CN111593399B - 一种控制单晶高温合金再结晶的方法 - Google Patents

一种控制单晶高温合金再结晶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制单晶高温合金再结晶的方法，所述方法包括步骤：S1，通过定向凝固浇铸并去除表面型壳后获得单晶高温合金铸件；S2，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工并清洗；S3，对所述单晶高温合金铸件进行抛修并清洗；S4，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理；S5，对所述单晶高温合金铸件固溶后进行腐蚀和微观组织分析。本发明能有效的控制单晶高温合金铸件的再结晶的产生，保证了单晶高温合金铸件尤其是叶片铸件的性能，并提高单晶高温合金铸件的使用寿命。

Description

一种控制单晶高温合金再结晶的方法
技术领域
本发明涉及精密铸造技术，更具体的是涉及一种控制单晶高温合金再结晶的方法。
背景技术
单晶高温合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力以及良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、组织稳定性和使用可靠性,广泛应用于航空发动机、燃气轮机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。
单晶高温合金叶片在铸造、加工、搬运及服役等过程中均有可能产生塑性变形，在经过固溶等热处理和服役过程受到中高温的燃气作用下，很容易导致表面再结晶的产生。再结晶是单晶高温合金叶片生产和服役过程中常见的缺陷，再结晶的产生引入了横向晶界，破坏了单晶高温合金叶片组织的完整性，将会显著降低其服役过程中的高温拉升、持久、疲劳、蠕变等力学性能，影响其使用寿命。
目前采用回复热处理、渗碳、表面腐蚀等方法控制单晶高温合金再结晶的方法，但回复热处理、渗碳、表面腐蚀等对再结晶的控制非常有限，且表面腐蚀会影响非再结晶区域的表面质量，对单晶高温合金叶片造成不可恢复的损坏，在生产过程中很难得到推广。而单晶高温合金叶片在制造过程中经常需要对其进行表面修型和加工处理，而经过加工处理后，不可避免会在单晶高温合金叶片表面产生塑性形变，传统的机加抛修方式经过固溶热处理之后集聚在单晶高温合金叶片表面的塑性形变则以再结晶的方式产生。为此，行业内通常将固溶热处理提前至抛修、加工工序之前，但单晶叶片在服役过程中受到高温燃气的长期侵蚀下，表面的塑性形变又以再结晶的形式释放，导致单晶叶片性能大幅降低，严重影响其使用寿命。
发明内容
本发明的目的是在于解决控制单晶高温合金再结晶的问题。
针对上述技术问题,本发明提出了一种控制单晶高温合金再结晶的方法，所述方法包括步骤：
S1，通过定向凝固浇铸并去除表面型壳后获得单晶高温合金铸件；
S2，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工并清洗；
S3，对所述单晶高温合金铸件进行抛修并清洗；
S4，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理；
S5，对所述单晶高温合金铸件固溶后进行腐蚀和微观组织分析；
其中，所述步骤S3中，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工的过程包括：
用随形石墨电极或铜电极与电火花机的负极连接，将所述单晶高温合金铸件与所述电火花机的正极连接，然后对所述单晶高温合金铸件进行粗加工放电、半精加工放电和精加工放电。
优选的，在所述步骤S1之后，在所述步骤S2之前，还包括步骤S1.5：
对单晶高温合金铸件进行表面宏观腐蚀并清洗。
优选的，所述步骤S2中，对所述单晶高温合金进行表面宏观腐蚀的过程是采用盐酸、硫酸铜混合液对所述单晶高温合金表面进行宏观腐蚀。
优选的，所述步骤S2中，对所述单晶高温合金进行第一次清洗是通过清水进行清洗。
优选的，所述粗加工放电、半精加工放电和精加工放电的工艺参数为：
电流大小＜5A，火花间隙＜0.1mm。
优选的，所述步骤S3中，对进行电火花放电加工后的单晶高温合金铸件进行第二次清洗的过程包括：
将所述单晶高温合金铸件放入工业酒精中浸泡10-15min。
优选的，所述步骤S4中，对所述单晶高温合金铸件进行抛修的过程包括：
用气动抛修机对所述单晶高温合金铸件进行抛修光饰，抛修所用压缩空气为干燥无油压缩空气，压力＜0.65Mpa。
优选的，所述步骤S4中，对所述单晶高温合金铸件进行气动抛修所采用的纤维油石。
优选的，所述步骤S5中，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理的过程包括：
将洗净后的单晶高温合金放入真空热处理炉中，待真空度到达预设要求后，静置10～15min，从室温升温至950℃，保温1～5min，再升温至1100℃，保温1～5min，升温至1250℃，保温1min，升温至1310℃，保温2h，氩气气淬冷却，保证冷却速度大于60℃/min，冷却至60℃，静置5～15min。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：基于以上发明内容，本发明能有效的控制单晶高温合金铸件的再结晶的产生，保证了单晶高温合金铸件尤其是叶片铸件的性能，并提高单晶高温合金铸件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明单晶高温合金铸件的表面结晶情况示意图。
图2为一种对比实施方式的单晶高温合金铸件的表面结晶情况示意图。
图3为另一种对比实施方式的单晶高温合金铸件的表面结晶情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
本发明提供一种控制单晶高温合金再结晶的方法，所述方法包括步骤：
S1，通过定向凝固浇铸并去除表面型壳后获得单晶高温合金铸件；
S2，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工并清洗；
S3，对所述单晶高温合金铸件进行抛修并清洗；
S4，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理；
S5，对所述单晶高温合金铸件固溶后进行腐蚀和微观组织分析。
在本实施例中，在所述步骤S1之后，在所述步骤S2之前，还包括步骤S1.5：
对单晶高温合金铸件进行表面宏观腐蚀并清洗。通过对高温合金铸件进行表面宏观腐蚀并清洗，可了解单晶高温合金铸件的表面情况。
在本实施例中，所述步骤S1.5中，对所述单晶高温合金进行表面宏观腐蚀的过程是采用盐酸、硫酸铜混合液对所述单晶高温合金表面进行宏观腐蚀，作为一种可实施方式，本实施例提供了一种混合液的配比如下：
CuS04·5H2S04：H2S04:HCL＝(120～160)g:(25～35)ml:(450～550)ml。
在本实施例中，所述步骤S1.5中，对所述单晶高温合金进行第一次清洗是通过清水进行清洗。
在本实施例中，所述步骤S2中，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工的过程包括：
用随形石墨电极或铜电极与电火花机的负极连接，将所述单晶高温合金铸件与所述电火花机的正极连接，然后对所述单晶高温合金铸件进行粗加工放电、半精加工放电和精加工放电。
具体的，本实施例中进行粗加工放电、半精加工放电和精加工放电的工艺参数为：电流大小＜5A，火花间隙＜0.1mm。通过电火花加工的方式对单晶高温合金铸件表面进行电蚀，对单晶高温合金铸件表面的影响较小，不会产生塑性变形，尽可能的避免在固溶处理过程中再结晶的形成。
在本实施例中，所述步骤S2中，对进行电火花放电加工后的单晶高温合金铸件进行第二次清洗的过程包括：将所述单晶高温合金铸件放入工业酒精中浸泡10-15min。
在本实施例中，所述步骤S3中，对所述单晶高温合金铸件进行抛修的过程包括：
用气动抛修机对所述单晶高温合金铸件进行抛修光饰，抛修所用压缩空气为干燥无油压缩空气，压力＜0.65Mpa。
具体的，所述步骤S3中，对所述单晶高温合金铸件进行气动抛修所采用的材料为纤维油石。
在本实施例中，所述步骤S4中，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理的过程包括：
将洗净后的单晶高温合金放入真空热处理炉中，待真空度到达预设要求后，静置10～15min，从室温升温至950℃，保温1～5min，再升温至1100℃，保温1～5min，升温至1250℃，保温1min，升温至1310℃，保温2h，氩气气淬冷却，保证冷却速度大于60℃/min，冷却至60℃，静置5～15min。
本实施例同时提供一具体的实施过程，如下：
用定向凝固浇铸出DD5镍基单晶高温合金铸件，经去壳等处理后进行电火花放电加工，放电电极为紫铜。放电工艺如下：粗加工电流＜5A，火花间隙＜0.1mm。去除表面材料深度为0.4mm；半精加工电流＜5A，火花间隙＜0.1mm去除表面材料深度为0.07mm；精加工电流＜5A，火花间隙＜0.1mm，去除表面材料深度为0.03mm。
在完成电火花加工后，用工业酒精浸泡清洗已放电的DD5镍基单晶高温合金铸件，浸泡清洗10min，擦拭吹干。
用气动抛修机对放电加工后的DD5镍基单晶高温合金铸件表面进行抛修光饰，抛修所用压缩空气压力＜0.65MPa，抛修磨头材质为纤维油石。
用工业酒精对抛修后的DD5镍基单晶高温合金铸件擦拭清洗，自然晾干后放入真空热处理炉中进行固溶热处理，固溶热处理制度为：静置10～15min，从室温升温至950℃，保温1～5min，再升温至1100℃，保温1～5min，升温至1250℃，保温1min，升温至1310℃，保温2h，氩气气淬冷却，保证冷却速度大于60℃/min，冷却至60℃，静置5～15min。冷却后，对DD5镍基单晶高温合金铸件进行制样观察表面质量和再结晶组织。
如图1所示，通过上述工艺处理后，本实施例得到的DD5镍基单晶高温合金铸件中无表面重熔层，绝大部分表面未发现再结晶晶粒，少数样件局部有离散的微小再结晶晶粒，且最大厚度仅为8μm。
作为对比实施例，如图2所示的单晶高温合金铸件采用传统的机械加工方法对铸件进行抛修处理，对浇铸出的单晶高温合金铸件进行去壳等处理后用工业酒精浸泡清洗，浸泡清洗10min，擦拭吹干。
用气动打磨工具对放电加工件表面进行抛修光饰，抛修所用压缩空气压力范围为0.5MPa-0.8MPa，抛修磨头材质为白刚玉砂轮磨头。
用工业酒精对抛修后的单晶高温合金铸件擦拭清洗，自然晾干后放入真空热处理炉中进行标准固溶处理。结果为：本实施例得到的单晶高温合金试验件中出现了连续的再结晶层，再结晶平均厚度为34μm，如图2所示。
作为另一对比实施例，如图3所示采用传统的又一种机械加工方法对铸件进行抛修处理，对浇铸出的单晶高温合金铸件进行去壳等处理后用工业酒精浸泡清洗，浸泡清洗10min，擦拭吹干。用电传动抛光机对单晶高温合金进行表面抛修处理，抛光转轮材料为白刚玉的羊毛轮。
用工业酒精对抛修后的单晶高温合金铸件擦拭清洗，自然晾干后放入真空热处理炉中进行标准固溶处理。空冷后，对高温合金铸件试验件进行制样观察表面质量和再结晶组织。结果为：本实施例得到的单晶高温合金试验件出现了连续的再结晶层，再结晶平均厚度为15μm，如图2所示。
基于以上对比实施例可知，发明相对于传统工艺而言，对单晶高温合金表面再结晶的控制更佳，本发明得到的单晶高温合金铸件中无表面重熔层，绝大部分表面未发现再结晶晶粒，少数样件局部有离散的微小再结晶晶粒。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1，通过定向凝固浇铸并去除表面型壳后获得单晶高温合金铸件；
S2，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工并清洗；
S3，对所述单晶高温合金铸件进行抛修并清洗；
S4，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理；
S5，对所述单晶高温合金铸件固溶后进行腐蚀和微观组织分析；
其中，所述步骤S2中，对所述单晶高温合金铸件进行电火花放电加工的过程包括：
用随形石墨电极或铜电极与电火花机的负极连接，将所述单晶高温合金铸件与所述电火花机的正极连接，然后对所述单晶高温合金铸件进行粗加工放电、半精加工放电和精加工放电。
2.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对所述单晶高温合金进行第一次清洗是通过清水和酒精进行清洗。
3.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述粗加工放电、半精加工放电和精加工放电的工艺参数为：
电流大小＜5A，火花间隙＜0.1mm。
4.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对进行电火花放电加工后的单晶高温合金铸件进行第二次清洗的过程包括：
将所述单晶高温合金铸件放入工业酒精中浸泡10-15min。
5.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述单晶高温合金铸件进行抛修的过程包括：
用气动抛修机对所述单晶高温合金铸件进行抛修光饰，抛修所用压缩空气为干燥无油压缩空气，压力＜0.65Mpa。
6.按照权利要求5所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述单晶高温合金铸件进行气动抛修所采用的材料为纤维油石。
7.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述单晶高温合金铸件进行固溶热处理的过程包括：
将洗净后的单晶高温合金放入真空热处理炉中，待真空度到达预设要求后，静置10～15min，从室温升温至950℃，保温1～5min，再升温至1100℃，保温1～5min，升温至1250℃，保温1min，升温至1310℃，保温2h，氩气气淬冷却，保证冷却速度大于60℃/min，冷却至60℃，静置5～15min。
8.按照权利要求1所述的控制单晶高温合金再结晶的方法，其特征在于，所述步骤S5中，对所述单晶高温合金进行表面宏观腐蚀的过程是采用盐酸、硫酸铜混合液对所述单晶高温合金表面进行宏观腐蚀。
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