CN101613861A - 镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法

技术领域

本发明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。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空发动机飞行器、地面发电装置、舰艇及火箭推进装置等，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，叶片所需承受的温度越来越高。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却的气膜，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Ti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，大大降低了孔边力学与化学性能。

用作燃气轮机涡轮转子叶片，工作在高温、高速旋转与高温燃气作用的环境中，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孔破裂、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、电火花打孔和电液流打孔这样三种。实践表明：激光打孔速度最快，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，孔较圆均匀，孔内残留物少，但制孔速度仅为激光打孔的1/10～1/100，尤其是斜孔、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光/电火花所形成的再铸层，并与激光打孔/电火花打孔相结合，形成一个镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔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，除去激光/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-固双相流的运动是遵照阻力最小原理，大孔阻力小，流动快，相反小孔难流动，这样就会导致大孔愈磨愈大，而小孔则磨除很小。同样，深孔、斜孔的孔边再铸层也得不到有效去除。对于叶片，它所有气膜孔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。

发明内容

为了解决再铸层完全彻底地快速除去问题，本发明的目的是提供一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法，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。

本发明的技术方案是：

一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法，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。

所述的镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法，化学溶液温度为40℃～90℃，浸泡时间为10分钟～60分钟。

本发明的优点是：

1、本发明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CO₂激光辐照或电火花放电，按设计的位置制造出φ0.1～φ5.0mm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，经一定温度和时间的浸泡之后，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、采用本发明制造叶片气膜孔的速度快，孔边无再铸层，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、采用本发明可消除单晶、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孔边无再铸层。

附图说明

图1高Al和Ti镍基高温合金涡轮叶片气膜孔及激光打孔的再铸层。其中，(a)叶片及其气膜孔；(b)激光打孔再铸层。

图2(a)为激光打孔的形貌。

图2(b)为激光打孔加化学溶液浸泡的形貌。

具体实施方式

本发明的镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法，包括如下工艺流程：

镍基高温合金叶片→激光打孔→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→自来水冲洗→热风干燥→视频显微镜检查。具体步骤如下：

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、本发明中，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孔方法，如电火花放电击穿孔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0.1mm到5mm。

采用电火花放电打孔，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℃～80℃，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20～30vol.％，硝酸30～50vol.％，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速溶解，直到再铸层消失，而对非再铸层无作用或很小。

叶片浸泡在化学溶液中，可视叶片几何结构、尺寸大小和气膜孔的位置等具体情况制作专用的叶片支持架和保护套以及对诸如叶片榫头等处施以保护涂料(如漆等)，支架材料为非金属。

叶片浸泡在化学溶液的数量可视容器大小和化学溶液多少，一次可为1片叶片至100片叶片，化学溶液温度为40℃～90℃，浸泡时间为10分钟～60分钟。

叶片在化学溶液中浸泡的整个过程均需进行超声波振动，并辅助玻璃棒搅动，使溶液不停的运动，超声振动的频率和振幅视叶片多少和时间长短等具体情况而优化选择。一般情况下，超声振动的频率20-100KHz，时间10-60分钟。

经过一定温度一定时间的浸泡之后，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，由此获得具有又圆又光滑无再铸层的孔洞的叶片。

6、超声清洗是将经化学溶液浸泡完全除去再铸层的叶片迅速取出，先经流动的自来水冲洗后放入超声清洗槽中进行快速清洗。必要时，可反复更换新水冲洗。

7、用不锈钢网将叶片从清洗槽中捞出，并经流动自来水冲洗，然后放入热风干燥箱中彻底除去水。

8、用可放大倍数为×5～×800的视频显微镜对叶片气膜孔的孔边与孔内进行检查，并照像记录备查。

实施例1

应用在某航空发动机高压涡轮I级转子叶片，叶片是定向铸造镍基高温合金DZ4。叶片为空心迷宫状结构，进、排气边均设计有近百个气膜孔。

采用80J Nd:YAG固体激光脉冲辐照制孔，激光束能量为80J，孔的直径大小为0.5mm。叶片气膜孔的孔边均有再铸层，厚度达100μm，孔内堆积着残留物，孔形不规则，再铸层内有裂纹，如图2(a)所示。将这些叶片按上述工艺流程路线进行处理，化学溶液的组成为：盐酸20vol.％，硝酸30vol.％，硫酸铜0.01摩尔/升，其余为水，化学溶液温度为60℃，浸泡时间为40分，超声振动的频率28KHz，时间40分钟。经化学溶液浸泡处理之后，获得了如图2(b)所示状态的气膜孔，所需时间仅为2天，孔边再铸层除去合格率为100％，近200片叶片2-3天便完成。地面台架试车和上天飞行使用，所有叶片无孔边裂纹产生。经900℃→20℃冷热循环试验，进行266次，使用显微镜观察没发生孔壁裂纹形成。

实施例2

应用在某航空发动机高压涡轮I级转子叶片，叶片是定向铸造镍基高温合金DZ125。叶片为空心迷宫状结构，进、排气边均设计有近百个气膜孔。

采用CO₂激光连续辐照制孔，激光束的功率为1200W，孔的直径大小为1mm。叶片气膜孔的孔边均有再铸层，厚度达100μm，孔内堆积着残留物，孔形不规则，再铸层内有裂纹，如图2(a)所示。将这些叶片按上述工艺流程路线进行处理，化学溶液的组成为：盐酸30vol.％，硝酸40vol.％，硫酸铜0.012摩尔/升，其余为水。化学溶液温度为50℃，浸泡时间为60分钟，超声振动的频率100KHz，时间60分钟。经化学溶液浸泡处理之后，获得了如图2(b)所示状态的气膜孔，所需时间仅为2天，孔边再铸层除去合格率为100％，近200片叶片2-3天便完成。地面台架试车和上天飞行使用，所有叶片无孔边裂纹产生。经900℃→20℃冷热循环试验，进行266次，使用显微镜观察没发生孔壁裂纹形成。

实施例3

应用在某航空发动机高压涡轮I级转子叶片，叶片是定向铸造镍基高温合金DD6。叶片为空心迷宫状结构，进、排气边均设计有近百个气膜孔。

采用电火花放电制孔，孔的直径大小为0.3mm。叶片气膜孔的孔边均有再铸层，厚度达20μm，孔内堆积着残留物，孔形不规则，再铸层内有裂纹，如图2(a)所示。将这些叶片按上述工艺流程路线进行处理，化学溶液的组成为：盐酸25vol.％，硝酸40vol.％，硫酸铜0.012摩尔/升，其余为水。化学溶液温度为70℃，浸泡时间为50分钟，超声振动的频率45KHz，时间50分钟。经化学溶液浸泡处理之后，获得了如图2(b)所示状态的气膜孔，所需时间仅为2天，孔边再铸层除去合格率为100％，近200片叶片2-3天便完成。地面台架试车和上天飞行使用，所有叶片无孔边裂纹产生。经900℃→20℃冷热循环试验，进行266次，使用显微镜观察没发生孔壁裂纹形成。

Claims (2)

1、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。

2、按照权利要求1所述的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，化学溶液温度为40℃～90℃，浸泡时间为10分钟～60分钟。

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