[发明专利]一种镍基单晶合金热应变损伤修复方法

说明书

本发明公开了一种镍基单晶合金热应变损伤修复方法，所述镍基单晶合金在室温到1150℃下的塑性变形量小于2％；对上述形变后的镍基单晶合金进行热处理，以消除残余应力，热处理的温度为750‑1150℃，时间为6小时以上；对上述残余应力得到消除的合金进行组织修复热处理，使得热应变损伤后的合金显微组织结构恢复，且仍为单晶。本发明应用于航空发动机涡轮叶片的修复。本发明对塑性变形量小于2％的镍基单晶合金均能实现修复，修复效果好；本发明全程使用热处理炉进行，设备简单，成本低廉，可批量进行，且未采用热等静压技术，因此对合金形状等不要求，适用于不规则的叶片，实用价值高。

技术领域

本发明属于金属热处理技术领域，尤其是涉及一种在力热耦合作用下产生一定范围内热应变损伤后的镍基单晶合金热应变损伤修复方法。

背景技术

高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能够在600℃以上高温承受复杂应力并长期服役，且具有优异组织稳定性的一类金属材料。自20世纪60年代以来，随着航空发动机推力和效率的日益增长，急需提高发动机涡轮叶片的服役温度，然而叶片服役温度由制备叶片的材料——镍基高温合金制约。研究人员发现晶界是高温形变时的薄弱处，降低合金中晶界对形变的影响即能够有效提高合金承温能力。因此，高温合金涡轮叶片经历了从等轴晶发展到柱状晶再到单晶的过程。定向凝固技术制备出的柱状晶使晶界沿着方向生长；结合籽晶法或螺旋选晶法制备出的单晶完全消除了晶界，形成镍基单晶高温合金。由于镍基单晶高温合金不存在晶界，不需要强化晶界的元素，如C、B、Zr、Hf等，可有效避免低熔点共晶和有害相的产生，提高合金的初熔温度，合金的承温能力大幅提高。高压涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为发动机第一关键部件。镍基单晶高温合金具有优良的高温综合性能，从而成为先进航空发动机高压涡轮叶片的首选材料。镍基单晶高温合金优异的综合性能不仅来源于成分，还来源于独特的微观结构和单晶性质。这种合金的微观结构通常是尺寸300-500nm的有序金属间化合物Ni₃Al立方体(又称γ′相)均匀地分布在面心立方结构的γ基体中，且两相共格。

由于涡轮叶片用镍基单晶高温合金使役条件往往是高温和应力的耦合作用，其服役温度在750℃以上，且应力高于137MPa。服役时单晶合金典型的两相组织结构将发生显著变化，例如析出相γ′相粗化或筏排化、两相中产生缺陷、二次γ′相析出、相界面上形成位错网等。这些显微结构的变化在宏观上将表现为合金性能降低甚至失效，导致涡轮叶片断裂甚至损伤发动机其他部件，造成重大经济损失和安全事故。对于损伤后的零件，一般有两种处理方法：延长零件寿命或更换零件。与更换零件相比，尽量延长零件的使用寿命可以有效地降低成本。因此，对于涡轮叶片而言，设计一种修复方法使服役过叶片的显微组织结构恢复至未服役时典型的两相组织结构，达到延长叶片寿命的目的，具有重要的科学意义和经济价值。而涡轮叶片修复技术的核心问题是如何能够在恢复其典型的γ/γ′两相组织结构的同时仍保持叶片本身具有的晶界分布特性(柱状晶合金中晶界垂直于(001)面分布，单晶合金不含晶界)。由于柱状晶合金仍含有晶界，在消除残余应力的热处理时合金中的位错能够迁移至晶界处，而单晶合金不含晶界的特性使得消除残余应力的难度显著提升，残余应力消除程度直接决定了修复热处理过程中能够保持合金的晶界分布特性，这也是单晶合金比柱状晶合金更难修复的根本原因。