专利名称：一种镀层控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法
技术领域：
本发明涉及再结晶的控制技术，具体是一种镀层控制定向凝固柱状晶和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。随后的校形、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瞬时高温)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。由于叶片在生产过程中不可避免的经过某些工序(如凝固收缩、喷砂等)，这些工序所产生的变形就无法避免。由此而带来的再结晶会大幅度降低叶片铸件合格率，增加成本，严重影响生产效率。由于上述再结晶的不利作用，人们试图通过一定的工艺方法来控制再结晶。关于再结晶的控制，国外有一些相关的报道。欧洲专利(专利号EP 1038982 Al)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热处理的方法来控制再结晶，该方法不能抑制再结晶表面形核，而且回复热处理的时间越长，合金基体容易氧化，这对合金使用不利。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。该方法主要在涂层中加入C、B等微量元素，而不是合金基体元素。而且，这种方法主要考虑的是再结晶产生以后，如何设法消除再结晶的不利影响，即强化再结晶晶界，而不是设法抑制再结晶的产生。更有甚者，采用化学腐蚀的方法直接将再结晶层腐蚀去除(专利号5413648)。该方法虽然能够去除再结晶层，但是对于薄壁单晶或者定向柱晶镍基高温合金部件显然不适用。上述专利申请控制再结晶的工艺方法存在的问题
(I)气体渗碳法的设备较复杂，操作较繁琐，通过碳化物离子阻碍晶界的迁移控制再结晶，主要应用于单晶合金。(2)较低温度反复回复热处理法不能抑制再结晶表面形核，且回复热处理的时间越长，合金基体易氧化，对合金使用不利。(3)涂层里加晶界强化元素的方法，主要主要加入C、B等微量元素，而非基体元素，针对的是单晶镍基高温合金，且该法主要是考虑如何在再结晶产生以后，消除再结晶的不利影响。(4)化学腐蚀法，是直接将再结晶层腐蚀去除。该法不适用于薄壁单晶或定向柱晶镍基高温合金部件。
发明内容
本发明目的是提供一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，具体是一种电镀镀层控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，使叶片变形后产生的再结晶显著减少。
本发明提供一种控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，即在已变形的定向凝固镍基高温合金表面进行镀层，将镀层样品进行基体合金的标准固溶处理。其特征在于采用电镀镀层方法在已产生变形的定向凝固镍基高温合金器件表面进行镀层处理，镀层为Ni+Ce02，其中CeO2含量为I 10%，镀层厚度10 15叫1]。将上述镀层处理后的定向凝固
镍基高温合金器件进行标准固溶处理。与镀层中加入晶界强化元素强化再结晶晶界的专利不同的是，这里镀层一方面阻碍再结晶晶界迁移，另一方面通过镀层所含成分补偿基体成分的损失而达到抑制元素扩散的作用来抑制再结晶的发展。而且，涂层中加入晶界强化元素强化再结晶晶界的专利承认再结晶的存在，然后设法消除再结晶的不利影响，而且该专利没有减小合金基体由于变形产生的再结晶，只是加入晶界强化元素提高合金基体的疲劳寿命。而本专利镀层的目的是控制再结晶的发展，在一定程度上减小了合金基体由于变形产生的再结晶。与涂层控制再结晶不同的是，电镀过程几乎没有产生残余应力，不需要去应力退火，也就避免了残余应力产生再结晶的可能性。本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其镀层工艺为电镀。本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其镀层镀液为NiSO4 · H20、H3BO3' NH4C1、C12H25NaSO4' CeO2 和蒸馏水。本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其镀液配方为50 200g/LNiS04 ·Η20、3 50g/L H3BO3>5 30g/L NH4CUO. I 5g/L C12H25NaSO4'30 IOOg/L CeO20本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其镀液配方中CeO2的粒度要求为5 lOOnm。本发明提供的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其电镀工艺参数为电流密度为O. 5 3A/m2，pH值为4 6，搅拌速度为50 300r/min，电镀温度为10 80°C。本发明提供一种电镀镀层控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其优点为
(I)本发明所提供的镀层可阻碍再结晶晶界的迁移，亦可通过镀层所含成分补偿基体
成分的损失而达到抑制元素扩散的作用，抑制再结晶的发展。(2)本发明所提供的镀层在一定程度上减少了合金基体由于变形而产生的再结晶。(3)本发明所提供的镀层工艺为电镀，电镀过程几乎没有产生残余应力，不需要去应力退火，避免了残余应力产生再结晶的可能性。
(4)本发明所提供的控制再结晶的方法，可使燃气轮机和航空发动机的叶片变形后的再结晶显著减少。(5)本发明操作易于控制、提高生产效率。
图I为水喷砂变形定向凝固镍基高温合金后， 没有镀层而直接固溶处理所产生的再结晶组织。图2为水喷砂变形定向凝固镍基高温合金后，电镀镀层后，再经固溶处理所产生的再结晶组织。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明给予进一步的说明，当然，本发明不仅限于下述的实施例。实施例I DZ125L定向凝固合金1#镀层控制再结晶。定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2X12X12mm的方块。将12X 12 (定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下喷砂压力为O. 3MPa，喷砂时间为lmin，砂粒为SiO2玻璃球。配制电镀镀液，所用镀液配方如下150g/LNiSO4 · H20、20g/L H3B03、15g/LNH4Cl、0. lg/L C12H25NaS04、50g/L粒度为7nm的CeO2和IL蒸馏水。接下来，通过电镀设备对部分喷砂样品进行镀层。电镀工艺参数如下电流密度为2A/m2，pH值约为5. 4，搅拌速度为170r/min,电镀实验温度为室温。将电镀好的样片取出，烘干待用。然后再将这些镀层样品和直接喷砂样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。直接固溶处理的样品的平均再结晶深度达到30 μ m，最大再结晶深度达到56 μ m (图I)，而经过上述镀层处理后的样品的最大再结晶深度为6 μ m左右(图2)，远远低于直接喷砂处理的样品。
实施例2 DZ125L定向凝固合金2#镀层控制再结晶。定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2X12X12mm的方块。将12X 12 (定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下喷砂压力为O. 3MPa，喷砂时间为lmin，砂粒为SiO2玻璃球。配制电镀镀液，所用镀液配方如下100g/LNiSO4 · H20、20g/L H3B03、5g/LNH4Cl、O. lg/L C12H25NaS04、30g/L粒度为20nm的CeO2UL蒸馏水。接下来，通过电镀设备对部分喷砂样品进行镀层。电镀工艺参数如下电流密度为3A/m2，pH值约为6，搅拌速度为IOOr/min,电镀实验温度为室温。将电镀好的样片取出，烘干待用。然后再将这些镀层样品和直接喷砂样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。直接固溶处理的样品的平均再结晶深度达到30 μ m，最大再结晶深度达到56 μ m，而经过上述镀层处理后的样品的最大再结晶深度为15μπι左右，低于直接喷砂处理的样品。实施例3 DZ125L定向凝固合金3#镀层控制再结晶。定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2X12X12mm的方块。将12X 12 (定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下喷砂压力为O. 3MPa，喷砂时间为lmin，砂粒为SiO2玻璃球。配制电镀镀液，所用镀液配方如下150g/LNiSO4 · H20、20g/L H3B03、15g/LNH4Cl、0. lg/L C12H25NaS04、30g/L粒度为IOnm的Ce02、IL蒸馏水。接下来，通过电镀设备对部分喷砂样品进行镀层。电镀工艺参数如下电流密度为2A/m2，pH值约为5，搅拌速度为180r/min,电镀实验温度为50°C。将电镀好的样片取出，烘干待用。然后再将这些镀层样品和直接喷砂样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。直接固溶处理的样品的平均再结晶深度达到30 μ m，最大再结晶深度达到56 μ m,而经过上述镀层处理后的样品的最大再结晶深度为10 μ m左右，远远低于直接喷砂处理的样品。
实施例4 DZ125L定向凝固合金3#镀层控制再结晶。定向凝固设备制备出DZ125L定向凝固镍基镍基高温合金板，用线切割从板上切取2X12X12mm的方块。将12X 12 (定向柱晶生长方向)的面磨光，用喷砂装置进行喷砂处理。喷砂参数如下喷砂压力为O. 3MPa，喷砂时间为lmin，砂粒为SiO2玻璃球。配制电镀镀液，所用镀液配方如下150g/LNiSO4 · H20、20g/L H3B03、15g/LNH4Cl、0. lg/L C12H25NaS04、50g/L粒度为12nm的Ce02、IL蒸馏水。接下来，通过电镀设备对部分喷砂样品进行镀层。电镀工艺参数如下电流密度为2A/m2，pH值约为6，搅拌速度为170r/min,电镀实验温度为室温。将电镀好的样片取出，烘干待用。然后再将这些镀层样品和直接喷砂样品进行标准固溶处理，空冷后将样品切开观察产生的再结晶组织。直接固溶处理的样品的平均再结晶深度达到30 μ m，最大再结晶深度达到56 μ m，而经过上述镀层处理后的样品的最大再结晶深度为12μπι左右，低于直接喷砂处理的样品。通过上述实施例说明，与无镀层直接固溶的已变形合金样品产生的再结晶对比，再结晶深度明显减小，再结晶所占面积也相应地明显减小。因此，电镀镀层法是抑制再结晶发展最有效的方法之一。
权利要求
1.一种通过镀层控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于 (1)采用电镀镀层方法在已产生变形的定向凝固镍基高温合金器件表面进行镀层处理，镀层为Ni+Ce02，其中CeO2含量为I 10%，镀层厚度川 ；^ (2)将上述镀层处理后的定向凝固镍基高温合金器件进行标准固溶处理。
2.按照权利要求I所述的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于所述镀层工艺为电镀。
3.按照权利要求2所述的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于所述镀层镀液为 NiSO4 · H2O, H3B03、NH4Cl、C12H25NaS04、CeO2 和蒸馏水。
4.按照权利要求3所述的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于所述镀液配方为 50 200g/L NiSO4 · H20,3 50g/L H3B03、5 30g/L NH4CUO. I 5g/LC12H25NaSO4'30 100g/L CeO20
5.按照权利要求4所述的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于所述镀液配方中CeO2的粒度要求为5 lOOnm。
6.按照权利要求2所述的控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于电镀工艺参数为电流密度为O. 5 3A/m2，pH值为4 6，搅拌速度为50 300r/min，电镀温度为10 80°C。
全文摘要
本发明提供一种镀层控制定向凝固镍基高温合金再结晶的方法，其特征在于，采用电镀镀层方法在已产生变形的定向凝固镍基高温合金器件表面进行镀层处理，镀层为Ni+CeO2，其中CeO2含量为1～10％，镀层厚度10～15μm；将上述镀层处理后的定向凝固镍基高温合金器件进行合金基体的标准固溶处理。本发明具有如下优点与无镀层直接固溶的已变形合金样品产生的再结晶对比，再结晶深度明显减小，再结晶所占面积也相应地明显减小，抑制再结晶的发展；电镀过程中不产生残余应力，避免了残余应力产生再结晶的可能。镀层法是抑制再结晶发展最有效的方法之一。
文档编号C25D5/50GK102899696SQ201110213538
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者谢光, 张健, 楼琅洪 申请人:中国科学院金属研究所