一种航空叶片用超温耐磨钴基焊丝及其制备方法与流程

本发明属于焊接材料，具体是一种航空叶片用超温耐磨钴基焊丝及其制备方法。

背景技术：

1、航空发动机涡轮叶片前缘、叶尖等易损部位长期服役于高温、高应力及腐蚀性燃气环境，易发生磨损、烧蚀或外物损伤，通常采用钴基合金焊丝堆焊修复，堆焊层依靠弥散分布的m7c3、m23c6及m6c等碳化物实现高温耐磨强化。

2、在起飞、爬升等大功率工况下，燃烧室出口温度场畸变、热障涂层退化或冷却效率下降导致叶片局部壁温持续超过设计许用温度。此时，堆焊层晶界处m6c碳化物因晶界扩散速率远高于晶内，其ostwald熟化伴随晶界迁移而被加速，发生不可逆粗化，粗大碳化物与基体界面成为裂纹优先萌生位置；同时，合金中si元素促使w、co、si形成三元laves型脆性金属间化合物（以(co,w)2si为典型代表），在760℃～925℃区间内沿晶界析出并逐渐连续化，降低了晶界结合强度。两者耦合作用使堆焊层晶界持续脆化，开裂失效风险随服役时间延长而不可控地增加。

3、现有技术对此存在两方面局限：其一，通过将si含量控制在0.3～0.6%兼顾脱氧、熔池流动性与laves相析出速率，仅能减缓其动力学速率，无法消除热力学析出驱动力，亦无法抑制m6c的晶界迁移辅助粗化；若进一步压低si含量，又将牺牲脱氧能力与工艺性。其二，通过外加纳米颗粒进行晶界强化时，常因结合介质超温液化、有机残留炭化或核心相氧化损伤、以及“元素释放偏聚”机制与“致密封装”结构相互排斥等原因而失效，难以在超温服役条件下长期稳定发挥作用。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题

2、针对航空发动机涡轮叶片超温服役环境下钴基焊丝堆焊层因m6c碳化物ostwald熟化粗化与si诱导(co,w)2si型laves相晶界析出的耦合作用导致脆化开裂的技术问题，本发明提供了一种航空叶片用超温耐磨钴基焊丝及其制备方法。

3、（2）技术方案

4、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种航空叶片用超温耐磨钴基焊丝，为药芯焊丝，包括钴基合金外皮及填充于其中的芯部粉末；按芯部粉末质量百分比计，由以下组分组成：改性多主元碳化物颗粒1.0～3.0%，改性硼化钇颗粒0.5～2.0%，余量为基础钴基合金粉末；

5、芯部粉末在焊丝总质量中的填充率为22～28%；

6、所述改性多主元碳化物颗粒，由四氯化铪、五氯化钽、五氯化铌与无水四氯化锆为原料，经柠檬酸螯合-聚酯化凝胶法混合后高温碳热还原得到的多主元碳化物，再经低温微氧处理使表面生成氧化物钝化层；

7、所述改性硼化钇颗粒，以硼热-碳热联合还原氧化钇与硼粉、炭黑得到的六硼化钇为核心，经溶胶-凝胶法在其表面包覆二氧化硅并高温固相反应形成硼硅酸盐结合层；

8、所述改性多主元碳化物颗粒的d50粒径为0.5～2μm；所述改性硼化钇颗粒的d50粒径为1～5μm。

9、进一步地，所述基础钴基合金粉末按质量百分比由以下化学成分组成：c 0.9～1.4%，cr 25.0～30.0%，w 5.0～8.0%，ni 0.5～2.0%，fe 0.05～2.0%，mn 0.4～1.0%，si0.30～0.45%，余量为co及不可避免杂质；所述基础钴基合金粉末的粒径为74～180μm，其氧含量≤200ppm；所述钴基合金外皮按质量百分比由以下化学成分组成：c 0.01～0.05%，cr18.0～22.0%，ni 8.0～12.0%，w 0.1～2.0%，mn 0.05～1.0%，si 0.05～0.5%，余量为co及不可避免杂质。

10、进一步地，所述改性多主元碳化物颗粒的制备方法包括以下步骤：

11、a1.在惰性气氛保护下，将无水四氯化锆、四氯化铪、五氯化钽、五氯化铌共同溶于无水乙醇中，得到混合氯盐乙醇溶液；另将柠檬酸溶于无水乙醇中，得到柠檬酸乙醇溶液；将混合氯盐乙醇溶液置于0～5℃冰浴中，在搅拌下将柠檬酸乙醇溶液加入混合氯盐乙醇溶液中，撤去冰浴后超声，得到柠檬酸金属螯合物溶液；

12、a2.将乙二醇加入柠檬酸金属螯合物溶液中，搅拌反应，得到凝胶；凝胶经真空干燥得到干凝胶；向干凝胶中加入炭黑，混合后在惰性气氛下进行炭化处理，得到复合前驱体；

13、a3.将复合前驱体于氩气保护下高温碳热还原，随炉冷却，得到粗粉；将粗粉经机械粉碎细化后，并分级得到细粉；然后将细粉于ar-o2混合气氛保护下进行微氧化处理；再于同一气氛下降温保温后随炉冷却，得到改性多主元碳化物颗粒。

14、进一步地，所述四氯化铪、五氯化钽、五氯化铌以及无水四氯化锆的质量比为3.2:3.6:2.7:2.3；所述柠檬酸与四氯化铪、五氯化钽、五氯化铌以及无水四氯化锆的总质量之比为1.9:1。

15、进一步地，所述改性硼化钇颗粒的制备方法包括以下步骤：

16、b1.将氧化钇、硼粉与炭黑置于球磨容器中，然后加入氧化锆磨球，以无水乙醇为分散介质，进行球磨混合；然后离心分离，所得浆料经真空干燥，得到干燥混合料；

17、b2.将干燥混合料在氩气保护下进行高温烧结处理，随炉冷却，得到烧结块；将烧结块置于球磨容器中，加入氧化锆磨球，以无水乙醇为研磨介质，球磨破碎，破碎结束后离心分离，所得混合料浆经真空干燥后分级，得到硼化钇核心颗粒；

18、b3.将硼化钇核心颗粒分散于乙醇-去离子水的混合溶剂中，超声处理；滴加氨水调节体系ph，搅拌；再加入正硅酸乙酯，滴加完毕后搅拌反应，得到悬浮液；

19、b4.反应结束后将悬浮液离心，依次用无水乙醇、去离子水洗涤，经真空干燥，得到二氧化硅包覆前驱体；将二氧化硅包覆前驱体在ar-o2混合气氛下进行高温热处理，随炉冷却，得到改性硼化钇颗粒。

20、进一步地，所述硼粉纯度以质量百分比计≥99%，粒度d50≤5μm；所述氧化钇与硼粉的质量比为1.5:1；所述炭黑的质量为氧化钇与硼粉总质量的10%；所述正硅酸乙酯与硼化钇核心颗粒的质量比为0.4:1。

21、基于同一发明构思，第二方面，本发明还提供了一种航空叶片用超温耐磨钴基焊丝的制备方法，应用于制备所述的航空叶片用超温耐磨钴基焊丝，所述制备方法包括：

22、c1.基础钴基合金粉末的制备：按所述基础钴基合金粉末化学成分配料，经真空熔炼、在氩气保护气氛下精炼，采用氩气雾化制粉，经筛分，得到基础钴基合金粉末；

23、c2.钴基合金外皮薄带的制备：按所述钴基合金外皮化学成分配料，经真空感应熔炼、氩气保护精炼后浇铸成锭；铸锭经热轧开坯后，多道次冷轧，冷轧道次间进行中间退火软化，得到钴基合金外皮薄带；

24、c3.芯部粉末混合：将改性多主元碳化物颗粒、改性硼化钇颗粒与基础钴基合金粉末在氩气保护下进行混合，得到芯部粉末；

25、c4.外皮成型与填粉：将钴基合金外皮薄带经辊轧成型，连续填入芯部粉末后经辊轧合缝，得到复合坯料；

26、c5.多道次拉拔与去应力退火：将复合坯料经多道次冷拉拔，每道次控制减径率，中间涂覆拉拔润滑剂，每道次拉拔后以温水清洗，重新涂覆后进行下一道次拉拔；每拉拔若干道次后，在保护气氛下升温退火，保温后冷却；

27、c6.成品包装：将步骤c5所得焊丝，氩气气氛下密封包装，得到航空叶片用超温耐磨钴基焊丝。

28、进一步地，所述拉拔润滑剂的固体组分由硬脂酸钠与二硫化钼按质量比85:15混合得到的，使用时将该固体组分配入去离子水中，配制浓度为100～120g/l的水基润滑液；坯料表面浸渍润滑液后，于100～110℃烘干成膜，单位面积附着量控制在8～10g/m2。

29、（3）有益效果

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、1.通过引入改性多主元碳化物颗粒，堆焊层在超温服役条件下的高温磨损率降低，避免了现有技术中堆焊层耐磨性能随服役时间延长而衰减的问题，使堆焊层在长期高温服役后仍能保持较好的耐磨性能。

32、2.通过引入改性硼化钇颗粒，堆焊层在超温服役温度区间内的热震开裂循环次数提高，克服了现有技术仅通过控制si含量所能达到的有限、被动的缓解效果，避免了因单纯降低si含量而牺牲脱氧能力与焊接工艺性的矛盾。

33、3.改性多主元碳化物颗粒与改性硼化钇颗粒的加入使堆焊层同时具备耐磨性能与抗开裂性能的提升，二者互不替代、协同互补，使堆焊层在超温服役条件下的综合使用寿命得以延长，抗开裂、抗剥落可靠性得以提高，为钴基堆焊材料许用服役温度上限的进一步提升提供了技术基础。