CN116815190A - 一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及重型燃气轮机涡轮叶片制造技术领域，尤其涉及一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法。本发明提供的表面强化方法，包括以下步骤：将镍基单晶高温合金叶片依次进行分段式固溶处理、空冷、时效处理、喷砂处理和电解抛光处理；所述分段式固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；所述第一固溶处理在非含氧气氛中进行，所述第二固溶处理在含氧气氛中进行。所述表面强化方法可以提高镍基单晶高温合金叶片的表面强度，从而抑制涡轮叶片表面裂纹源的产生。
Description
技术领域
本发明涉及重型燃气轮机涡轮叶片制造技术领域，尤其涉及一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法。
背景技术
涡轮叶片是重型燃气轮机中最关键的部件之一，其通常在高温高压及交变的应力场、温度场等耦合条件下工作。镍基单晶高温合金主要通过析出弥散均匀的γ'相阻碍位错运动，同时几乎消除了所有的晶界，因其优异的高温机械性能，而广泛用于燃气轮机涡轮叶片。
在实际的使用过程中，涡轮叶片通过叶片榫头和盘槽的接头连接组装成涡轮盘。因此，榫头通常会经历有启停、高频振动、共振、高温下的离心作用及循环热应力的影响，从而产生不同的疲劳损伤。疲劳损伤主要源于配合表面(榫头和凹槽)之间的局部接触，表现为微动疲劳或高周疲劳。一旦疲劳裂纹在榫卯表面开始并且蔓延，就会对工业应用构成严重威胁。
为了抑制涡轮叶片表面裂纹源的产生，就需要对涡轮叶片进行表面强化处理以提高抗疲劳性能。现阶段的表面强化的方式主要分为两类：一类为喷丸强化或激光冲击，通过对涡轮叶片表面产生塑性变形，将靶材表面组织细化并获得一定深度的参与压应力，从而提高材料表面强度。但这一过程给涡轮叶片表面引入大量的残余应力，在高温服役的过程中会诱导涡轮叶片表面发生再结晶，加速涡轮叶片的氧化进程，同时加工后表面粗糙度增大，难以满足精度要求。另一类表面强化方式为化学热处理，通过在表面渗碳、渗氮等形成硬度涂层，但这种涂层在高负荷下表现不佳，且与基体的结合性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法，所述表面强化方法可以提高镍基单晶高温合金叶片的表面强度，从而抑制涡轮叶片表面裂纹源的产生。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法，包括以下步骤：
将镍基单晶高温合金叶片依次进行分段式固溶处理、空冷、时效处理、喷砂处理和电解抛光处理；
所述分段式固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；
所述第一固溶处理在非含氧气氛中进行，所述第二固溶处理在含氧气氛中进行。
优选的，所述第一固溶处理和第二固溶处理的时间比为(3～5):1。
优选的，所述第一固溶处理在真空或保护气氛中进行；
所述第一固溶处理的温度为1240～1280℃，保温时间为1～2.5h，升温速率为10～15℃/min。
优选的，所述第二固溶处理在空气气氛中进行；
所述第二固溶处理的温度为1150～1250℃，保温时间为0.2～1h。
优选的，所述喷砂处理的起始喷砂压力为0.6～0.8MPa，喷枪距离工件为80～100mm，石英砂粒径为0.18～0.25mm。
优选的，所述电解抛光处理的阳极为进行喷砂处理的镍基单晶高温合金叶片，阴极为铅；
所述阴极的面积是所述阳极的面积的2～3倍。
优选的，所述电解抛光处理采用的电解液包括质量浓度为30％的磷酸水溶液。
优选的，所述电解抛光处理的电流密度为20～30mA/dm3，时间为3～5min。
本发明提供了一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法，包括以下步骤：将镍基单晶高温合金叶片依次进行分段式固溶处理、空冷、时效处理、喷砂处理和电解抛光处理；所述分段式固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；所述第一固溶处理在非含氧气氛中进行，所述第二固溶处理在含氧气氛中进行。本发明所述表面强化方法的核心要义在于分段式固溶处理，先在非含氧气氛中进行，后在含氧气氛中进行表面预氧化，而后空冷在合金表面析出二次γ'相强化涡轮叶片；此外后续电解抛光的目的是为解决去除表面氧化膜时而引入的残余应力，避免在后续涡轮叶片服役过程中发生再结晶。该方案有效的避免了引入残余应力表面强化导致的诱发再结晶缺陷的影响，同时不存在化学涂层易脱落、强度低等顾虑。通过细化镍基单晶高温合金表面的组织强化相，以达到提高的涡轮叶片表面强度的效果，同时没有残余应力的引入，更适用于单晶涡轮叶片的铸造；另一方面仅通过调整热处理制度中氧环境条件，表面没有添加其他物质，便于后续热胀涂层的加工，大大节省了时间、人工和经济成本；
与现有技术相比，本发明所述表面强化方法具有以下优异效果：
1)分段式固溶处理过程中，通过导入空气改变合金表面溶质梯度，在涡轮叶片表面析出的细小γ'相可以提高其表面强度。不同于传统表面强化工艺引入大量塑性变形，导致表面再结晶影响后续服役过程，同时不需要镀层，避免了涂层在高负荷下表现不加且与基体的结合性较差的麻烦，无需增加新的工艺设备，极大的节约了时间、人工和经济成本；
2)本发明通过喷砂处理将表面的氧化膜去除，同时采用电解抛光技术改善涡轮叶片表面粗糙度，避免了引入的残余应力而导入的再结晶影响；
3)本发明对初代镍基单晶高温合金涡轮叶片表层组织结构细化，达到表面增强的效果，不影响后续其他工艺加工，为补充镀层进行复合增强或喷涂热障涂层提供良好的基础。
附图说明
图1为本发明所述表面强化方法的流程示意图；
图2为经过实施例1所述表面强化处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的显微组织图；
图3为经过实施例1所述表面强化处理前后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的γ'相的尺寸对比图；
图4为经过实施例1和对比例1所述表面强化处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的力学强度对比图；
图5为经过对比例1所述表面强化处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的显微组织图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法，包括以下步骤：
将镍基单晶高温合金叶片依次进行分段式固溶处理、空冷、时效处理、喷砂处理和电解抛光处理；
所述分段式固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；
所述第一固溶处理在非含氧气氛中进行，所述第二固溶处理在含氧气氛中进行。
本发明对所述镍基单晶高温合金叶片的组成没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组成即可。
在本发明中，所述第一固溶处理和第二固溶处理的时间比优选为(3～5)：1，更优选为(3～4)：1，最优选为3:1。
在本发明中，所述第一固溶处理在真空或保护气氛中进行；所述保护气氛优选为氩气气氛或氮气气氛；所述第一固溶处理的温度优选为1240～1280℃，更优选为1240～1250℃，最优选为1250℃；保温时间优选为1～2.5h，更优选为1～2h，最优选为1h；升温速率优选为10～15℃/min，更优选为10～12℃/min，最优选为10℃/min。
在本发明中，所述第二固溶处理优选在空气气氛中进行；所述第二固溶处理的温度优选为1150～1250℃，更优选为1150～1180℃，最优选为1150℃；保温时间优选为0.2～1h，更优选为0.25～0.33h，最优选为0.33h。所述第二固溶处理完成后，本发明还优选包括空冷，本发明对所述空冷的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述分段固溶处理的过程优选为将所述镍基单晶高温合金叶片置于真空热处理炉内，先在真空或保护气氛的条件下固溶后，再通入流动空气进行固溶。
在本发明中，所述第二固溶处理过程中通入流动空气是为了提供镍基单晶高温合金的氧化环境，在合金表面形成溶质梯度，为后续的固溶时效中析出细小的γ'强化相，以达到表面强化作用。
在本发明中，所述第一固溶处理和第二固溶处理后的空冷优选替换为气淬或油淬。
本发明对所述时效处理的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的时效处理的过程进行即可。在本发明的实施例中，所述时效处理的过程具体为：在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到1080℃，保温4h，空冷，然后在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到845℃，保温24h，空冷；或在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到1080℃，保温4h，空冷。
在本发明中，所述时效处理的作用是促使合金中的析出相形成和生长。这个过程有助于增强高温合金的高温力学性能，提高其抗蠕变和抗氧化能力。
所述时效处理完成后，本发明还优选包括空冷，本发明对所述空冷的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述喷砂处理的起始喷砂压力优选为0.6～0.8MPa，更优选为0.6～0.7MPa，最优选为0.6MPa；喷枪距离工件优选为80～100mm，更优选为90～100mm，最优选为100mm；石英砂粒径优选为0.18～0.25mm，更优选为0.18～0.20mm，最优选为0.18mm(80目)。
在本发明中，所述喷砂处理的目的是去除分段式固溶处理阶段氧化出现的氧化膜附着，为防止喷砂过程中引入的塑性变形导致在涡轮叶片服役的过程中形核再结晶，利用电解抛光技术去除外加应力。
所述喷砂处理完成后，本发明还优选包括进行超声清洗；所述超声清洗采用的清洗剂优选为水基金属清洗剂；所述超声清洗的温度优选为室温，时间优选为30～60min，更优选为35～55min，最优选为40～50min。
在本发明中，所述电解抛光处理的阳极优选为进行喷砂处理的镍基单晶高温合金叶片，阴极优选为铅；所述阴极的面积优选为所述阳极的面积的2～3倍，更优选为2～2.5倍，最优选为2倍。所述电解抛光处理采用的电解液优选包括质量浓度为30％的磷酸水溶液；所述电解抛光处理的电流密度优选为20～30mA/dm3，更优选为20～25mA/dm3，最优选为20mA/dm3；时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min，最优选为3.8～4.2min。
下面结合实施例对本发明提供的镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
对比例1
将初代镍基单晶高温合金涡轮叶片(IN792LC涡轮叶片)置于真空热处理炉内进行固溶处理，固溶处理的条件为先在真空条件下以10℃/min的升温速率，从室温加热到1250℃，固溶2.0h，空冷后；进行时效处理，所述时效处理的过程为在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到1080℃，保温4h，空冷，然后在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到845℃，保温24h，空冷；然后将时效处理后的涡轮叶片进行喷砂处理去除表面氧化膜，所述喷砂处理的起始喷砂压力为0.8MPa，喷枪距离工件为80mm，石英砂粒径为0.18mm；将喷砂处理的涡轮叶片进行超声清洗后，再以喷砂处理后的涡轮叶片作为阳极，以铅作为阴极，所述阴极的电极面积为所述阳极的电极面积的2.5倍，电解液为浓度为20％的磷酸水溶液，电解抛光处理的电流密度为30mA/dm3，时间为3min；
图5为经过上述处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的显微组织图，由图5可知，经过上述处理后，所有初代镍基单晶高温合金涡轮叶片外缘表面均出现γ'相损耗区，表现出硬度退化现象。
实施例1
将初代镍基单晶高温合金涡轮叶片(IN792LC涡轮叶片)置于真空热处理炉内进行分段式固溶处理，先在真空条件下以10℃/min的升温速率，从室温加热到1250℃，固溶1.5h，然后在通入流动空气条件下固溶0.5h，空冷后；进行时效处理，所述时效处理的过程为在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到1080℃，保温4h，空冷，然后在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到845℃，保温24h，空冷；然后将时效处理后的涡轮叶片进行喷砂处理去除表面氧化膜，所述喷砂处理的起始喷砂压力为0.6MPa，喷枪距离工件为100mm，石英砂粒径为0.18mm；将喷砂处理的涡轮叶片进行超声清洗后，再以喷砂处理后的涡轮叶片作为阳极，以铅作为阴极，所述阴极的电极面积为所述阳极的电极面积的2倍，电解液为浓度为30％的磷酸水溶液，电解抛光处理的电流密度为20mA/dm3，时间为5min；
选择五十组上述涡轮叶片同时进行上述表面强化处理；
图2为经过上述表面强化处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的显微组织图，由图2可知，经过所述表面强化处理后，所有的涡轮叶片外缘表面均出现细小的γ'相；
图3为上述初代镍基单晶高温合金涡轮叶片经过表面强化处理后的γ'相的尺寸对比图，由图3可知，经过表面强化处理后，所述初代镍基单晶高温合金涡轮叶片表层的γ'相尺寸较内部组织降低52.53％；
图4为上述所述表面强化处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片和经过对比例1处理后的初代镍基单晶高温合金涡轮叶片的力学强度对比图(其中上图为经过实施例1处理后的涡轮叶片，下图为经过对比例1处理后的涡轮叶片)，具体数值如表1所示，由表1和图4可知，所述初代镍基单晶高温合金涡轮叶片经过本发明所述的表面强化处理后强度较对比例1提高了37.3％，具有优异的表面强化效果；
表1经过实施例1和对比例1处理后的涡轮叶片的力学强度对比数据
实施例2
将初代镍基单晶高温合金涡轮叶片(IN792LC涡轮叶片)置于真空热处理炉内进行分段式固溶处理，先在真空条件下以10℃/min的升温速率，从室温加热到1250℃，固溶1h，然后在通入流动空气条件下固溶1h，空冷后；进行时效处理，所述时效处理的过程为在真空条件下，以10℃/min的升温速率，从室温加热到1080℃，保温4h，空冷；然后将时效处理后的涡轮叶片进行喷砂处理去除表面氧化膜，所述喷砂处理的起始喷砂压力为0.8MPa，喷枪距离工件为80mm，石英砂粒径为0.18mm；将喷砂处理的涡轮叶片进行超声清洗后，再以喷砂处理后的涡轮叶片作为阳极，以铅作为阴极，所述阴极的电极面积为所述阳极的电极面积的2.5倍，电解液为浓度为20％的磷酸水溶液，电解抛光处理的电流密度为30mA/dm3，时间为3.5min；
经过上述表面强化处理后，所有涡轮叶片外缘表面均出现细小的γ'相，其γ'相尺寸统计对比，出现明显的细化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原来的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种镍基单晶高温合金叶片的表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将镍基单晶高温合金叶片依次进行分段式固溶处理、空冷、时效处理、喷砂处理和电解抛光处理；
所述分段式固溶处理包括依次进行的第一固溶处理和第二固溶处理；
所述第一固溶处理在非含氧气氛中进行，所述第二固溶处理在含氧气氛中进行。
2.如权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述第一固溶处理和第二固溶处理的时间比为(3～5):1。
3.如权利要求1或2所述的表面强化方法，其特征在于，所述第一固溶处理在真空或保护气氛中进行；
所述第一固溶处理的温度为1240～1280℃，保温时间为1～2.5h，升温速率为10～15℃/min。
4.如权利要求1或2所述的表面强化方法，其特征在于，所述第二固溶处理在空气气氛中进行；
所述第二固溶处理的温度为1150～1250℃，保温时间为0.2～1h。
5.如权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述喷砂处理的起始喷砂压力为0.6～0.8MPa，喷枪距离工件为80～100mm，石英砂粒径为0.18～0.25mm。
6.如权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述电解抛光处理的阳极为进行喷砂处理的镍基单晶高温合金叶片，阴极为铅；
所述阴极的面积是所述阳极的面积的2～3倍。
7.如权利要求1或6所述的表面强化方法，其特征在于，所述电解抛光处理采用的电解液包括质量浓度为30％的磷酸水溶液。
8.如权利要求7所述的表面强化方法，其特征在于，所述电解抛光处理的电流密度为20～30mA/dm3，时间为3～5min。
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2023
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