燃气轮机叶片修复研究进展

冯丽

摘 要：镍基高温合金叶片是高性能燃气轮机的关键部件，叶片大间隙缺陷修复强度低，严重制约了我国燃气轮机叶片修复与再制造工程应用。目前瞬态液相熔渗法可实现大间隙接头的高强度连接，成为大间隙缺陷连接与修复的新方法，本文对镍基高温合金瞬态液相熔渗的发展进行研究分析。

关键词：燃气轮机；叶片修复；高温合金

中图分类号：TK471 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0065-02

1 引言

高温合金叶片是燃气轮机的关键部件，价格昂贵，叶片长期工作在高温、高压、腐蚀燃气等恶劣环境中，易产生粗大裂纹与腐蚀坑等大间隙缺陷。随着高功率、高性能燃机的发展，由大間隙缺陷导致叶片过早失效的问题也愈加严重，随着大量燃机的投入使用，维修保障问题日益突出[1]。此时，叶片远未达到设计使用寿命，若更换新叶片则会大幅提高燃机的维修成本。因此，研究发展合适的大间隙缺陷修复技术，对降低维护成本，提高燃机维修保障能力具有重要意义。

叶片大间隙缺陷的修复主要由待修复区的应力水平及强度所决定，修复区应力水平越高，对修复强度要求越高[2]。理想情况下，应采用与叶片基体成分相同或相近的合金作为填料以获得近、等强度连接。然而，叶片材料通常为高Al、Ti含量的镍基高温合金，这类材料高温强度高，但焊接性差[3]。为了减少和避免裂纹等缺陷的产生，大间隙缺陷的熔焊修复大都使用固溶强化合金焊料，这使得叶片的熔焊修复局限在低应力区，且修复区强度与抗氧化、耐蚀性能也显著降低。采用与叶片基体成分相同或相近的合金作为修复材料，实现大间隙缺陷的近、等强度连接，一直是叶片修复与再制造所追求的目标。

2 高温合金焊接修复方法

2.1 熔化焊

高温合金叶片的焊接修复方法主要包括熔焊和钎焊两大类。在熔焊方面，由于叶片材料的热裂纹敏感性与焊接热输入量有关[4]。因此，控制和减少焊接热输入成为提高焊接性的重要途径，基于此，高温合金叶片熔焊修复工艺正向微型化和低热化方向发展，出现了微弧氩弧焊、微等离子弧焊、微弧火花沉积、激光焊接等，国内外知名单位如 Sienens Westinghous、Pratt and Whitney、Rolls Royce、General Electric，中科院金属研究所等都在开展熔焊修复研究，取得了许多有价值的研究成果[5-6]，实现了如IN738、IN939、Rene142等高Al+Ti镍基高温合金无裂纹直接堆焊，但是由于这类材料的高热裂纹敏感性，往往需要预热到700℃以上的高温才能实现无裂纹堆焊，而且结果也很不稳定。关于燃机叶片近、等强度熔焊修复尚无成功的工业报道。

2.2 大间隙钎焊

在钎焊方面，各燃机制造商也在积极发展新的修复工艺，如美国General Electric公司的反应扩散愈合法 （Activated Diffusion Healing， ADH），对于大间隙缺陷，由于毛细作用的丧失，传统钎焊和TLP等方法已很难形成高性能的接头。ADH法也仅能对尺寸不大于1.5mm的缺陷进行有效修复，远不能满足大间隙缺陷修复的需求[7]。目前，针对大间隙缺陷的修复，国外普遍采用粉末冶金修复技术，即采用机械打磨去除缺陷周围的损伤区，然后以一种或多种与工件基体成分相同或相近的粉末为母体，通过添加适量的低熔点合金粉，经过高温烧结而获得损伤区的填补愈合，真空烧结温度及其温度控制工艺也可以与工件基材的热处理制度结合起来。国际上该技术应用发展首推加拿大Liburdi公司的LPMTM，由于该技术对由高Al+Ti含量的镍基高温合金叶片与热端部件的高温燃气烧蚀、热腐蚀孔洞和粗大裂纹等严重损伤的修复具有独特的效果。目前，该技术被GE公司、Rolls Royce公司、Siemns Westinghouse公司等在电力燃机叶片与热端部件修复上越来越广泛的被采用[8]。以前很多采用钎焊，ADH，TLP甚至熔焊不能修复而报废的叶片均可得到有效的修复，并且修复后的工件使用性能良好。目前，我国高性能电力燃机大多是从国外进口，叶片大间隙缺陷的修复几乎都是送往美国、英国和加拿大的修理公司，修复费用昂贵，制约了我国电力生产成本的降低。迄今为止，大间隙缺陷的近、等强度连接技术已成为我国燃机叶片修复与再制造技术的瓶颈之一。由于大间隙缺陷的近、等强度连接技术专有性很强，相关技术的基础理论研究在公开文献中很少有报道，但从已有文献看，该技术的核心是瞬态液相熔渗技术，因此必须尽早开展相关技术基础研究，以发展我国自主知识产权的大间隙缺陷修复连接技术。

瞬态液相熔渗（Transient Liquid-Phase Infiltration， TLI）技术是将金属粉末预先烧结成多孔金属骨架，然后采用与金属骨架成分相似的材料作为熔渗材料，熔渗过程依靠毛细作用实现多孔金属骨架的致密化[9]。瞬态液相熔渗方法用于叶片大间隙缺陷修复具有如下优势：

（1）多孔金属骨架的形成可以在大间隙接头中起到“桥梁”的作用，这为大间隙接头的连接提供先决条件。（2）多孔金属骨架中相互连通的孔隙为熔渗材料的快速熔渗致密化提供了有利条件。（3）金属骨架对熔渗材料中的降熔元素起扩散岛的作用，可使液相在数分钟内完成等温凝固，从而实现组织均匀化，为提高接头性能奠定了基础。中科院金属所对瞬态液相熔渗法修复大间隙缺陷进行了探索性研究，首先将高温合金粉末填充到间隙中，然后通过固相烧结将间隙中的高温合金粉末制成多孔高温合金骨架，并采用与骨架成分相似的熔渗材料对多孔高温合金骨架进行了瞬态液相熔渗。探索性的研究表明，瞬态液相熔渗区组织致密，连接强度可达基材的85%，已超过Liburdi公司所采用LPMTM所报道的水平[10]。

发展燃机叶片大间隙缺陷瞬态液相熔渗修复技术的关键是认识镍基高温合金瞬态液相熔渗机理，掌握镍基高温合金粉末烧结多孔化、液相熔渗致密化、凝固组织均匀化等关键过程的相关材料科学问题。虽然瞬态液相熔渗法与传统熔渗法有许多相似之处，且有关传统熔渗的相关研究报道也较多，但多用于合金成分相对简单的钨/铜、石墨/铜和C/C-SiC等复合材料的制备，其理论研究工作主要集中在熔渗过程质量转移、界面反应等方面[11-12]。相比而言，瞬态液相熔渗法可以制备复杂成分、组织致密的部件，此时关注的焦点问题是复杂成分熔渗过程中液相与多孔金属骨架交互作用及组织与性能的可控性。具体到多组元合金的瞬态液相熔渗领域，国内迄今鲜有报道。国外也仅有麻省理工学院开创性地进行了探索性的研究。2004年他们将瞬态液相熔渗二元镍基合金、三元铝合金及多元铁基合金相关结果在Metallurgical and Materials Transactions A刊物上公开发表[13-14]，并于2006年就瞬态液相熔渗致密化金属构件方法申请了美国专利，其涉及的合金也主要是成分相对简单的材料[15]。

2.3 未来发展方向

尽管对简单成分进行了相关研究，但对复杂成分的镍基高温合金的瞬态液相熔渗尚未见有报导。虽然经过前期探索，发现采用瞬态液相熔渗法可以实现大间隙缺陷的近、等强度连接。但是与高温合金瞬态液相熔渗密切相关的基础理论仍然不清楚。首先，多孔高温合金骨架形成过程中存在粉体的自烧结和粉体与叶片基体界面之间的连接两个过程，二者需同时联动进行。若自烧结发生在连接之前，则会引起间隙中高温合金骨架脱落，丧失“桥梁”作用，相反则高温合金骨架会出现裂纹或凹陷等缺陷。与此同时，多孔高温合金骨架的形成还受到烧结温度等因素的约束，过高的烧结温度虽可以形成多孔高温合金骨架，但会导致叶片组织的大面積改变，降低叶片力学性能。而温度过低，则无法形成多孔骨架结构。因此，多孔高温合金的形成机制成为瞬态液相熔渗修复首要解决的关键问题。其次，瞬态液相熔渗过程中，液相与多孔骨架及叶片基体界面间存在液-固浸润、液-固反应等复杂过程。过高的熔渗温度会增加熔点抑制元素的活性，使熔渗材料对高温合金骨架产生溶蚀，凝固过程中会形成大量硼化物、硅化物等脆性相，降低接头强度。相反则高温合金骨架会对熔渗材料产生“冻结”，凝固过程中形成大量孔洞，降低熔渗区组织的致密性，进而降低熔渗区的力学性能。因此，研究与熔渗致密化及组织演变过程相关理论成为另一个需要解决的关键问题。

3 结语

综上所述，随着叶片大间隙缺陷近、等强度修复技术的发展及应用，可使我国燃机叶片的使用由高投入、高消耗、低效率的传统模式向低投入、低消耗、高效率的可持续发展模式转变，对降低燃机维护成本，打破国外的技术封锁意义重大，为我国能源动力工业的自主、长远可持续发展奠定坚实基础。

参考文献

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