鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層化學(xué)研磨的實(shí)驗(yàn)研究

遲長(zhǎng)泰，謝玉江，葉　威，藺　增

（1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng)110014）

鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層化學(xué)研磨的實(shí)驗(yàn)研究

遲長(zhǎng)泰1，謝玉江1，葉威1，藺增2

（1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng)110014）

研究了鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層組織特征、電化學(xué)腐蝕行為，并分析了再鑄層化學(xué)研磨的優(yōu)化條件，測(cè)試了研磨后基體的熱疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，DZ125合金激光再鑄層主要為枝晶結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)化相γ′相析出較少，激光再鑄層的耐腐蝕性能明顯弱于DZ125合金基體。化學(xué)研磨溶液保溫在60℃以上、濃度在90%以上時(shí)，再鑄層的化學(xué)研磨高效可靠，研磨后基體表面光滑，無(wú)明顯腐蝕發(fā)生，且基體的熱疲勞性能得到明顯改善。

航空材料；DZ125合金；激光再鑄層；γ′相；化學(xué)研磨；研磨溶液；電化學(xué)；熱疲勞

milling solution；elctrochemistry；thermal fatigue

1　引言

鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向器等熱端部件的主要材料，工作在高溫和高應(yīng)力條件下。為提高其承載溫度與載荷能力，葉片與熱端部件均發(fā)展為氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部氣流型腔通過(guò)精鑄而成，氣膜孔通過(guò)在基體上打孔加工而成，用傳統(tǒng)的機(jī)械方法已無(wú)法加工這些氣膜冷卻孔［1-4］。由于脈沖激光打孔具有效果好、通用性強(qiáng)、效率高、成本低及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)［5-9］。但由于渦輪葉片材料含有較高的Al+Ti量，熔焊性很差，高能束流加工時(shí)在孔內(nèi)壁形成的再鑄層內(nèi)存在較多的冶金缺陷，如孔洞與微裂紋，會(huì)嚴(yán)重影響葉片的強(qiáng)度與疲勞壽命［10-13］，從而威脅著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性。

目前，工業(yè)上主要采用磨粒流式去除再鑄層，但該工藝對(duì)于深孔、斜孔及小孔周?chē)脑勹T層不能有效去除，且易損傷孔內(nèi)壁。由于機(jī)械研磨方法的局限性，近年來(lái)出現(xiàn)的激光輔助噴射加工［14］、化學(xué)輔助激光加工［15］、噴射液束電解-激光復(fù)合加工［16］等技術(shù)，對(duì)再鑄層的去除都取得了一定效果，但均未在工程中得到廣泛應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)研磨去除再鑄層工藝較為經(jīng)濟(jì)可靠，易在工程上開(kāi)展應(yīng)用［4，17-18］，但公開(kāi)文獻(xiàn)中未發(fā)現(xiàn)關(guān)于化學(xué)研磨去除再鑄層的具體工藝研究的報(bào)道。因此，研究再鑄層在化學(xué)研磨溶液中的溶解動(dòng)力學(xué)規(guī)律，掌握研磨工藝中溶液高效可靠的溫度和濃度，表征化學(xué)研磨對(duì)合金基體熱疲勞性能影響，對(duì)于化學(xué)研磨工藝工程應(yīng)用具有重要意義。本文采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件廣泛應(yīng)用的鎳基高溫合金DZ125，將合金表面進(jìn)行激光重熔形成再鑄層，通過(guò)對(duì)激光再鑄層組織結(jié)構(gòu)的分析、腐蝕行為的測(cè)定，以及從研磨溶液溫度和濃度兩個(gè)方面對(duì)再鑄層化學(xué)研磨進(jìn)行溶解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而不斷優(yōu)化再鑄層的化學(xué)研磨工藝條件，最終為指導(dǎo)再鑄層化學(xué)研磨工藝及評(píng)價(jià)再鑄層腐蝕性能積累數(shù)據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為鎳基高溫合金DZ125，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。將合金材料線切割成尺寸為10 mm× 10 mm×3 mm的塊狀試樣，試樣表面采用水磨砂紙從240#依次打磨到800#，再經(jīng)無(wú)水乙醇和丙酮清洗后放入干燥器中待用。

采用JQM-IGXY-400型脈沖激光加工系統(tǒng)對(duì)試樣表面進(jìn)行重熔處理，制備的激光再鑄層見(jiàn)圖1。激光波長(zhǎng)1.06 μm，優(yōu)化的加工參數(shù)為脈沖電流155 A，脈寬10 ms，頻率4 Hz，透鏡焦距150 mm，離焦量10 mm；采用氬氣保護(hù)，氬氣流量5 L/min；激光光斑搭接率為50%。

圖1　浸泡試樣Fig.1 Soaking sample

將DZ125激光熔凝試樣和合金基材放入化學(xué)研磨溶液中進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)研磨溶液由CuSO4、HNO3、HCl、FeCl3和蒸餾水配制，所用化學(xué)藥品均為分析純。首先，浸泡實(shí)驗(yàn)在不同溫度（75℃、60℃、45℃）下進(jìn)行，使用恒溫水浴保溫。其次，在上一實(shí)驗(yàn)得出較為高效研磨的溫度下，稀釋化學(xué)研磨溶液（濃度100%、90%、80%）進(jìn)行浸泡研磨實(shí)驗(yàn)。

本文的浸泡實(shí)驗(yàn)的表征方法為稱(chēng)重法。浸泡實(shí)驗(yàn)試樣分為8組，每組6個(gè)（包含1個(gè)基材試樣），在同一條件下采用3個(gè)平行試樣測(cè)試，浸泡前后失重取平均值。每個(gè)樣片做上標(biāo)號(hào)，浸泡前用梅特勒-托利多XS105DU電子天平稱(chēng)重；浸泡實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔一段時(shí)間（15 min）取出1個(gè)樣品，記下標(biāo)號(hào)，然后用蒸餾水超聲波清洗15 min，清洗后放入干燥箱干燥20 min后稱(chēng)重。

同時(shí)，通過(guò)熱疲勞試驗(yàn)表征化學(xué)研磨對(duì)合金基材熱疲勞性能的影響。熱疲勞性能試驗(yàn)的試樣尺寸為20 mm×20 mm×2 mm，試樣表面采用SiC砂紙拋磨至800#，用丙酮清洗并干燥。利用AUT-BLM-40型半導(dǎo)體納秒激光器，在試樣中心位置打孔，孔徑約為φ0.7mm。將打孔試樣分成兩組，每組3個(gè)試樣。其中一組采取化學(xué)研磨去除激光再鑄層，另一組作為對(duì)比試樣不研磨。利用全自動(dòng)熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，（900±10）℃×55 s+（25±5）℃×5 s為一個(gè)循環(huán)，共循環(huán)100次，實(shí)驗(yàn)后觀察孔周?chē)慕M織形貌。

采用荷蘭FEI-Inspect F50場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察再鑄層及合金基體浸泡前后的組織形貌。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用Gamry公司的Interface 1000電化學(xué)工作站及三電極體系。常壓下測(cè)試在傳統(tǒng)電解池中進(jìn)行，工作電極為激光再鑄層/金屬電極，鉑電極選為輔助電極，飽和甘汞電極選為參比電極。測(cè)試中使用恒溫水浴將溶液溫度控制在（25±1）℃。

表1　DZ125鎳基高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%Table 1 The chemical composition of DZ125 nickel base superalloy（mass fraction）

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1微觀組織分析

圖2為DZ125合金基材的微觀組織形貌。從圖中可以看出，DZ125合金主要由樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)組成（圖2（a）），其中在合金γ基材內(nèi)析出大量的塊狀強(qiáng)化相γ′相，并伴有葵花狀的（γ+γ′）共晶存在（圖2（b））。

圖2 DZ125合金基材微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of DZ125 alloy substrate

圖3為DZ125合金激光再鑄層的微觀組織形貌。可見(jiàn)，DZ125合金激光再鑄層中有較多的微裂紋，且微裂紋貫穿整個(gè)再鑄層，部分稍延伸到合金基體。再鑄層主要為枝晶組織結(jié)構(gòu)，枝晶平均間距為5 μm，晶粒較基體明顯細(xì)化，且γ′相析出明顯減少，（γ+γ′）共晶相消失（圖3（c））。

3.2極化曲線分析

圖4為DZ125合金基材、激光再鑄層在化學(xué)研磨溶液中的動(dòng)態(tài)極化曲線。可見(jiàn)，激光再鑄層出現(xiàn)多個(gè)自腐蝕電位——這樣的體系不能發(fā)生自鈍化過(guò)程［19］，鈍化保護(hù)性能差，不耐腐蝕；而合金基材的鈍化區(qū)明顯，有較好的自鈍化保護(hù)。同時(shí)對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，激光再鑄層自腐蝕電流密度Icorr較大，自腐蝕電壓Ecorr較小，表明DZ125合金激光再鑄層在化學(xué)研磨溶液中的腐蝕速率較快，而合金基材的鈍化保護(hù)能力較好，這樣為化學(xué)研磨去除激光再鑄層提供了腐蝕理論支持。

圖3　DZ125合金激光再鑄層的組織形貌Fig.3 Microstructure of DZ125 alloy laser recast layer

圖4　DZ125合金基材及激光再鑄層的極化曲線Fig.4 Polarization curves of DZ125 alloy and DZ125 laser recast layer

3.3溶解動(dòng)力學(xué)測(cè)試

為進(jìn)一步研究實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)研磨工藝的優(yōu)化

表2　DZ125合金基材及激光再鑄層的動(dòng)態(tài)極化曲線擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of the potentiodynamic polarization curves for DZ125 alloy and DZ125 laser recast layer

條件，進(jìn)行了溶解動(dòng)力學(xué)測(cè)試。圖5為DZ125合金激光熔凝試樣在研磨溶液不同溫度下腐蝕失重隨時(shí)間的變化曲線。可見(jiàn)，不同溫度下腐蝕溶解失重速率均為先快后慢，試樣浸泡45 min后，腐蝕溶解速度減緩程度明顯。這是由于隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕產(chǎn)物大量產(chǎn)生且堆積越來(lái)越多，使腐蝕介質(zhì)滲入試樣內(nèi)部的阻力越來(lái)越大，從而產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻止了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行［19］。并且隨著浸泡溶液溫度的升高，腐蝕溶解速度加快。在掃描電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，隨著化學(xué)研磨時(shí)間的增加，再鑄層的厚度逐漸減薄；而合金基體試樣浸泡90 min后，質(zhì)量減少約2 mg，浸泡前后質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%。這表明激光熔凝試樣浸泡實(shí)驗(yàn)中主要溶解的是激光再鑄層，DZ125合金基體溶解失重甚微。

圖5　不同溫度下的再鑄層化學(xué)研磨動(dòng)力學(xué)曲線Fig.5 The kinetics curves for recast layer chemical milling with different temperature

當(dāng)化學(xué)研磨溶液保溫在75℃時(shí)，45～60 min之間進(jìn)入一個(gè)幾乎零失重的階段，60～90 min之間又開(kāi)始較慢的腐蝕失重。圖6、圖7分別為化學(xué)研磨溶液保溫在75℃下再鑄層浸泡前和浸泡60 min后的微觀形貌，從圖中可清晰看出激光再鑄層已被完全溶解去除，同時(shí)再鑄層內(nèi)的裂紋也已被去除，再鑄層的質(zhì)量約為50 mg。并且從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，DZ125合金基材腐蝕較輕，無(wú)明顯晶界腐蝕發(fā)生。這表明化學(xué)研磨溶液保溫在75℃時(shí)，能在60 min基本完成再鑄層去除。

圖6　再鑄層化學(xué)研磨前的微觀形貌Fig.6 Microstructure of recast layer before chemical milling

圖7　再鑄層化學(xué)研磨后的微觀形貌Fig.7 Microstructure of recast layer after chemical milling

根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)要求，為避免合金基材過(guò)重腐蝕，化學(xué)研磨工藝的時(shí)間要求在4 h內(nèi)。考慮溫度因素對(duì)再鑄層化學(xué)研磨的影響，分別對(duì)在75℃、60℃、45℃下化學(xué)研磨再鑄層的時(shí)間進(jìn)行分析擬合，得出三者分別需時(shí)約為60 min、147 min、337 min。這樣，75℃下平均溶解速度為0.83 mg/min，60℃下為0.34 mg/min，而45℃下僅為0.15 mg/min，可見(jiàn)溫度從60℃升高到75℃時(shí)再鑄層溶解去除平均速度大大提高。這表明當(dāng)化學(xué)研磨溫度在60℃以上時(shí)，再鑄層的化學(xué)研磨較為高效，且對(duì)基體損傷較小。

圖8為DZ125合金激光熔凝試樣在不同濃度研磨溶液下腐蝕失重隨時(shí)間的變化曲線。可見(jiàn)，不同濃度下腐蝕溶解失重速率也均為先快后慢，浸泡45 min后腐蝕溶解速度明顯減緩；浸泡溶液濃度越高，腐蝕溶解速度越快。隨著化學(xué)研磨時(shí)間的增加，再鑄層厚度逐漸減薄，但基體試樣在不同濃度下浸泡90 min后，浸泡前后質(zhì)量變化也不超過(guò)0.1%。根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)要求，考慮研磨溶液濃度對(duì)再鑄層化學(xué)研磨的影響，分別對(duì)溶液濃度100%、90%、80%下化學(xué)研磨再鑄層的時(shí)間進(jìn)行分析擬合，得出三者分別需時(shí)為60 min、115 min、273 min。這樣濃度100%下平均溶解速度為0.83 mg/min，濃度90%下為0.43 mg/min，而濃度80%下僅為0.18 mg/min。這表明溶液濃度從90%升到100%時(shí)再鑄層溶解去除平均速度大大提高，并且隨著濃度的變化，基材受腐蝕都較小，無(wú)明顯晶界腐蝕發(fā)生，保證了化學(xué)研磨去除再鑄層的良好進(jìn)行。

圖8　不同濃度研磨溶液下的再鑄層化學(xué)研磨動(dòng)力學(xué)曲線Fig.8 The kinetics curves for recast layer chemical milling with different concentration

圖9　激光孔化學(xué)研磨前后的微觀形貌Fig.9 Microstructures of laser drilling before and after chemical milling

3.4再鑄層化學(xué)研磨對(duì)基體的影響

圖9為化學(xué)研磨前后激光孔周?chē)奈⒂^形貌。化學(xué)研磨前，如圖9（a）、（b）所示，孔周?chē)泻芏囡w濺物，孔內(nèi)壁也有較多飛濺物和微裂紋；從圖9（c）、（d）中發(fā)現(xiàn)化學(xué)研磨后的孔周?chē)勹T層完全去除，孔內(nèi)壁變得光滑且無(wú)裂紋，表面析出致密的強(qiáng)化相γ′相，孔的內(nèi)徑略有增大，同時(shí)研磨后的DZ125合金基材表面沒(méi)有發(fā)生明顯的晶界腐蝕。

為進(jìn)一步研究化學(xué)研磨對(duì)基體的影響，對(duì)激光打孔試樣進(jìn)行熱疲勞實(shí)驗(yàn)。圖10為激光孔化學(xué)研磨前后熱疲勞實(shí)驗(yàn)后的微觀形貌。可見(jiàn)，未經(jīng)化學(xué)研磨的孔周?chē)脑勹T層發(fā)生少量脫落，孔周?chē)皟?nèi)部出現(xiàn)較多裂紋，且部分裂紋縱深到合金基材內(nèi)部，長(zhǎng)度達(dá)100～200 μm；而經(jīng)化學(xué)研磨處理后的孔周?chē)鷽](méi)有出現(xiàn)明顯裂紋，且孔內(nèi)壁依然光滑，沒(méi)有裂紋出現(xiàn)。這表明化學(xué)研磨能有效去除DZ125合金激光再鑄層，從而避免激光再鑄層中裂紋等缺陷對(duì)合金基材熱疲勞性能的影響。

圖10　激光孔化學(xué)研磨前后熱疲勞實(shí)驗(yàn)后的微觀形貌Fig.10 Microstructures after thermal fatigue experimental before and after laser chemical milling

4　結(jié)論

文中分析了鎳基高溫合金DZ125激光熔凝層的組織特性、動(dòng)態(tài)極化腐蝕的規(guī)律，獲得了合金激光再鑄層化學(xué)研磨的高效優(yōu)化工藝條件，并就再鑄層化學(xué)研磨對(duì)基體的影響進(jìn)行了組織及熱疲勞性能分析，對(duì)指導(dǎo)DZ125合金激光打孔再鑄層化學(xué)研磨工藝具有重要意義。主要研究結(jié)論如下：

（1）DZ125合金激光熔凝形成的再鑄層主要為枝晶組織，枝晶平均間距為5 μm；激光熔凝形成的微裂紋主要存在于再鑄層內(nèi)部，較少延伸到合金基體。

（2）DZ125合金激光再鑄層化學(xué)研磨優(yōu)化工藝條件，為化學(xué)研磨溶液保溫在60℃以上、溶液濃度在90%以上時(shí)，再鑄層的化學(xué)研磨高效可靠，并且對(duì)合金基體損傷較小。

（3）化學(xué)研磨后的DZ125合金基體表面光滑平整，無(wú)明顯晶界腐蝕，析出致密的強(qiáng)化相γ′相，且基體的熱疲勞性能得到明顯改善。

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An experimental study on chemical milling of recast layer formed on Ni-base superalloy DZ125

CHI Chang-tai1，XIE Yu-jiang1，YE Wei1，LIN Zeng2

（1.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Science，Shenyang 110016，China；2.School of Mechanical Engineering&Automation，Northeastern University，Shenyang 110014，China）

Microstructural characteristics and electrochemical corrosion behavior of Ni-base superalloy DZ125 recast layer were investigated.The optimum condition of milling solution was analyzed，and then thermal fatigue of the chemical-milled samples was tested.The results showed DZ125 alloy recast layer was mainly consisted of dendrite structure with less γ′phase precipitate.The alloy substrate was more able to resist corrosion than recast layer.It is only when chemical milling solution is incubated at 60℃or more，more than 90%concentration that recast layer is removed efficiently and reliably，bringing less damage to the substrate.After chemical milling，these will generate smooth surface，and the thermal fatigue perfor?mance of alloy substrate has also significantly improved.

aeronautical materials；DZ125 alloy；laser recast layer；γ′phase；chemical milling；

V250

A

1672-2620（2016）04-0032-06

2015-11-17；

2016-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（51301182）

遲長(zhǎng)泰（1987-），男，山東煙臺(tái)人，碩士，研究方向?yàn)榧す獗砻娓男浴⒔饘俨牧媳砻鎻?qiáng)化與修復(fù)再制造。