專利名稱：鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬制小 L加工技術，具體為一種鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣 膜孔快速制造方法。
背景技術：
燃氣輪機廣泛應用于航空發(fā)動機飛行器、地面發(fā)電裝置、艦艇及火箭 裝 置等，是當代重要的動力發(fā)生器。鎳基高溫合金制作的渦輪葉片是燃氣輪機重要 熱端部件。隨著高效、高功率燃氣輪機的發(fā)展，渦輪前燃氣溫度大大提高，葉片
所需承受的Mit越來越高。為此，葉片材料采用含Al和Ti較高的鎳基高溫合金 并由多晶結構發(fā)展到現在的定向、單晶結構，而葉片制造由實心結構發(fā)展到空心 型腔與小孔復合結構等。高壓氣體流過葉片迷宮式復雜型腔從葉身上不同位向分 布的小孔中噴射出來并沿葉身表面形成冷去啲氣膜，由此實現葉片的冷卻效果。 顯然這里的小孔圓滑、對稱、孔內無障礙物，對氣冷效果是有重大影響的。
含Al和Ti較高的鎳基高溫合金材料有著高的熱裂紋敏感性，在激光輻照下 所形成的再鑄層很容易發(fā)生裂紋。對這種鎳基合金葉片進行激光打孔或電火花打 孔均會在孔周邊形成厚薄不等的再熔化層(即再鑄層)，薄的幾微米，厚的達數百 微米，并且在孔內沉積著飛濺物和未吹除的殘留物，如圖1所示。
采用高Al和H鎳基高溫合金制作的單晶與定向結構葉片，由于激光或電火 花打孔過程中所形成的再鑄層為多晶結構，這就破壞了葉片單晶/定向結晶結構的 完整性，大大降低了 L邊力學與化學性能。
'用作燃氣輪機渦輪轉子葉片，工作在高纟顯、高速旋轉與高iU^氣作用的環(huán)境 中，承受著大的離心力和氧化、腐蝕等作用。氣膜孔再鑄層物理化學性能，尤其 是再鑄層內存在的微裂紋將會導致葉片首先從氣膜 L破裂、腐蝕而失效。此外， 氣膜孔中再鑄層及其殘留物存在會嚴重影響氣流分布形態(tài)，均勻氣膜層形成困難。
目前，葉片氣膜孔的制造方法主要有激光打孔、電火花打 L和電液流打孔這
樣三種。實踐表明激光打 L速度最快，自動化程度高，精度高，可方便制造任意方位的、不同大小直徑的孔。雖然隨著打孔工藝和激光束的調制等方面提高， 孔邊與孔內再鑄層的形態(tài)有所改善，但再鑄層存在及再鑄層內的裂紋目前嚴重威 脅著葉片的安全，由此也限制了該方法的使用。電火花制孔的速度稍次于激光， 孔邊再鑄層亦很明顯。電液打孔，雖然再鑄層很小，孑L較圓均勻，孔內殘留物少， 但制 UI度僅為激光打孔的1/10 1/100，尤其是斜 L、深孔的制備更是困難，不 能滿足批量葉片制孔急需和低成本制孔的要求。
為此，找到一種可高效地除去激力電火花所形成的再鑄層，并與激光打孑L/
電火花打孔相結合，形成一^I臬基高纟顯合金葉片無再鑄層氣膜 L快速制備這樣一
整套工藝方法，對高性能發(fā)動機氣膜孔結構葉片的低成本、高效地制造是十分重 要的。
目前，除去激力電火花打孔再鑄層的通用方法是采用磨粒流工藝，即采用泵 動力使含有磨粒的液-固雙相流體反復通過葉片型腔與氣膜孔?；谀Σ聊p過程 將氣膜孔周邊的再鑄層磨蝕除去，但液-固雙相流的運動魏照阻力最小原理，大 孔阻力小，流動快，相反小 u佳流動，這樣就會導致大孔愈磨愈大，而小孔則磨
除很小。同樣，深孔、斜孔的 L邊再鑄層也得不到有效去除。對于葉片，它所有 氣膜 L的周邊再鑄層若不能徹底完全除去，任何殘留都會帶來災難性結果。

發(fā)明內容
為了解決再鑄層完全徹底地快速除去問題，本發(fā)明的目的是提供一種鎳基高 溫合金葉片無再鑄層氣膜 L快速制造方法，通過化學溶液浸泡除去再鑄層，并與 激光打孔或電火花打孔工藝相匹配，形成鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速 制備一整套工藝方法。
本發(fā)明的技術方案是
一種鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜 L快速制造方法，具體歩驟如下
首先，對燃氣輪機鎳基高溫合金葉片先采用脈沖式激光輻照或連續(xù)式激光輻 照^用電火花放電打孔，按設計要求在葉身上制造出所需尺寸的孔洞；
然后，采用化學溶液來浸泡己打孔的葉片，葉片在化學溶液中浸泡的整個過 程均需進行超聲波振動；
化學溶液的組成為鹽酸20 30vo1.。/。，硝酸30 50vo1.。/0，硫酸銅0.005^0.015 摩爾/升，其余為水；
經過浸泡之后，葉片上所有孔的周邊上激光再鑄層與孔道中的殘留物或電火花再鑄層及其殘留物均被徹底清除，獲得具有又圓、又光滑、無再鑄層的孔洞的 葉片。
所述的鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速制造方法，化學溶液溫度為
40。C 90。C，浸泡時間為10分鐘40分鐘。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、 本發(fā)明在鎳基高溫合金空心結構葉片上，先采用脈沖式YAG激光輻照或 連續(xù)式C02激光輻照或電火花放電，按設計的位置制造出4)0.1 (J)5.0mm直孔與 斜孔，然后再采用一種特制化學溶液來浸泡這些已打孔的葉片，經一定^it和時 間的浸泡之后，便獲得具有圓滑無再鑄層氣冷孔的葉片，而葉片基體無任何損傷。
2、 采用本發(fā)明制造葉片氣膜孔的速度快，孑L邊無再鑄層，孔內無飛濺殘留物， 孔圓光滑，孔形好，有利于疲勞壽命的提高，操作可動化，操作簡單，制孔效率 高，成本低，對于環(huán)境無污染，具有很大的經濟效益，化學浸泡溶液可回收中和 處理。
3、 采用本發(fā)明可消除單晶、定向凝固鎳基高溫合金葉片氣冷孔周邊的多晶結 構層，保持葉片晶體結構的一致性。
4、 利用本方法可在DZ4、 DZ125、 DD6合金葉片上制備出氣冷 L邊無再鑄層。


圖l高Al和Ti鎳基高溫合金渦輪葉片氣膜孑L及激光打孔的再鑄層。其中， (a)葉片及其氣膜 L (b)激光打孔再鑄層。 圖2 (a)為激光打孔的形貌。 圖2 (b)為激光打 L加化學溶液浸泡的形貌。
具體實施例方式
本，發(fā)明的鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速制造方法，包括如下工藝流
程' '
鎳基高溫合金葉片—激光打 L—超聲清洗潔凈化處理—浸泡在熱水中—化 學溶液浸泡+超聲振動—超聲清洗4自來7X沖洗—熱風干燥—視頻顯微鏡檢查。 具體歩驟如下
1 、鎳基高溫合金葉片是指由變形的或鑄造的鎳基高溫合金制造的多晶的或定 向的或單晶的或金屬間化合物(如Ni3Al)等組織結構的實心與空心葉片。2、 本發(fā)明中，葉片的激光打孔方式可為目前國內外通用的鎳基高溫合金空心 葉片的激光打孔方法，如激光蝕孔工藝或激光旋切孔工藝等。電火花打孔方式可 為目前國內外通用的鎳基高溫合金空心葉片的脈沖電火花打孑L方法，如電火花放 電擊穿 L工藝或電液流穿孔工藝等。
激光打孔包括激光束的脈沖式輻照或激光束的連續(xù)式輻照所進行的激光沖擊
制孔或激光旋切孔；其中，脈沖式輻照的激光束能量為5J 100J，連續(xù)式輻照的 激光束功率為10W 5000W，孔的直徑大小為O.lmm到5mm。
采用電火花放電打 L可借助于如計算機輔助控制按設計要求在葉身上制造
出所需尺寸的孔洞。
3、 超聲清洗潔凈化處理是采用通常工業(yè)用超聲清洗裝置，清洗液為水、有機 溶劑等，有機溶劑可以為酒精、丙酮或乙醚。
4、 浸泡在熱水中是將潔凈化處理的葉片浸泡入在通常工業(yè)用恒溫裝置中，保 持的溫度為25'C 80"C，以待化學溶液浸泡處理。
5、 化學溶液浸泡+超聲振動是將葉片從熱水中取出，并熱風吹干后，放入一 個裝有特殊配制的化學溶液的容器中，而該容器又置于可控溫和可控超聲振動頻 率與振幅的超聲振動裝置中。
所謂特殊配制的化學溶液是包括由鹽酸、硝酸、硫酸銅和水等多種物質混合 組成的均勻混合物，化學溶液的組成為鹽酸20 3 01.%，硝酸30 50vo1.。/。，硫 酸銅0.005~0.015摩爾/升，其余為水。在這種化學溶液中，激光或電火花再鑄層 快速溶解，直到再鑄層消失，而對非再鑄層無作用或很小。
葉片浸泡在化學溶液中，可視葉片幾何結構、尺寸大小和氣膜孔的位置等具 體情況制作專用的葉片支持架和保護套以及對諸如葉片榫頭等處施以保護涂料 (如漆等)，支架材料為非金屬。
葉片浸泡在化學溶液的數量可視容器大小和化學溶液多少， 一次可為1片葉 片至100片葉片，化學溶液溫度為40°C 90°C，浸泡時間為10分鐘40 6H中。
葉片在化學溶液中浸泡的整個過程均需進行超聲波振動，并輔助玻璃M動， 使溶液不停的運動，超聲振動的頻率和振幅視葉片多少和時間長短等具體膚況而 優(yōu){她擇。 一股瞎況下，超聲振動的頻率20-100KHz，時間10-60分鐘。
經過一定溫度一定時間的浸泡之后，葉片上所有孔的周邊上激光再鑄層與孔 道中的殘留物或電火花再鑄層及其殘留物均被徹底清除，由此獲得具有又圓又光滑無再鑄層的 L洞的葉片。
6、 超聲清洗是將經化學溶液浸泡完全除去再鑄層的葉片M取出，先經流動 的自來水沖洗后放入超聲清洗槽中進行快速清洗。必要時，可反復更換新水沖洗。
7、 用不銹鋼網將葉片從清洗槽中撈出，并經流動自來7k沖洗，然后放入熱風 干燥箱中徹底除去水。
8、 用可放大倍數為x5 x800的視頻顯微鏡對葉片氣膜孔的孔邊與孔內進行檢
査，并照像記錄備查。 實施例1
應用在某i^空發(fā)動機高壓渦輪I級轉子葉片，葉片是定向鑄造鎳基高溫合金
DZ4。葉片為空心迷宮狀結構，進、排氣邊均設計有近百n膜孔。
采用80JNd:YAG固體激光脈沖輻照制 L激光束能量為80J，孔的直徑大小 為0.5，。葉片氣膜孔的孔邊均有再鑄層，厚度達100Mm，孔內堆積著殘留物， 孔形不規(guī)則，再鑄層內有裂紋，如圖2 (a)所示。將這些葉片按上述工藝流程路 線進行處理，化學溶液的組成為鹽酸20vo1.。/。，硝酸30vo1.。/。，硫酸銅0.01摩 爾/升，其余為水，化學溶液溫度為60°C，浸泡時間為40分，超聲振動的頻率 28KHz，時間40分鐘。經化學溶液浸泡處理之后，獲得了如圖2 (b)所示狀態(tài) 的氣膜 L所需時間僅為2天，孑L邊再鑄層除去合格率為100%，近200片葉片 2-3天便完成。地面臺架試車和上天飛行使用，所有葉片無孔邊裂紋產生。經 900°C—2(TC冷熱循環(huán)試驗，進行266次，使用顯微鏡觀察沒發(fā)生 L壁裂紋形成。 實施例2
應用在某航空發(fā)動機高壓渦輪I級轉子葉片，葉片是定向鑄造鎳基高溫合金 DZ125。葉片為空心迷宮狀結構，進、排氣邊均設計有近百^1膜孔。
采用C02激光連續(xù)輻照制 L激光束的功率為1200W，孔的直徑大小為lmm。 葉片氣膜孔的孔邊均有再鑄層，厚度達100,，孔內堆積著殘留物，孑L形不規(guī)則， 再鑄層內有裂紋，如圖2 (a)所示。將這些葉片按上述工藝流程路線進行處理， 化學溶液的組成為鹽酸30voP/0，硝酸40vo"/0，硫酸銅0.012摩爾/升，其余為 水?；瘜W溶液溫度為5(TC，浸泡時間為60分鐘，超聲振動的頻率100KHz，時間 60分鐘。經化學溶液浸泡處理之后，獲得了如圖2 (b)所示狀態(tài)的氣膜 L所需 時間僅為2天，孔邊再鑄層除去合格率為100%，近200片葉片2-3天便完成。地 面臺架試車和上天飛行使用，所有葉片無孔邊裂紋產生。經90(TC—2(rC冷熱循環(huán)試驗，進行266次，使用顯微鏡觀察沒發(fā)生 L壁裂紋形成。 實施例3
應用在某航空發(fā)動機高壓渦輪I級轉子葉片，葉片是定向鑄造鎳基高溫合金
DD6。葉片為空心迷宮狀結構，進、排氣邊均設計有近百^Pt膜孔。
采用電火花放電制孔，孔的直徑大小為0.3mm。葉片氣膜孔的孑L邊均有再鑄 層，厚度達20,，孔內堆積著殘留物，孔形不規(guī)則，再鑄層內有裂紋，如圖2 (a)所示。將這些葉片按上述工藝流程路線進行處理，化學溶液的組成為鹽酸 25vol.%，硝酸40vo1.13/。，硫酸銅0.012摩爾/升，其余為水。化學溶液溫度為7(TC， 浸泡時間為50分鐘，超聲振動的頻率45KHz，時間50分鐘。經化學溶液浸泡處 理之后，獲得了如圖2 (b)所示狀態(tài)的氣膜孔，所需時間僅為2天，？L邊再鑄層 除去合格率為100%，近200片葉片2-3天便完成。地面臺架試車和上天飛行使用， 所有葉片無孔鵬紋產生。經900°C—2(TC冷熱循環(huán)試驗，進行266次，使用顯 微鏡觀察沒發(fā)生 L壁裂紋形成。
權利要求
1、一種鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速制造方法，其特征是，具體步驟如下首先，對燃氣輪機鎳基高溫合金葉片先采用脈沖式激光輻照或連續(xù)式激光輻照或采用電火花放電打孔，按設計要求在葉身上制造出所需尺寸的孔洞；然后，采用化學溶液來浸泡已打孔的葉片，葉片在化學溶液中浸泡的整個過程均需進行超聲波振動；化學溶液的組成為鹽酸20～30vol.％，硝酸30～50vol.％，硫酸銅0.005～0.015摩爾/升，其余為水；經過浸泡之后，葉片上所有孔的周邊上激光再鑄層與孔道中的殘留物或電火花再鑄層及其殘留物均被徹底清除，獲得具有又圓、又光滑、無再鑄層的孔洞的葉片。
2、 按照權利要求1所述的鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜 L快速制造方法， 其特征是，化學溶液，為40。C^(TC，浸泡時間為10分鐘40力H中。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬制小孔加工技術，具體為一種鎳基高溫合金葉片無再鑄層氣膜孔快速制造方法。首先，對燃氣輪機鎳基高溫合金葉片，按設計要求在葉身上制造出所需尺寸的孔洞；然后，采用化學溶液來浸泡已打孔的葉片，葉片在化學溶液中浸泡的整個過程均需進行超聲波振動；經過浸泡之后，葉片上所有孔的周邊上激光再鑄層與孔道中的殘留物或電火花再鑄層及其殘留物均被徹底清除，獲得具有又圓、又光滑、無再鑄層的孔洞的葉片。這種制孔方法的特點是快速、高效、高質量、成本低，可消除單晶、定向凝固鎳基高溫合金葉片氣冷孔周邊的多晶結構層，保持葉片晶體結構的一致性。利用本方法可在DZ4、DZ125、DD6合金葉片上制備出無再鑄層的氣冷孔。
文檔編號C23F1/28GK101613861SQ20091001265
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權日2009年7月22日
發(fā)明者杰 張, 王東生, 王茂才, 謝玉江 申請人:中國科學院金屬研究所