涡轮叶片电加工孔重熔层控制及去除方法

DZ422B定向凝固涡轮叶片的熔模铸造用型壳的制备技术康继; 李飞; 林仁荣【期刊名称】《《大型铸锻件》》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P11-13,27)【关键词】型壳; 熔模铸造; 涡轮叶片; 生产技术【作者】康继; 李飞; 林仁荣【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院上海200240; 威尔斯新材料(太仓)有限公司江苏215400【正文语种】中文【中图分类】TG249.5涡轮叶片是航空发动机上最关键的构件之一，也是最重要的转动部件，其工作时所经受的温度和机械载荷最为严酷，因此对涡轮叶片材料有着严格的要求[1]。

HB 7240—1995中说明了DZ422B合金主要用于1000℃以下工作的涡轮叶片及其他高温用零件，其近净形熔模铸造用型壳(应满足强度、透气性、热膨胀性、化学稳定性、导热性、脱壳性等性能要求)制备工艺直接影响到叶片产品质量及效能，不断改善并标准化其型壳制备技术对该合金定向叶片的高质量大批量的稳定生产有着重要意义。

1 制备技术简介DZ422B定向涡轮叶片属多层型壳铸件，型壳是由耐火粉料、粘结剂和矿化剂等经过配涂料、浸涂料、撒砂、干燥硬化、脱蜡和焙烧等工序制成的。

从宏观上，该型壳除耐火粉砂与粘结剂等固相外，还存在着气孔与裂隙，系一类多相的非均质体系[2]。

该体系受到制壳材料与工艺等多种因素的影响，并最终在显微结构和性能特征上反映出来。

本文结合实际生产现状，仅对该型壳制备工艺作简单分析。

2 原材料准备技术目前应用最为广泛的定向凝固熔模铸造用型壳是以电熔刚玉为基体加入一定量的矿化剂涂制而成的硅溶胶型壳，其具有热化学性能稳定、抗急热急冷性好等特点，1500℃抗弯强度为5.0 MPa左右，基本能满足定向凝固模铸铸造涡轮叶片的需要[3]。

2.1 模料选用所选模料应具有适当的熔化温度与凝固温度范围，较小的膨胀收缩率与较高的耐热性，一定的强度、硬度、塑性与韧性，以及优良的工艺性能(液态时粘度较小，压制时流动性适宜，涂挂性较优和灰分较低等)。

重熔层特点及去除技术作者：王辉陈玲玲张向东来源：《硅谷》2012年第01期摘要：研究的是一些航空类难加工材料进行电加工时，加工表面产生的残留物，这些残留物即为零件加工表面的重熔层，通过对加工零件机体材料和重熔层的产生原因分析，从而得出重熔层去除的方法，该方法的推广对于系列的航空零件的电加工有着重要意义。

关键词：难加工材料；电加工；重熔层中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0110014－011 研究背景随着航空发动机对推重比，及相关工作性能要求的越来越高，对航空材料的要求也越来越高。

国外先进的发动机中已大量采用了非常规材料、高性能材料，其中钛合金、高温合金或粉末冶金为使用较多的航空材料。

由于这些材料具有相当良好机械性能（高的强度和韧性），使得传统的加工已经不能再胜任，故在航空企业中大量的使用电加工已经成为必然。

其负产品——重熔层如何去除成为目前急需研究的课题。

2 难加工材料分析2.1 钛合金材料钛合金是应用较普通的航空材料，钛金属具有六方密堆积晶格。

钛在常温下虽不活泼，但在高温下它可直接与许多非金属如氢、卤素、氧、碳、氮、硫化合，所生成的化合物如TiN，TiC，TiB都非常稳定、坚硬和难熔。

而钛合金（TC4，使用较为广泛）的主要成分为Al （3.5%～5.0%）、Mn（0.8%～2.0%）、Ti余量，其中还掺杂其它元素，如Fe、C、N、H、O 等，由于金属的电加工原理是瞬间电极放电产生高温使金属熔化来进行金属的加工，所以钛合金在进行电加工时，加工表面易产生TiN、TiC以及钛的氧化物，这些残留物成为零件加工表面重熔层的主要成分。

设备不同、电加工方式不同TiN、TiC以及钛的氧化物占有比例又有不同，其中在进行快走丝线切割加工时，由于是暴露在空气中进行加工的，故产生的钛的化合物较多，尤其是TiN，加工后所产生的重熔层也较厚，约为0.025～0.065mm；当材料在慢走丝线切割机床上进行加工时，由于是在去离子水环境下进行的，不与空气接触，加工后所产生的钛的化合物也较少，主要是机体钛与钛合金中的杂质所产生的，重熔层的厚度较薄，约为0.005～0.02mm；在进行电脉冲加工时，是在煤油的介质中进行的，不暴露在空气中，但由于放电能量较大，故产生的重熔层厚度也较厚，约为0.05左右。

航空发动机叶片气膜孔测量技术研究王呈;刘涛;穆轩;刘鹏;朱立志【摘要】基于航空发动机叶片冷却气膜孔的设计、加工和国家“十一五”计量科研项目的技术攻关及检测试验研究,本文简要介绍了叶片气膜孔位置度检测技术的思路、途径和方法,力求解决叶片气膜孔加工中的量值传递或溯源的难题,使我国在叶片等空间曲面小孔测量领域实现重大突破.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】4页(P27-30)【关键词】气膜孔;检测;技术研究【作者】王呈;刘涛;穆轩;刘鹏;朱立志【作者单位】沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043【正文语种】中文【中图分类】V232.4;TB9210 引言现代军用飞机战斗性能技术指标的不断提高，对航空发动机提出了更高要求，其基本特点是:高温、高压、高转速的同时又要求高可靠性、长寿命和轻重量。

如推重比10航空发动机涡轮前温度已经达到1677℃，处于温度最高、应力最复杂位置的高涡叶片必须具有相应的承温能力，先进国家在发动机设计中，为提高高涡叶片的承温能力，除采用耐高温合金材料及特殊热处理工艺以外，在叶片设计上使用了大量的结构复杂、分布不等的冷却气膜孔（下简称:气膜孔），气膜孔的几何结构（包括气膜孔的喷射角度、孔径大小、孔长与孔径比、孔的间距、孔出口的形状等）、叶片的几何参数和气膜孔的气动参数等因素对气膜冷却效果具有重要影响，据统计，在过去的三、四十年中，涡轮前进口温度大约提高了450℃，平均每年提高25℃，并且约15℃是依靠冷却技术的进步取得的。

其中70%是由于涡轮工作叶片和导向叶片的高效冷却设计取得的，而另外30% 应归于高温合金热处理和铸造加工工艺的改进。

涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展涡轮是中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它承受着燃烧后的高温高压燃气冲击，其制造技术也被列为现代航空发动机的关键技术。

发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低，它受涡轮叶片材料的限制。

对这些部件进行连续不断的冷却，可以允许它们的工作环境温度超过材料的熔点，这样仍能安全可靠的工作，气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一，大大提高了发动机的性能，同时也对气膜孔加工技术提出了更高的要求。

随着制造技术的发展，气膜孔加工新技术也不断出现，在传统的激光打孔（Laser）、电火花高速打孔（EDM）、电化学打孔（ECM）等加工方法的基础上，又发展了激光电火花复合打孔、电解电火花复合打孔等新工艺，去除重熔层技术在磨粒流的基础上，又发展应用了化学研磨技术、电解质- 等离子加工等新技术，为提高涡轮叶片气膜孔加工质量、技术水平和生产效率做出了重要贡献。

气膜冷却技术的发展和应用据统计，涡轮前温度平均每年升高25K，其中约15K是依靠冷却技术的进步取得的。

在过去的三、四十年中，涡轮进口温度提高了大约450K。

其中70%是由于涡轮工作叶片和导向叶片的高效冷却设计取得的，而另外30% 应归于高温合金和铸造加工工艺的改进。

随着航空发动机技术的发展，出现了许多先进的涡轮叶片冷却技术，其发展趋势如图1所示。

提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推重比的重要手段。

在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。

为此，世界航空发动机设计与制造商研究和开发了大量的涡轮叶片冷却技术，成功地验证和应用了冲击、对流、气膜、复合冷却、铸冷和超冷等叶片技术，并且在提高涡轮进口温度（进而提高涡扇发动机的性能）方面取得了很好的效果。

图2为涡轮叶片及其内部冷却通道的形式图。

气膜孔加工技术气膜冷却技术的主要结构特点是在涡轮叶片前缘、叶身型面等部位设计了大量的气膜孔，孔径一般在0.2~0.8mm，空间角度复杂。

涡轮叶片常见故障分析与修理技术【摘要】本论文主要阐述了WP-5发动机涡轮叶片的常见故障及其修理技术，并适当介绍其它发动机修理技术。

涡轮叶片是航空发动机的主要部件，它的使用环境苛刻，数量多，几何形状复杂，材料化学成分和组织状态要求严格。

因此，制造工序多，工艺复杂；在使用过程中出现的故障直接影响到发动机的使用寿命和飞行安全。

是航空发动机检查和维修的工作重点。

关键词：涡轮叶片，常见故障，修理技术，使用寿命，飞行安全Abstract: This paper mainly expounds the common fault of WP-5 turbine blades and repair technology, and appropriate to introduce other engine repair technology. Turbine blades are the main component of aviation engine, its use in harsh environment, quantity, complex geometry, material chemical composition and microstructure of strict. Therefore, manufacturing process, complex process; fault appearing in the use process directly affect the service life of the engine and flight safety. The aircraft engine is the focus of the work of inspection and repair. Key words:Turbine blade, common failure, repair technology, the service life, flight safet y目录1 XXXX.................................................................................................................... 错误！未定义书签。

航发涡轮叶片气膜孔的磨削加工实验李潜彤;陈志同;全芳;马磊【摘要】针对目前航空发动机涡轮叶片气膜孔加工精度低和重熔层难去除的问题,提出了“电火花打孔、磨削扩孔”的新型气膜孔加工工艺,研制出小孔磨削专用微细CBN砂轮并对电火花气膜孔进行了磨削工艺实验.实验结果表明:经磨削加工后气膜孔圆度降低50.9％,孔径尺寸标准差降低90.7％,表面粗糙度降低65.9％,重熔层被全部去除,证明了航发涡轮叶片气膜孔磨削加工的可行性.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2019(049)002【总页数】5页(P86-89,94)【关键词】气膜孔;电火花;重熔层;微细CBN砂轮;磨削【作者】李潜彤;陈志同;全芳;马磊【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V261.940 引言随着航空发动机推重比的不断上升，燃烧室出口的温度也随之升高，涡轮前温度达到1 300～1 500 K，为了适应不断提高的工作温度，一方面需要不断改善材料性能，另一方面则需要采用冷却技术[1]。

在航空发动机的涡轮叶片、燃烧室、火焰筒等热端部件加工冷却气膜孔是降低零件表面温度的有效手段[2]。

涡轮叶片材料难加工，气膜孔孔径尺寸小，且多分布于曲面区域，材料和结构的变革对涡轮叶片等零件制孔技术提出无重熔层、无裂纹、无热影响区的质量要求[3-4]。

重熔层厚度影响金属表层的均匀性，微裂纹等表面缺陷增加疲劳源产生的概率，加工精度影响气膜孔的散热效率，上述三项是衡量气膜孔加工质量的重要指标[5]。

目前航空发动机气膜孔的加工工艺主要有电液束打孔、激光打孔、电火花打孔以及上述方法的复合打孔方法[6]，电液束打孔具有无重熔层、无微裂纹、无加工应力等特点，但其加工效率低，尺寸精度重复性差，距离实际工程化应用还有一定距离[7]。

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去除涂层后加工孔洞的方法在工业生产过程中，常常需要对材料进行涂层加工，以提高材料的耐磨、防腐蚀等性能。

然而，在一些特定的情况下，我们需要对涂层进行去除，以便进行后续的加工操作，例如打孔。

本文将介绍几种常见的去除涂层后加工孔洞的方法。

1. 机械去除法：机械去除法是最常见的去除涂层的方法之一。

它通过使用机械设备，如砂轮、刷子、刮刀等，对涂层进行刮削、磨削或冲击，从而去除涂层。

这种方法适用于涂层较薄、硬度较低的情况，可以快速去除涂层，但可能会对材料表面造成一定的划伤或磨损。

2. 化学去除法：化学去除法是利用化学溶剂或腐蚀剂溶解涂层的方法。

根据涂层的成分不同，选择相应的溶剂或腐蚀剂进行处理。

例如，对于有机涂层可以使用有机溶剂，如丙酮、醇类溶剂等；对于无机涂层可以使用酸性溶液，如稀硫酸、盐酸等。

化学去除法可以高效地去除涂层，但需要注意安全操作，避免对材料本身造成损害。

3. 激光去除法：激光去除法是一种非接触式的去除涂层的方法。

通过使用高能量激光束照射涂层，使其瞬间蒸发或燃烧，从而实现去除涂层的目的。

激光去除法具有高精度、无接触、无污染等优点，适用于对材料表面要求较高的情况，但设备成本较高。

4. 热剥离法：热剥离法是利用高温加热使涂层与基材发生热应力差，从而使涂层与基材分离。

常用的热剥离方法有火焰剥离法和热膨胀剥离法。

火焰剥离法是利用火焰对涂层进行加热，使其膨胀，从而与基材分离；热膨胀剥离法则是利用涂层与基材的热膨胀系数不同，加热后涂层会发生脱落。

热剥离法适用于涂层与基材之间的结合较弱的情况，可以快速去除涂层，但需要注意控制加热温度，避免对基材造成损伤。

除了上述常见的去除涂层的方法外，根据具体情况还可以采用其他方法，如电化学去除法、冷却剥离法等。

在选择去除涂层的方法时，需要考虑涂层的材料、厚度、附着力等因素，以及对材料本身的影响。

同时，在进行加工孔洞时，需要根据材料的特性选择合适的工艺和设备，以确保加工质量。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811306216.5(22)申请日 2018.11.02(71)申请人 中国航发北京航空材料研究院地址 100095 北京市海淀区北京市81号信箱科技发展部(72)发明人 张元伟　赵海生　毛唯　张学军　潘晖　程耀永　熊华平　(74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008代理人 陆峰(51)Int.Cl.B23K 1/20(2006.01)B23K 1/00(2006.01)(54)发明名称一种单晶涡轮导向叶片裂纹钎焊修复前的表面清理方法(57)摘要本发明涉及一种单晶涡轮导向叶片裂纹钎焊修复前的表面清理方法，其特征在于采用物理和化学相结合的方法去除叶片表面积碳层和渗铝层，去除裂纹表面氧化膜，为最终的钎焊修复提供洁净表面，该方法的步骤包括：(1)吹砂处理、(2)化学清洗、(3)渗铝涂层退除、(4)气相氟离子清理和(5)真空净化处理。

本发明的表面清理方法适用于表面渗铝的单晶高温合金涡轮导向叶片，经本发明清理后的叶片钎焊修复效果良好，并且修复后的叶片基体无再结晶，解决了单晶高温合金涡轮导向叶片无再结晶修复的表面清理技术难题，具有显著的创新性。

权利要求书2页 说明书6页CN 109434233 A 2019.03.08C N 109434233A1.一种单晶涡轮导向叶片裂纹钎焊修复前的表面清理方法，其特征在于采用物理和化学相结合的方法去除叶片表面积碳层和渗铝层，去除裂纹表面氧化膜，为最终的钎焊修复提供洁净表面，该方法的步骤包括：(1)吹砂处理、(2)化学清洗、(3)渗铝涂层退除、(4)气相氟离子清理和(5)真空净化处理。

2.根据权利要求1所述的一种单晶涡轮导向叶片裂纹钎焊修复前的表面清理方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)吹砂处理：采用吹砂机，对导向叶片进行吹砂处理，去除服役后叶片表面氧化皮和积碳层；用低的压力和细的砂粒对叶片进行吹砂；(2)化学清洗：采用具有加热和搅拌功能的不锈钢清洗槽，并且水槽应有水喷枪，将导向器叶片浸入盛有专用于积碳清洗的化学清洗溶液的不锈钢水槽，加热至70℃～82℃，适当搅拌，浸泡15min～60min后取出导向器叶片，用水枪冲洗；可视叶片表面情况重复清洗，重复清洗次数不超过3次；浸入热水槽漂洗，加热至66℃以上；漂洗后，用压缩空气吹干导向器表面水分，放入烘箱100℃烘至表面无水迹；(3)渗铝涂层退除：先将保护剂加热到熔融状态，再用毛刷将熔融的涂层退除用保护剂涂覆在叶片无涂层部位；将叶片浸入酸性清洗溶液中浸蚀15～30min；浸蚀后的叶片用沸水浸泡，再用加热炉焙烧，去除保护剂；(4)气相氟离子清理：将清洗后的单晶导向叶片放入气相氟离子清洗专用设备，在反应气HF和载气H2的气氛环境下，通过化学反应的方法将叶片表面尤其是裂纹内表面的氧化膜彻底清理干净，氟离子清理反应温度1050～1100℃，反应时间2～12h；清理反应完成后继续通入HF和H2至炉温降至500℃以下，停止通入HF，继续H2并通入惰性气体Ar进行反应炉和气路清洗，清理掉残留的有毒有害气体，气路清洗时间不低于30min；(5)真空净化处理：将氟离子去膜处理后的叶片放入真空炉中进行真空净化处理，处理温度1160～1220℃，真空压强低于5×10-2Pa，净化处理时间15～60min，视工艺情况可采取高温充氩保护。