单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液及化铣方法

摘要

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液及化铣方法，属于表面化铣技术领域。该单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，包括硫酸、FeCl

说明书

技术领域

本发明涉及单晶高温合金精铸件表面化铣技术领域，具体涉及一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液及化铣方法。

背景技术

镍基高温合金是以镍为基体的一种高温结构材料，具有很高的室温强度和高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的组织稳定性和使用可靠性。镍基高温合金主要用来制造航空喷气发动机以及各种工业燃气轮机的最热部件，如涡轮部分的导向叶片、工作叶片、涡轮盘等。它还是火箭发动机及燃气轮机高温热端部件的不可替代的材料。近二十年来，镍基高温合金经历了等轴晶、定向柱晶、单晶合金等几个阶段，承高温能力不断增强。单晶高温合金经历了从第一代的无Re合金到第二代3％Re的合金，再发展至第三代含6％Re的合金，以及在高Re基础上加入Ru、Ir等元素的第四代和第五代合金。但单晶合金在定向凝固铸造精铸件过程中，铸件表面的塑性变形产生残余应力层，残余应力是再结晶等晶粒缺陷的诱因，再结晶导致单晶铸件疲劳性能和持久寿命性能显著下降，对单晶精铸件危害巨大。单晶精铸件表面塑性变形残余应力层必须去除。化铣是有效手段。

化铣可以大幅去除单晶精铸件表面塑性变形层，减少表面层残余应力，降低再结晶的发生。经专利文献检索发现，镍基高温合金化铣的专利大多采用对环境不友好，污染严重的试剂。例如专利CN101696501A提出了一种高温合金叶片精锻化铣溶液及化铣的方法，采用55-75g/L的盐酸、100-135g/L的硝酸和400-500g/L的三氯化铁水溶液，这种腐蚀剂也可以对第一代单晶高温合金进行化铣。对于含有Re第二代、第三代镍基高温单晶合金，专利CN103451657A采用200-400mL硝酸、150-350mL氢氟酸、350-700mL蒸馏水，20-60℃，腐蚀90-200min可有效去除塑性变形层。专利CN102330087A采用盐酸的浓度为220～300mL/L，氢氟酸的浓度为200～300mL/L，硝酸的浓度为110～120mL/L，醋酸的浓度为40～45mL/L，三氯化铁的浓度为300～350g/L，铬酐的浓度为18～21g/L作化铣剂。这些化铣方法中，盐酸是挥发性非常严重的酸，氢氟酸是对环境及人体损害非常严重的酸，而强氧化性酸条件下铬酐会变成致癌物质对人体危害极大。

发明内容

本发明的目的是提供单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液及化铣方法，该化铣溶液挥发性低，化铣效果好，对环境相对友好。该化铣方法主要应用于去除铸造工艺中在单晶高温合金精铸件表层塑性变形残余应力集中层，可有效减少后续热处理过程中再结晶缺陷。

本发明的一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，包括硫酸、FeCl₃、MnO₂和水；其中，硫酸浓度为3～6mol·L^-1，FeCl₃浓度0.1～0.5mol·L^-1，MnO₂浓度0.5～7.0g·L^-1，余量为水。

本发明的一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，按以下步骤进行：

(1)准备

处理单晶高温合金精铸件：清洗单晶高温合金精铸件的表面杂质，得到预处理后的单晶高温合金精铸件；

配制化铣溶液：按配比，称量化铣溶液的原料，配制单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液；

(2)将预处理后的单晶高温合金精铸件和厚度已知的测试片放入腐蚀槽中，加入化铣溶液，使预处理后的单晶高温合金精铸件和厚度已知的测试片均浸入化铣溶液中，将腐蚀槽加热至30～60℃，腐蚀90～200min，得到腐蚀后的单晶高温合金精铸件和腐蚀后的测试片；

(3)将腐蚀后的单晶高温合金精铸件和腐蚀后的测试片从腐蚀槽中取出，进行超声波振荡清洗，去除残留腐蚀产物，再用水冲洗，晾干，根据测试片的厚度变化，确定单晶高温合金精铸件的去除量；

(4)当去除量不满足实际应用要求或不能完全去除表面塑性变形层，则重复步骤(2)和(3)，达到实际应用要求为止。

所述的步骤(1)中，所述的单晶高温合金精铸件为镍基单晶高温合金精铸件。

所述的镍基单晶高温合金精铸件中，含有的成分及各个成分的质量百分比为C为0.03％～0.075％，Cr为6.5％～7.3％，Co为7％～8％，W为4.75％～5.25％，Mo为l.3％～1.7％，Ta为6.5％～6.7％，A1为5.8％～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni。

所述的步骤(2)中，所述的测试片为采用相同制备工艺和相同合金成分制备的单晶高温合金测试片。

所述的步骤(2)中，腐蚀过程要在恒温场中进行，温度波动范围为±1℃。

所述的步骤(3)中，超声波振荡清洗中，清洗液为含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液。

所述的步骤(3)中，所述的含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液中，纳米α-氧化铝颗粒粒径为50～300nm，α-氧化铝颗粒的质量浓度为0.1～2.0g·L^-1，水溶液温度为室温，水溶液pH值为7±0.1。

所述的步骤(3)中，所述的超声波频率在10～80kHZ。

所述的步骤(3)中，超声波清洗时间为30～90min。

本发明提供一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液及化铣方法，具有如下优点:

1、本发明具有对环境友好，操作简单、易控制的特点。

2、本发明可以去除单晶高温合金表层的残余应力层，减少变形所致的再结晶缺陷，增加单晶高温合金精铸件的成品率。

3、本发明同时可以显示单晶合金的晶粒组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例中，除特殊说明，采用的原料和设备均为市购，原料的纯度为分析纯及以上。

实施例1

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为3mol·L^-1，FeCl₃浓度0.1mol·L^-1，MnO₂浓度0.5g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，按以下步骤进行：

(1)准备

处理单晶高温合金精铸件：清洗待化铣的镍基单晶高温合金精铸件的表面杂质，得到预处理后的镍基单晶高温合金精铸件；其中，所述的镍基单晶高温合金精铸件中，含有的成分及各个成分的质量百分比为C为0.03％～0.075％，Cr为6.5％～7.3％，Co为7％～8％，W为4.75％～5.25％，Mo为l.3％～1.7％，Ta为6.5％～6.7％，A1为5.8％～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni。

配制化铣溶液：按配比，称量去离子水、浓硫酸、FeCl₃.6H₂O，MnO₂，配制硫酸浓度为3mol·L^-1，FeCl₃浓度0.1mol·L^-1，MnO₂浓度0.5g·L^-1化铣溶液，混合均匀。

(2)将预处理后的镍基单晶高温合金精铸件和厚度已知的测试片放入腐蚀槽中，加入混合均匀后的化铣溶液，保证预处理后的镍基单晶高温合金精铸件和厚度已知的测试片均浸入化铣溶液中，采用腐蚀槽外的水浴锅将腐蚀槽加热至40±1℃，腐蚀90min，得到腐蚀后的镍基单晶高温合金精铸件和腐蚀后的测试片；

所述的测试片为采用和镍基单晶高温合金精铸件相同制备工艺和相同合金成分制备的单晶高温合金测试片。

(3)将腐蚀后的镍基单晶高温合金精铸件和腐蚀后的测试片从腐蚀槽中取出，在频率为10kHZ的超声波中进行超声波振荡清洗30min，去除残留腐蚀产物，再用水冲洗，晾干，用高精度数显千分尺测量测试片的厚度共减少3μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件的去除量约为2.9μm厚，满足实际应用要求。

超声波振荡清洗中，清洗液为含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液，其中，纳米α-氧化铝颗粒粒径为50～300nm，α-氧化铝颗粒的质量浓度为0.1-2.0g·L^-1，水溶液温度为室温，水溶液pH值为7。

实施例2

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例1。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD32精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少2.8μm，在该条件下，DD32精铸叶片表面约去除了2.5μm厚。

其他方式相同。

实施例3

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例1。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD5精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少2μm，在该条件下，DD5精铸叶片表面约去除了1.7μm厚。

其他方式相同。

实施例4

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例1。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD6精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少1.8μm，在该条件下，DD6精铸叶片表面约去除了1.7μm厚。

其他方式相同。

实施例5

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为4mol·L^-1，FeCl₃浓度0.2mol·L^-1，MnO₂浓度1g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为4mol·L^-1，FeCl₃浓度0.2mol·L^-1，MnO₂浓度1g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀时间120min；

对于C0.03～0.075％，Cr6.5～7.3％，Co7～8％，W4.75～5.25％，Mol.3～1.7％，Ta6.5～6.7％，A15.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少11μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了10.5μm厚。

实施例6

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例5。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例5，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD32精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少10μm，在该条件下，DD32精铸叶片表面约去除了9.6μm厚。

其他方式相同。

实施例7

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例5。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例5，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD5精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少10.5μm，在该条件下，DD5精铸叶片表面约去除了10μm厚。

其他方式相同。

实施例8

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例5。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例5，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD6精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少10μm，在该条件下，DD6精铸叶片表面约去除了9.5μm厚。

其他方式相同。

实施例9

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为5mol·L^-1，FeCl₃浓度0.3mol·L^-1，MnO₂浓度2g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为5mol·L^-1，FeCl₃浓度0.3mol·L^-1，MnO₂浓度2g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀时间180min；

对于C为0.03～0.075％，Cr为6.5～7.3％，Co为7～8％，W为4.75～5.25％，Mo为l.3～1.7％，Ta为6.5～6.7％，A1为5.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少25μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了24μm厚。

实施例10

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例9。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例9，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD32精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少24μm，在该条件下，DD32精铸叶片表面约去除了22.5μm厚。

其他方式相同。

实施例11

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例9。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例9，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD5精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少23μm，在该条件下，DD5精铸叶片表面约去除了22μm厚。

其他方式相同。

实施例12

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例9。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例9，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD6精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少23μm，在该条件下，DD6精铸叶片表面约去除了22μm厚。

其他方式相同。

实施例13

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为6mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度3g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为6mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度3g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀时间180min；

对于C为0.03～0.075％，Cr我6.5～7.3％，Co为7～8％，W为4.75～5.25％，Mo为l.3～1.7％，Ta为6.5～6.7％，A1为5.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少25μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了24μm厚。

实施例14

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例13。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例13，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD32精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少24μm，在该条件下，DD32精铸叶片表面约去除了22.5μm厚。

其他方式相同。

实施例15

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例13。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例13，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD5精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少23μm，在该条件下，DD5精铸叶片表面约去除了22μm厚。

其他方式相同。

实施例16

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例13。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例13，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD6精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少23μm，在该条件下，DD6精铸叶片表面约去除了22μm厚。

其他方式相同。

实施例17

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为6mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度7g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为6mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度7g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀时间180min；

对于C为0.03～0.075％，Cr为6.5～7.3％，Co为7～8％，W为4.75～5.25％，Mo为l.3～1.7％，Ta为6.5～6.7％，A1为5.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少20μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了19μm厚。

实施例18

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例17。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例17，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD32精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少20μm，在该条件下，DD32精铸叶片表面约去除了20μm厚。

其他方式相同。

实施例19

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例17。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例17，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD5精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少20μm，在该条件下，DD5精铸叶片表面约去除了19μm厚。

其他方式相同。

实施例20

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，同实施例17。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例17，不同点在于：

(1)单晶高温合金精铸件为铸态的DD6精铸叶片和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片；

(2)单晶高温合金测试片的厚度共减少20μm，在该条件下，DD6精铸叶片表面约去除了19.5μm厚。

其他方式相同。

实施例21

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为4mol·L^-1，FeCl₃浓度0.3mol·L^-1，MnO₂浓度6.0g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为4mol·L^-1，FeCl₃浓度0.3mol·L^-1，MnO₂浓度6.0g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀温度为30±1℃，腐蚀时间90min；

(3)超声清洗中，清洗液为含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液，在含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液中，纳米α-氧化铝颗粒粒径为50nm，α-氧化铝颗粒的质量浓度为0.1g·L^-1，水溶液温度为室温，水溶液pH值为7。

(4)超声频率为80kHz，时间为30min；

对于C为0.03～0.075％，Cr为6.5～7.3％，Co为7～8％，W为4.75～5.25％，Mo为l.3～1.7％，Ta为6.5～6.7％，A1为5.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少26μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了25μm厚。

实施例21

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣溶液，为硫酸、FeCl₃和MnO₂的混合水溶液；所述的化铣溶液中，硫酸浓度为3mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度0.5g·L^-1，余量为水。

一种单晶高温合金精铸件的环境友好化铣方法，同实施例1，不同点在于：

(1)化铣溶液为硫酸浓度为3mol·L^-1，FeCl₃浓度0.5mol·L^-1，MnO₂浓度0.5g·L^-1的水溶液；

(2)化铣腐蚀温度为60±1℃，腐蚀时间200min；

(3)超声清洗中，清洗液为含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液，在含纳米α-氧化铝颗粒的水溶液中，纳米α-氧化铝颗粒粒径为300nm，α-氧化铝颗粒的质量浓度为2.0g·L^-1，水溶液温度为室温，水溶液pH值为7。

(4)超声频率为10kHz，时间为90min；

对于C为0.03～0.075％，Cr为6.5～7.3％，Co为7～8％，W为4.75～5.25％，Mo为l.3～1.7％，Ta为6.5～6.7％，A1为5.8～6.4％，Y<0.03％，余量为Ni的镍基单晶高温合金精铸件和同工艺同成分制备的单晶高温合金测试片化铣，单晶高温合金测试片的厚度共减少5μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了4μm厚，不满足实际应用要求，重复步骤(2)和(3)，经测试单晶高温合金测试片的厚度共减少10μm，在该条件下，镍基单晶高温合金精铸件表面约去除了9μm厚，满足了实际应用要求。