高温合金修复材料的应用，将所述镍基高温合金修复材料用于具有高体积分数γ′相的镍基单晶高温合金激光外延修复。

14、第三方面，本发明实施例还提出了一种镍基单晶高温合金激光外延修复方法，包括如下步骤：

15、(1)采用激光粉末床熔化技术对受损的镍基单晶高温合金进行修复，修复时采用的修复材料为第一方面所述的镍基高温合金修复材料；

16、(2)对修复后的镍基单晶高温合金依次进行固溶处理、退火处理和时效处理，即完成修复。

17、本发明实施例采用激光粉末床熔化技术对镍基单晶高温合金进行修复，并通过调控激光打印过程中的工艺参数，可以抑制热裂纹的产生，减少修复组织的缺陷；且本发明实施例还通过对修复后的镍基单晶高温合金进行固溶、退火和时效等热处理手段，使得最终获得晶粒取向一致、缺陷少且力学性能优异的修复组织，同时修复界面质量良好，实现了近等强修复。且本发明实施例的修复方法工艺操作简单，效果显著，具有较高的实际工程应用价值，也为镍基单晶高温合金的修复提供了一种可行的途径。

18、在一些实施例中，所述步骤(1)中，采用激光粉末床熔化技术对受损的镍基单晶高温合金进行修复的步骤为：先对镍基单晶高温合金待修复区进行除锈、除油处理；然后将镍基高温合金修复材料铺设于镍基单晶高温合金待修复区表面，并利用高能激光束将镍基高温合金修复材料熔化，通过逐层堆积形成与镍基单晶高温合金待修复区结合的致密涂层，即对受损镍基单晶高温合金进行修复。

19、在一些实施例中，采用所述激光粉末床熔化技术对受损的镍基单晶高温合金进行修复时的条件为：激光功率为170-190w，扫描速度为900-1200mm/s，扫描间距为0.1-0.15mm，铺粉层厚为0.03-0.06mm，扫描策略为条形扫描策略，层间旋转角30°-90°。

20、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述固溶处理的温度为1000-1080℃，保温时间为1-5h，采取空气冷却方式；

21、和/或，退火处理的温度为820-880℃，保温时间为1-5h，采取空气冷却方式；

22、和/或，时效处理的温度为700-820℃，保温时间为10-20h，采取空气冷却方式。