[发明专利]一种消除单晶高温合金电火花制孔孔壁重熔层的方法

说明书

本发明属于航空发动机涡轮叶片特种加工技术领域，具体涉及一种消除单晶高温合金电火花制孔孔壁重熔层的方法，尤其是一种通过电加工参数控制及后续热处理工艺控制实现航空发动机单晶叶片气膜孔孔壁重熔层消除的方法。通过控制电火花加工工艺参数及冷却系统，实现高温合金外延生长，使重熔层区域与高温合金基体具有完全相同的晶体取向，其后通过热处理工艺调控重熔层区域的显微组织形貌，使其与合金基体的组织形貌一致，从而彻底消除原重熔层与合金基体间界面，以改善涡轮叶片气膜孔孔壁组织均匀性，提高抗疲劳、抗蠕变性能。本发明简单易行，特别适用于单晶涡轮叶片大规模批量化生产，为孔壁无重熔层的高品质气膜冷却孔制备提供技术解决方案。

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片特种加工技术领域，具体涉及一种通过电加工参数控制及后续热处理工艺控制实现航空发动机涡轮叶片气膜孔孔壁重熔层消除的方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机重要热端部件，其可靠性与稳定性对于发动机整机安全性至关重要。为提高发动机工作效率，需相应提高涡轮前温度，但目前先进航空发动机涡轮叶片服役在超过其熔点的温度，主要通过两种冷却方式：一、在叶身表面制备热障涂层，隔绝高温燃气对叶身的直接冲击；二、空心叶片叶身制备气膜冷却孔，结合内腔通入的冷却气流在叶身表面形成包覆的气膜。而密布的冷却微孔严重破坏了叶身表面完整性，当孔壁质量较差时，易在气膜孔孔壁萌生裂纹，进而导致叶片断裂失效。

电火花加工是目前应用最广泛、技术最成熟的制孔工艺，通过在旋转电极丝与工件间进行脉冲性放电蚀除金属，属于典型的热熔加工方式，无可避免地在气膜孔孔壁形成重熔层。传统观点认为重熔层是金属去除过程中加工部分表面熔化形成再结晶，而单晶高温合金由于缺少晶界强化元素，重熔层的再结晶晶界强度较弱，在长期服役过程中易萌生疲劳裂纹。另一方面，重熔层为激冷组织，其内部不存在Ni3(Al,Ti)等析出相，因此相比于合金基体组织的持久、蠕变性能差异较大。因此，探索一种孔壁无重熔层的气膜孔制备工艺方案，是目前涡轮叶片精密加工领域亟需解决的问题。

电液束加工属于电化学腐蚀方法，属于非热熔加工方式，孔壁虽然无重熔层，但存在电化学腐蚀层，且γ相与γ’相电化学势的差异导致孔壁粗糙度较差，叶片长期服役过程中可能诱发孔壁疲劳裂纹的形成。同时，电液束加工效率极低，不适用于工业批量化生产。超快激光加工的单脉冲持续时间小于晶格热扩散所需时间，可实现真正意义上的“冷加工”，但该设备成本较高，维护保养操作复杂，加工效率低于电火花加工，同样无法满足大批量涡轮叶片生产需求。

磨粒流是去除孔壁重熔层的较为成熟的工艺，但该工艺易伤害叶片本体，且当初始状态气膜孔孔径不一致时，磨粒流对于孔径较大的气膜孔去除效率更高，而对于孔径较小的气膜孔去除效率较低，导致加工后孔径一致性较差。为满足高品质涡轮叶片批量化的研制生产需求，需提出一种简单易行的、孔壁零重熔层的气膜孔加工工艺方案。

发明内容

本发明的目的在于针对电火花加工涡轮叶片气膜孔孔壁重熔层问题，提供一种通过电加工工艺控制与后续热处理相结合的工艺方案，进而获得孔壁零重熔层的高品质气膜孔，从而提高涡轮叶片可靠性与安全性，降低高品质涡轮叶片气膜孔加工成本。

孔壁单晶态电火花加工工艺确认流程见附图1，热处理工艺流程见附图2，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)：对电火花小孔机工作液系统加装水温调节控制器，实现工作液温度在0-20℃范围内连续可调；

步骤(2)：选取可达到如下参数范围指标的电火花小孔机电源系统：电流：3-5A，脉宽：2-6μs，脉停：5-30μs，伺服电压：15V-150V；

步骤(3)：选取可达到如下加工工艺参数范围指标的电火花加工控制系统：电极丝转速60-150r/min，进给速率0.1-1mm/s，内冲液压力4-20MPa；