一种消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法 技术领域 本发明涉及再结晶控制技术， 特别提供一种化学腐蚀和电化学腐蚀相结合的工艺 消除定向凝固柱状晶或单晶镍基高温合金再结晶的技术。
背景技术 燃气轮机、 航空发动机叶片都是在较高温度下使用， 且叶片主要受离心力作用， 而 在高温下， 晶界的强度不如晶内强度， 横向晶界就成了叶片的薄弱环节。为此， 人们发展了 定向柱晶甚至单晶叶片来消除横向晶界或全部晶界。与传统多晶叶片相比， 这些叶片具有 更好的纵向机械性能和更高的承温能力。
但是， 叶片在定向凝固过程中， 由于金属与陶瓷铸型、 型芯热膨胀系数的差异， 铸 件会产生变形。随后的整形、 喷砂、 钎焊甚至服役过程中也有可能产生变形。这样， 叶片经 高温处理 ( 固溶处理或服役过程中的高温 ) 就会产生再结晶。再结晶产生横向晶界， 于是 又形成了叶片的薄弱环节， 严重影响叶片的性能。
目前， 对于定向凝固叶片产生的再结晶， 采取的措施主要是控制叶片的变形 ( 如 尽量减少机械加工， 优化设计铸型、 型芯等 ) 来预防叶片产生再结晶， 或者建立叶片再结晶 标准， 严格检测， 超过某一程度再结晶的叶片即行报废。也有一些报道采用涂层、 热处理等 工艺来控制再结晶， 但是， 这些工艺不能达到完全消除再结晶的目标， 而且工艺复杂， 效率 低， 成本较高。
由于叶片在生产过程中不可避免要经过某些工序 ( 如喷砂等 )， 这些工序所产生 的变形就无法避免。 因此而带来的再结晶会大幅度降低铸件合格率， 增加成本， 严重影响生 产效率。
对于再结晶的控制， 国外有一些相关的报道。欧洲专利 ( 专利号 ： EP1038982 A1) 采用气体 ( 主要是 CO 与氩气的混合气体 ) 渗碳的方法将碳扩散到合金基体中形成碳化物， 利用碳化物粒子阻碍晶界迁移的作用来控制再结晶和使再结晶局部化。该方法设备较复 杂， 操作较繁琐， 以控制生长的方法控制再结晶， 而且主要应用于单晶合金。美国专利 ( 专 利号 ： 5551999) 采用较低温度反复回复的方法来控制再结晶， 该方法不能抑制再结晶表面 形核和氧化。还有采用涂层里面加入晶界强化元素的方法来强化再结晶晶界， 避免裂纹产 生 ( 专利号 ： EP 1036850A1)， 该方法主要针对单晶镍基高温合金。上述方法不能完全消除 再结晶。因此， 有人采用化学腐蚀的方法直接将再结晶层腐蚀去除 ( 专利号 ： 5413648)。他 们所用方法如下 ： 先将样品在 70％磷酸水溶液中阳极腐蚀 3 分钟， 电流密度 620/m2， 然后 将样品浸泡在 2 体积硝酸， 80 体积盐酸， 11 体积水和 61kg 无水氯化铁组成的溶液中 4-5 分 钟， 或者将样品浸泡在 90 体积高氯酸和 10 体积双氧水组成的溶液中 3-5 分钟。
发明内容
本发明目的是提供一种消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 该方法采用化 学腐蚀和电化学腐蚀相结合的方法对已产生变形的定向凝固镍基高温合金进行腐蚀处理，从而避免合金在随后进行的标准固溶处理过程中产生再结晶。
本发明提供的一种消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于 ： 利用 电化学腐蚀和化学腐蚀相结合的工艺对已变形的定向凝固镍基高温合金进行腐蚀处理， 然 后进行定向凝固镍基高温合金的标准固溶处理 ； 该方法能够去除变形合金可能诱发再结晶 的塑性变形层， 从而消除再结晶。
其中电化学腐蚀的腐蚀溶液成分为 H3PO4、 H2SO4 和 H2O， 工艺参数为 ： 腐蚀电压 ： 20 ～ 40V， 腐蚀时间 ： 3 ～ 10min， 腐蚀温度 ： 0 ～ 50℃； 其中 H3PO4 溶液的浓度大于 85％， H2SO4 溶液的浓度大于或等于 98％。
化学腐蚀的腐蚀溶液成分为 HNO3、 HCl、 FeCl3、 (NH4)2S2O8 和 H2O， 工艺参数为 ： 腐蚀 温度 30 ～ 100℃， 腐蚀时间 1 ～ 10min。其中 HNO3 的浓度为 65 ～ 68％、 HCl 的浓度为 36 ～ 38％。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于 ： 所述电化 学腐蚀的腐蚀溶液成分体积比为 ：
H3PO4 ∶ H2SO4 ∶ H2O ＝ 30 ～ 50 ∶ 26 ～ 36 ∶ 20 ～ 38。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于 ： 所述电化 学腐蚀电压优选为 30V， 腐蚀时间优选为 5min。此优选条件在节省时间的基础上能部分去 除喷砂所产生的变形层的目的， 且保持样品表面平整， 为随后的化学腐蚀做准备。 本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于 ： 所述电化 学腐蚀的腐蚀溶液体积比优选为以下四种情况之一 ：
H3PO4 ∶ H2SO4 ∶ H2O ＝ 30 ∶ 36 ∶ 34 ；
H3PO4 ∶ H2SO4 ∶ H2O ＝ 42 ∶ 32 ∶ 24 ；
H3PO4 ∶ H2SO4 ∶ H2O ＝ 36 ∶ 26 ∶ 38 ；
H3PO4 ∶ H2SO4 ∶ H2O ＝ 50 ∶ 30 ∶ 20。
选用这几种溶液配比， 能够达到部分去除喷砂产生的变形层的目的， 而且不产生 过大的局部腐蚀。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于， 所述化学 腐蚀的腐蚀溶液成分配比为 ：
HNO3(ml) ∶ HCl(ml) ∶ FeCl3(g) ∶ (NH4)2S2O8(g) ∶ H2O ＝ 50 ～ 80 ∶ 150 ～ 200 ∶ 50 ～ 60 ∶ 30 ～ 50 ∶ 50 ～ 80。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于， 所述化学 腐蚀的腐蚀溶液成分配比为以下四种情况之一 ：
H N O 3( m l ) ∶ H C l ( m l ) ∶ F e C l 3( g ) ∶ ( N H 4) 2S 2O 8( g ) ∶ H 2O ＝ 60 ∶ 200 ∶ 50 ∶ 30 ∶ 50 ；
H N O 3( m l ) ∶ H C l ( m l ) ∶ F e C l 3( g ) ∶ ( N H 4) 2S 2O 8( g ) ∶ H 2O ＝ 50 ∶ 200 ∶ 60 ∶ 30 ∶ 50 ；
H N O 3( m l ) ∶ H C l ( m l ) ∶ F e C l 3( g ) ∶ ( N H 4) 2S 2O 8( g ) ∶ H 2O ＝ 60 ∶ 150 ∶ 50 ∶ 50 ∶ 50 ；
H N O 3( m l ) ∶ H C l ( m l ) ∶ F e C l 3( g ) ∶ ( N H 4) 2S 2O 8( g ) ∶ H 2O ＝ 80 ∶ 150 ∶ 50 ∶ 30 ∶ 80。
选用这几种溶液配比， 能够最终消除喷砂产生的变形层， 而且从微观上观察， 试样 表面较为平整， 不会出现过大的局部腐蚀坑。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法， 其特征在于， 所述化学 腐蚀的腐蚀温度优选为 70 ～ 80℃， 腐蚀时间优选为 3min。此温度下， 样品腐蚀速度较快， 而且也不会造成过度腐蚀。
本发明提供的消除定向凝固镍基高温合金再结晶的方法有如下优点 ： 可以通过化 学腐蚀和电化学腐蚀相结合的方法消除定向凝固镍基高温合金的再结晶， 特别对于消除合 金均匀变形产生的再结晶的作用更加显著。经过上述腐蚀处理后， 可以完全消除喷砂变形 产生的再结晶， 而且合金样品表面保持平整。 附图说明 图 1 为喷砂变形定向凝固镍基高温合金后， 没有经过腐蚀处理， 即直接固溶处理 所产生的再结晶组织 ；
图 2 为喷砂变形定向凝固镍基高温合金后， 腐蚀处理后再经过固溶处理所产生的 组织。
具体实施方式
比较例 1
DZ125L 定向凝固镍基高温合金再结晶消除。
电火花线切割 DZ125L 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 30V 电压下， 42mlH3PO4( 浓度为 90％ )+32mlH2SO4( 浓度为 98％ )+24mlH2O 腐蚀 剂中电解样品 15 分钟， 然后将合金样品进行标准固溶处理， 空冷后将合金样品切开观察产 生的再结晶组织， 发现样品表面较为平整， 出现零星分布的再结晶晶粒。 而没有经过腐蚀处 理的样品表层则出现了如图 1 所示的再结晶层。
比较例 2
DZ125L 定向凝固镍基高温合金再结晶消除。
电火花线切割 DZ125L 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
室温下在 60mlHNO3( 浓度为 68％ )+200mlHCl( 浓度为 36％ )+50gFeCl3+30g(NH4)2 S2O8+50mlH2O 溶液中化学腐蚀 20 分钟。然后将合金样品进行标准固溶处理， 空冷后将合金 样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面较为平整， 表层有少量再结晶晶粒。 而没有 经过腐蚀处理的样品表层则出现了如图 1 所示的再结晶层。
实施例 1
DZ125L 定向凝固镍基高温合金再结晶消除。
电火花线切割 DZ125L 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 30V 电压下， 在 42mlH3PO4( 浓度为 90％ )+32mlH2SO4( 浓度为 98％ )+24mlH2O 的 腐蚀溶液中电解样品 5 分钟后， 在 70-80℃温度下在 60mlHNO3( 浓度 66％ )+200mlHCl( 浓 度 38％ )+50gFeCl3+30g(NH4)2S2O8+50mlH2O 的腐蚀溶液中化学腐蚀 3 分钟， 然后将合金样品 进行标准固溶处理， 空冷后将合金样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面没有出 现再结晶 ( 如图 2 所示 )。而没有经过腐蚀处理的样品表层则出现了如图 1 所示的再结晶 层。
实施例 2
DZ17G 定向凝固镍基高温合金再结晶消除。
电火花线切割 DZ17G 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 30V 电压下， 在 42H3PO4( 浓度 88％ )ml+32mlH2SO4( 浓度 99％ )+24mlH2O 的腐蚀 溶液中电解样品 10 分钟后， 70-80℃温度下在 60mlHNO3( 浓度 68％ )+200mlHCl( 浓度 36％ )+50gFeCl3+30g(NH4)2S2O8+50mlH2O 溶液中化学腐蚀 5 分钟， 然后将合金样品进行标准固溶 处理， 空冷后将合金样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面没有出现再结晶。 而没 有经过腐蚀处理的样品表层则出现了再结晶层， 平均再结晶深度约为 40 微米。 实施例 3
DZ125L 定向凝固镍基高温合金再结晶消除
电火花线切割 DZ125L 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 25V 电压下， 在 36mlH3PO4( 浓度 86％ )+26mlH2SO4( 浓度 98％ )+38mlH2O 的腐蚀 溶液中电解样品 10 分钟后， 70-80℃温度下在 50mlHNO3( 浓度 65％ )+200mlHCl( 浓度 38％ ) +60gFeCl3+30g(NH4)2S2O8+50mlH2O 的腐蚀溶液中化学腐蚀 5 分钟， 然后将合金样品进行标准 固溶处理， 空冷后将合金样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面没有出现再结晶。 而没有经过腐蚀处理的样品表层则出现了如图 1 所示的再结晶层。
实施例 4
DZ17G 定向凝固镍基高温合金再结晶消除
电火花线切割 DZ125G 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800# 后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 30V 电压下， 在 50mlH3PO4( 浓度 88％ )+30mlH2SO4( 浓度 99％ )+20mlH2O 的腐蚀 溶液中电解样品 10 分钟后， 70-80℃温度下在 60mlHNO3( 浓度 66％ )+200mlHCl( 浓度 38％ ) +50gFeCl3+30g(NH4)2S2O8+50mlH2O 的腐蚀溶液中化学腐蚀 5 分钟， 然后将合金样品进行标准 固溶处理， 空冷后将合金样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面没有出现再结晶。 而没有经过腐蚀处理的样品表层则出现了如图 1 所示的再结晶层。
实施例 5DZ17G 定向凝固镍基高温合金再结晶消除。
电火花线切割 DZ17G 合金样品尺寸为 15×13×4mm， 样品表面水砂纸预磨到 800#
后， 超声清洗 5 分钟后吹干备用。使用水喷砂机， 对样品的一个大面进行喷砂处理。喷砂参 数如下 ： 喷砂压力为 0.3MPa， 喷砂时间为 1min， 砂粒为 SiO2 玻璃球。
在 30V 电压下， 在 36H3PO4( 浓度 90％ )ml+26mlH2SO4( 浓度 99％ )+38mlH2O 的腐蚀 溶液中电解样品 10 分钟后， 70-80℃温度下在 60mlHNO3( 浓度 68％ )+200mlHCl( 浓度 36％ )+50gFeCl3+30g(NH4)2S2O8+50mlH2O 溶液中化学腐蚀 5 分钟， 然后将合金样品进行标准固溶 处理， 空冷后将合金样品切开观察产生的再结晶组织， 发现样品表面没有出现再结晶。 而没 有经过腐蚀处理的样品表层则出现了再结晶层， 平均再结晶深度约为 40 微米。