镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法技术

本发明专利技术属于金属制小孔加工技术，具体为一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法。首先，对燃气轮机镍基高温合金叶片，按设计要求在叶身上制造出所需尺寸的孔洞；然后，采用化学溶液来浸泡已打孔的叶片，叶片在化学溶液中浸泡的整个过程均需进行超声波振动；经过浸泡之后，叶片上所有孔的周边上激光再铸层与孔道中的残留物或电火花再铸层及其残留物均被彻底清除，获得具有又圆、又光滑、无再铸层的孔洞的叶片。这种制孔方法的特点是快速、高效、高质量、成本低，可消除单晶、定向凝固镍基高温合金叶片气冷孔周边的多晶结构层，保持叶片晶体结构的一致性。利用本方法可在ＤＺ４、ＤＺ１２５、ＤＤ６合金叶片上制备出无再铸层的气冷孔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属制小 L加工技术，具体为一种镍基高温合金叶片无再铸层气 膜孔快速制造方法。
技术介绍
燃气轮机广泛应用于航空发动机飞行器、地面发电装置、舰艇及火箭 装 置等，是当代重要的动力发生器。镍基高温合金制作的涡轮叶片是燃气轮机重要 热端部件。随着高效、高功率燃气轮机的发展，涡轮前燃气温度大大提高，叶片所需承受的Mit越来越高。为此，叶片材料采用含Al和Ti较高的镍基高温合金 并由多晶结构发展到现在的定向、单晶结构，而叶片制造由实心结构发展到空心 型腔与小孔复合结构等。高压气体流过叶片迷宫式复杂型腔从叶身上不同位向分 布的小孔中喷射出来并沿叶身表面形成冷去啲气膜，由此实现叶片的冷却效果。 显然这里的小孔圆滑、对称、孔内无障碍物，对气冷效果是有重大影响的。含Al和Ti较高的镍基高温合金材料有着高的热裂纹敏感性，在激光辐照下 所形成的再铸层很容易发生裂纹。对这种镍基合金叶片进行激光打孔或电火花打 孔均会在孔周边形成厚薄不等的再熔化层(即再铸层)，薄的几微米，厚的达数百 微米，并且在孔内沉积着飞溅物和未吹除的残留物，如图1所示。采用高Al和H镍基高温合金制作的单晶与定向结构叶片，由于激光或电火 花打孔过程中所形成的再铸层为多晶结构，这就破坏了叶片单晶/定向结晶结构的 完整性，大大降低了 L边力学与化学性能。'用作燃气轮机涡轮转子叶片，工作在高纟显、高速旋转与高iU^气作用的环境 中，承受着大的离心力和氧化、腐蚀等作用。气膜孔再铸层物理化学性能，尤其 是再铸层内存在的微裂纹将会导致叶片首先从气膜 L破裂、腐蚀而失效。此外， 气膜孔中再铸层及其残留物存在会严重影响气流分布形态，均匀气膜层形成困难。目前，叶片气膜孔的制造方法主要有激光打孔、电火花打 L和电液流打孔这样三种。实践表明激光打 L速度最快，自动化程度高，精度高，可方便制造任意方位的、不同大小直径的孔。虽然随着打孔工艺和激光束的调制等方面提高， 孔边与孔内再铸层的形态有所改善，但再铸层存在及再铸层内的裂纹目前严重威 胁着叶片的安全，由此也限制了该方法的使用。电火花制孔的速度稍次于激光， 孔边再铸层亦很明显。电液打孔，虽然再铸层很小，孑L较圆均匀，孔内残留物少， 但制 UI度仅为激光打孔的1/10 1/100，尤其是斜 L、深孔的制备更是困难，不 能满足批量叶片制孔急需和低成本制孔的要求。为此，找到一种可高效地除去激力电火花所形成的再铸层，并与激光打孑L/电火花打孔相结合，形成一^I臬基高纟显合金叶片无再铸层气膜 L快速制备这样一整套工艺方法，对高性能发动机气膜孔结构叶片的低成本、高效地制造是十分重 要的。目前，除去激力电火花打孔再铸层的通用方法是采用磨粒流工艺，即采用泵 动力使含有磨粒的液-固双相流体反复通过叶片型腔与气膜孔。基于摩擦磨损过程 将气膜孔周边的再铸层磨蚀除去，但液-固双相流的运动魏照阻力最小原理，大 孔阻力小，流动快，相反小 u佳流动，这样就会导致大孔愈磨愈大，而小孔则磨除很小。同样，深孔、斜孔的 L边再铸层也得不到有效去除。对于叶片，它所有 气膜 L的周边再铸层若不能彻底完全除去，任何残留都会带来灾难性结果。
技术实现思路
为了解决再铸层完全彻底地快速除去问题，本专利技术的目的是提供一种镍基高 温合金叶片无再铸层气膜 L快速制造方法，通过化学溶液浸泡除去再铸层，并与 激光打孔或电火花打孔工艺相匹配，形成镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速 制备一整套工艺方法。本专利技术的技术方案是一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜 L快速制造方法，具体歩骤如下首先，对燃气轮机镍基高温合金叶片先采用脉冲式激光辐照或连续式激光辐 照^用电火花放电打孔，按设计要求在叶身上制造出所需尺寸的孔洞；然后，采用化学溶液来浸泡己打孔的叶片，叶片在化学溶液中浸泡的整个过 程均需进行超声波振动；化学溶液的组成为盐酸20 30vo1.。/。，硝酸30 50vo1.。/0，硫酸铜0.005^0.015 摩尔/升，其余为水；经过浸泡之后，叶片上所有孔的周边上激光再铸层与孔道中的残留物或电火花再铸层及其残留物均被彻底清除，获得具有又圆、又光滑、无再铸层的孔洞的 叶片。所述的，化学溶液温度为40。C 90。C，浸泡时间为10分钟40分钟。本专利技术的优点是1、 本专利技术在镍基高温合金空心结构叶片上，先采用脉冲式YAG激光辐照或 连续式C02激光辐照或电火花放电，按设计的位置制造出4)0.1 (J)5.0mm直孔与 斜孔，然后再采用一种特制化学溶液来浸泡这些已打孔的叶片，经一定^it和时 间的浸泡之后，便获得具有圆滑无再铸层气冷孔的叶片，而叶片基体无任何损伤。2、 采用本专利技术制造叶片气膜孔的速度快，孑L边无再铸层，孔内无飞溅残留物， 孔圆光滑，孔形好，有利于疲劳寿命的提高，操作可动化，操作简单，制孔效率 高，成本低，对于环境无污染，具有很大的经济效益，化学浸泡溶液可回收中和 处理。3、 采用本专利技术可消除单晶、定向凝固镍基高温合金叶片气冷孔周边的多晶结 构层，保持叶片晶体结构的一致性。4、 利用本方法可在DZ4、 DZ125、 DD6合金叶片上制备出气冷 L边无再铸层。附图说明图l高Al和Ti镍基高温合金涡轮叶片气膜孑L及激光打孔的再铸层。其中， (a)叶片及其气膜 L (b)激光打孔再铸层。 图2 (a)为激光打孔的形貌。 图2 (b)为激光打 L加化学溶液浸泡的形貌。 具体实施例方式本，专利技术的，包括如下工艺流程' '镍基高温合金叶片—激光打 L—超声清洗洁净化处理—浸泡在热水中—化 学溶液浸泡+超声振动—超声清洗4自来7X冲洗—热风干燥—视频显微镜检查。 具体歩骤如下1 、镍基高温合金叶片是指由变形的或铸造的镍基高温合金制造的多晶的或定 向的或单晶的或金属间化合物(如Ni3Al)等组织结构的实心与空心叶片。2、 本专利技术中，叶片的激光打孔方式可为目前国内外通用的镍基高温合金空心 叶片的激光打孔方法，如激光蚀孔工艺或激光旋切孔工艺等。电火花打孔方式可 为目前国内外通用的镍基高温合金空心叶片的脉冲电火花打孑L方法，如电火花放 电击穿 L工艺或电液流穿孔工艺等。激光打孔包括激光束的脉冲式辐照或激光束的连续式辐照所进行的激光冲击制孔或激光旋切孔；其中，脉冲式辐照的激光束能量为5J 100J，连续式辐照的 激光束功率为10W 5000W，孔的直径大小为O.lmm到5mm。采用电火花放电打 L可借助于如计算机辅助控制按设计要求在叶身上制造出所需尺寸的孔洞。3、 超声清洗洁净化处理是采用通常工业用超声清洗装置，清洗液为水、有机 溶剂等，有机溶剂可以为酒精、丙酮或乙醚。4、 浸泡在热水中是将洁净化处理的叶片浸泡入在通常工业用恒温装置中，保 持的温度为25'C 80"C，以待化学溶液浸泡处理。5、 化学溶液浸泡+超声振动是将叶片从热水中取出，并热风吹干后，放入一 个装有特殊配制的化学溶液的容器中，而该容器又置于可控温和可控超声振动频 率与振幅的超声振动装置中。所谓特殊配制的化学溶液是包括由盐酸、硝酸、硫酸铜和水等多种物质混合 组成的均匀混合物，化学溶液的组成为盐酸20 3 01.%，硝酸30 50vo1.。/。，硫 酸铜0.005~0.015摩尔/升，其余为水。在这种化学溶液中，激光或电火花再铸层 快本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法，其特征是，具体步骤如下：　首先，对燃气轮机镍基高温合金叶片先采用脉冲式激光辐照或连续式激光辐照或采用电火花放电打孔，按设计要求在叶身上制造出所需尺寸的孔洞；　然后，采用化学溶液来浸泡已打孔的叶片，叶片在化学溶液中浸泡的整个过程均需进行超声波振动；　化学溶液的组成为：盐酸２０～３０ｖｏｌ．％，硝酸３０～５０ｖｏｌ．％，硫酸铜０．００５～０．０１５摩尔／升，其余为水；　经过浸泡之后，叶片上所有孔的周边上激光再铸层与孔道中的残留物或电火花再铸层及其残留物均被彻底清除，获得具有又圆、又光滑、无再铸层的孔洞的叶片。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂才，谢玉江，王东生，张杰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]