鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層化學研磨的實驗研究

遲長泰，謝玉江，葉　威，藺　增

（1.中國科學院金屬研究所，沈陽110016；2.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽110014）

鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層化學研磨的實驗研究

遲長泰1，謝玉江1，葉威1，藺增2

（1.中國科學院金屬研究所，沈陽110016；2.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽110014）

研究了鎳基高溫合金DZ125激光再鑄層組織特征、電化學腐蝕行為，并分析了再鑄層化學研磨的優(yōu)化條件，測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構，且強化相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?；瘜W研磨溶液保溫在60℃以上、濃度在90%以上時，再鑄層的化學研磨高效可靠，研磨后基體表面光滑，無明顯腐蝕發(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；化學研磨；研磨溶液；電化學；熱疲勞

milling solution；elctrochemistry；thermal fatigue

1　引言

鎳基高溫合金是航空發(fā)動機渦輪葉片和導向器等熱端部件的主要材料，工作在高溫和高應力條件下。為提高其承載溫度與載荷能力，葉片與熱端部件均發(fā)展為氣膜孔冷卻結構，其內(nèi)部氣流型腔通過精鑄而成，氣膜孔通過在基體上打孔加工而成，用傳統(tǒng)的機械方法已無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、效率高、成本低及綜合技術經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，而被廣泛應用于航空工業(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，會嚴重影響葉片的強度與疲勞壽命［10-13］，從而威脅著整個發(fā)動機的安全可靠性。

目前，工業(yè)上主要采用磨粒流式去除再鑄層，但該工藝對于深孔、斜孔及小孔周圍的再鑄層不能有效去除，且易損傷孔內(nèi)壁。由于機械研磨方法的局限性，近年來出現(xiàn)的激光輔助噴射加工［14］、化學輔助激光加工［15］、噴射液束電解-激光復合加工［16］等技術，對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用。

研究發(fā)現(xiàn)，化學研磨去除再鑄層工藝較為經(jīng)濟可靠，易在工程上開展應用［4，17-18］，但公開文獻中未發(fā)現(xiàn)關于化學研磨去除再鑄層的具體工藝研究的報道。因此，研究再鑄層在化學研磨溶液中的溶解動力學規(guī)律，掌握研磨工藝中溶液高效可靠的溫度和濃度，表征化學研磨對合金基體熱疲勞性能影響，對于化學研磨工藝工程應用具有重要意義。本文采用航空發(fā)動機零部件廣泛應用的鎳基高溫合金DZ125，將合金表面進行激光重熔形成再鑄層，通過對激光再鑄層組織結構的分析、腐蝕行為的測定，以及從研磨溶液溫度和濃度兩個方面對再鑄層化學研磨進行溶解動力學實驗，進而不斷優(yōu)化再鑄層的化學研磨工藝條件，最終為指導再鑄層化學研磨工藝及評價再鑄層腐蝕性能積累數(shù)據(jù)。

2　實驗材料及方法

實驗材料為鎳基高溫合金DZ125，其主要化學成分見表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)對試樣表面進行重熔處理，制備的激光再鑄層見圖1。激光波長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，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研磨溶液中進行浸泡實驗。實驗所用化學研磨溶液由CuSO4、HNO3、HCl、FeCl3和蒸餾水配制，所用化學藥品均為分析純。首先，浸泡實驗在不同溫度（75℃、60℃、45℃）下進行，使用恒溫水浴保溫。其次，在上一實驗得出較為高效研磨的溫度下，稀釋化學研磨溶液（濃度100%、90%、80%）進行浸泡研磨實驗。

本文的浸泡實驗的表征方法為稱重法。浸泡實驗試樣分為8組，每組6個（包含1個基材試樣），在同一條件下采用3個平行試樣測試，浸泡前后失重取平均值。每個樣片做上標號，浸泡前用梅特勒-托利多XS105DU電子天平稱重；浸泡實驗過程中，每隔一段時間（15 min）取出1個樣品，記下標號，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后稱重。

同時，通過熱疲勞試驗表征化學研磨對合金基材熱疲勞性能的影響。熱疲勞性能試驗的試樣尺寸為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個試樣。其中一組采取化學研磨去除激光再鑄層，另一組作為對比試樣不研磨。利用全自動熱疲勞試驗機進行實驗，（900±10）℃×55 s+（25±5）℃×5 s為一個循環(huán)，共循環(huán)100次，實驗后觀察孔周圍的組織形貌。

采用荷蘭FEI-Inspect F50場發(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。電化學實驗采用Gamry公司的Interface 1000電化學工作站及三電極體系。常壓下測試在傳統(tǒng)電解池中進行，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成分（質(zhì)量分數(shù)）　%Table 1 The chemical composition of DZ125 nickel base superalloy（mass fraction）

3　試驗結果與分析

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合金主要由樹枝晶結構組成（圖2（a）），其中在合金γ基材內(nèi)析出大量的塊狀強化相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?？梢?，DZ125合金激光再鑄層中有較多的微裂紋，且微裂紋貫穿整個再鑄層，部分稍延伸到合金基體。再鑄層主要為枝晶組織結構，枝晶平均間距為5 μm，晶粒較基體明顯細化，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、激光再鑄層在化學研磨溶液中的動態(tài)極化曲線?？梢姡す庠勹T層出現(xiàn)多個自腐蝕電位——這樣的體系不能發(fā)生自鈍化過程［19］，鈍化保護性能差，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。同時對極化曲線進行擬合，擬合結果見表2?？梢?，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研磨溶液中的腐蝕速率較快，而合金基材的鈍化保護能力較好，這樣為化學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溶解動力學測試

為進一步研究實際生產(chǎn)中化學研磨工藝的優(yōu)化

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

條件，進行了溶解動力學測試。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間的變化曲線?？梢姡煌瑴囟认赂g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間的增加，腐蝕產(chǎn)物大量產(chǎn)生且堆積越來越多，使腐蝕介質(zhì)滲入試樣內(nèi)部的阻力越來越大，從而產(chǎn)生位阻效應，阻止了腐蝕的進一步進行［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)，隨著化學研磨時間的增加，再鑄層的厚度逐漸減??；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0.1%。這表明激光熔凝試樣浸泡實驗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研磨動力學曲線Fig.5 The kinetics curves for recast layer chemical milling with different temperature

當化學研磨溶液保溫在75℃時，45～60 min之間進入一個幾乎零失重的階段，60～90 min之間又開始較慢的腐蝕失重。圖6、圖7分別為化學研磨溶液保溫在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，無明顯晶界腐蝕發(fā)生。這表明化學研磨溶液保溫在75℃時，能在60 min基本完成再鑄層去除。

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

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

根據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)要求，為避免合金基材過重腐蝕，化學研磨工藝的時間要求在4 h內(nèi)?？紤]溫度因素對再鑄層化學研磨的影響，分別對在75℃、60℃、45℃下化學研磨再鑄層的時間進行分析擬合，得出三者分別需時約為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，可見溫度從60℃升高到75℃時再鑄層溶解去除平均速度大大提高。這表明當化學研磨溫度在60℃以上時，再鑄層的化學研磨較為高效，且對基體損傷較小。

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間的變化曲線?？梢姡煌瑵舛认赂g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。隨著化學研磨時間的增加，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0.1%。根據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟要求，考慮研磨溶液濃度對再鑄層化學研磨的影響，分別對溶液濃度100%、90%、80%下化學研磨再鑄層的時間進行分析擬合，得出三者分別需時為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，無明顯晶界腐蝕發(fā)生，保證了化學研磨去除再鑄層的良好進行。

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

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

3.4再鑄層化學研磨對基體的影響

圖9為化學研磨前后激光孔周圍的微觀形貌。化學研磨前，如圖9（a）、（b）所示，孔周圍有很多飛濺物，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)化學研磨后的孔周圍再鑄層完全去除，孔內(nèi)壁變得光滑且無裂紋，表面析出致密的強化相γ′相，孔的內(nèi)徑略有增大，同時研磨后的DZ125合金基材表面沒有發(fā)生明顯的晶界腐蝕。

為進一步研究化學研磨對基體的影響，對激光打孔試樣進行熱疲勞實驗。圖10為激光孔化學研磨前后熱疲勞實驗后的微觀形貌?？梢姡唇?jīng)化學研磨的孔周圍的再鑄層發(fā)生少量脫落，孔周圍及內(nèi)部出現(xiàn)較多裂紋，且部分裂紋縱深到合金基材內(nèi)部，長度達100～200 μm；而經(jīng)化學研磨處理后的孔周圍沒有出現(xiàn)明顯裂紋，且孔內(nèi)壁依然光滑，沒有裂紋出現(xiàn)。這表明化學研磨能有效去除DZ125合金激光再鑄層，從而避免激光再鑄層中裂紋等缺陷對合金基材熱疲勞性能的影響。

圖10　激光孔化學研磨前后熱疲勞實驗后的微觀形貌Fig.10 Microstructures after thermal fatigue experimental before and after laser chemical milling

4　結論

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

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

（3）化學研磨后的DZ125合金基體表面光滑平整，無明顯晶界腐蝕，析出致密的強化相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

國家自然科學基金（51301182）

遲長泰（1987-），男，山東煙臺人，碩士，研究方向為激光表面改性、金屬材料表面強化與修復再制造。