[发明专利]一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面沉积层的制备技术，具体为一种定向凝固柱晶或单晶高温合金表面外延生长的定向凝固柱晶或单晶沉积层制备方法。

背景技术

高温合金及其高温防护涂层系统在航空发动机中起着举足轻重的作用。目前，在先进的航空发动机中，定向凝固柱晶甚至单晶已逐渐取代传统的多晶高温合金被广泛使用，由于定向凝固柱晶和单晶部件价格昂贵，为了尽可能延长这些先进高温合金部件的使用寿命，研究发展用于修复和涂层的高温合金定向凝固外延沉积技术是非常重要的。

高温合金定向凝固外延沉积技术的产生和发展是近十年的事，其原理主要是利用堆焊熔池中温度梯度高、凝固显微组织从基材上外延生长的特性，在定向凝固柱晶或单晶的基底上逐层堆积，在沉积层中获得具有定向凝固柱状枝晶组织(这里基材扮演了籽晶的角色)。

目前，国内外主要采用激光熔敷方法在定向凝固合金择优生长方向获得定向外延生长的熔敷层。这项技术发展的初衷是用于修复和接长定向凝固柱晶或单晶合金的表面缺陷和损伤。瑞士联邦工业学院的研究者们围绕激光定向凝固技术的组织形成及控制进行了大量理论研究，并且获得了CMSX-4合金的定向凝固单晶沉积层，2003年又他们又报导在CMSX-4单晶合金表面获得了MCrAlY单晶涂层。在国内，西北工业大学、航空工艺研究所、清华大学等单位都在研究发展激光定向凝固技术。但是，正像瑞士联邦工业学院的研究者们在文献中指出的一样，高强度镍基高温合金的激光处理还有很大的局限性，具体表现在：(1)镍基高温合金热裂纹敏感性很高，容易在激光处理过程中产生热裂纹，解决这个问题的办法就是将工件预热到700℃以上进处理，然而研究又表明单晶的外延生长只有在不预热的条件下才能获得。这种近乎矛盾的结果使外延沉积只能在焊接性相对较好的合金上进行。(2)在激光处理条件下，工艺参数强烈地影响最终凝固显微组织，定向凝固工艺窗口狭窄，而且加工过程中热积累比较大，这使连续柱状生长的控制很难。(3)定向凝固柱晶和单晶高温合金受热易出现再结晶。

发明内容

为了解决定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金的修复和涂层问题，提出了一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，这种外延定向凝固技术为外延高能微弧火花(电火花)定向凝固技术，用于制备柱晶甚至单晶高温合金沉积层。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，以定向凝固或单晶镍基高温合金材料为基材，在基材上进行高能微弧火花多层沉积，具体步骤如下：

(a)采用电容放电、微弧熔焊的高能微弧火花作为加工热源，修复/涂层材料作为高能微弧火花加工装置的阳极和定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金基材作为高能微弧火花加工装置的阴极；微弧火花的具体工艺参数：功率100W～5000W，频率70～4000Hz，阳极转速100～3000RPM；

(b)利用高能微弧火花瞬时放电产生的微薄熔体温度梯度高并且凝固组织从基材外延生长的特点进行定向凝固，形成沉积层，温度梯度10⁷10⁹K/m，冷却速度10⁵～10⁶K/s。

所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，采用该方法获得的材料组织为柱晶或单晶组织。

所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，修复/涂层材料为基材成分相近或相同的镍基高温合金或者主要凝固相为γ-Ni的MCrAlY系抗氧化合金。

所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，沉积层由大量单脉冲放电沉积点在空间累积而成，后一个沉积点在前一个沉积点上搭接累积。

所述的定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法，每次沉积过程中，微薄熔体厚度为5～60微米。

本发明中，高能微弧火花设备的工艺参数如下：功率0～5000W，频率70～4000Hz，阳极转速0～3000RPM。