Способ проявления структуры монокристаллических суперсплавов

Изобретение относится к проявлению структуры монокристаллических суперсплавов. Способ содержит этап микрографического химического травления и этап электролитического травления в ванне, содержащей фосфорную кислоту и по меньшей мере одну слабую кислоту. Способ позволяет производить более простой и эффективный контроль изделий из суперсплавов, включая суперсплавы, содержащие рений и/или рутений. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к проявлению структуры монокристаллических суперсплавов.

Уровень техники

Широко известно использование жаростойких металлических сплавов, и в частности, монокристаллических суперсплавов, для изготовления изделий, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию повышенных температур. Это в особенности относится к деталям газовых турбин, таким как нерегулируемые и регулируемые лопатки турбореактивных двигателей.

Изделия из монокристаллического суперсплава, такие как упомянутые лопатки, изготавливают литьем с контролем процесса затвердевания.

Контроль получаемых в литейном производстве изделий необходим для выявления случайных дефектов, таких как включения или трещины, которые могут влиять на механическую прочность изделий при эксплуатации.

Для осуществления такого контроля известен способ макрографического травления поверхности изделий в кислой ванне. Используемая в настоящее время ванна представляет собой ванну, содержащую ионы хлорида, в частности ванну, содержащую соляную кислоту и перхлорид железа в водном растворе.

Заявителем установлено, что обработка с помощью этой ванны теряет свою эффективность применительно к определенным типам суперсплавов, в особенности суперсплавов на основе никеля, содержащих такие элементы, как рений или рутений. Однако использование таких суперсплавов может оказаться необходимым для того, чтобы можно было увеличить допускаемые эксплуатационные температуры и повысить кпд турбореактивных двигателей.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа проявления структуры, который позволяет производить более простой и эффективный контроль изделий из суперсплавов, включая суперсплавы, содержащие такие элементы, как рений и рутений.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания способа, который содержит этап макрографического травления, сопровождающийся согласно изобретению этапом "отбеливания" посредством электролитического травления с помощью ванны, содержащей по меньшей мере фосфорную кислоту и слабую кислоту.

Слабую кислоту выбирают, например, из уксусной кислоты, винной кислоты и лимонной кислоты.

Связь со слабой кислотой позволяет компенсировать избирательное воздействие травления фосфорной кислотой на определенные компоненты суперсплава. Слабая кислота, такая как уксусная или другая кислота, оказывает воздействие на другие компоненты, в особенности никель, который является обычно основой суперсплавов.

Ванна может дополнительно содержать компонент, способный придать равномерность скорости растворения в процессе электрохимического травления. Таким компонентом может быть, например, вторичный спирт, такой как гликоль.

Согласно особенности изобретения предварительный этап макрографического травления осуществляют в оптимальном варианте химическим в классической кислой ванне, содержащей ионы хлорида и перхлорид железа. Выполнение такого предварительного этапа применительно к суперсплавам, которые содержат рений и/или рутений, вызывает почернение изделия за счет стойкого образования на поверхности оксида рения и/или рутения. Выполняемое вслед за ним электрохимическое травление в соответствии с изобретением позволяет отбелить или очистить поверхность посредством удаления указанных оксидов. После этого можно легко произвести визуальный контроль изделия. Осуществление этих двух видов химического и электрохимического травления одного за другим позволяет получить комбинированное воздействие двух ванн на различные элементы суперсплавов.

Использование электрохимического способа позволяет повысить реакционную способность, в особенности применительно к суперсплавам на основе никеля, обогащенных таким элементами как Re или Ru. Изделие из суперсплава погружают в ванну. Его помещают на анодной стороне напротив специального катода, который имеет соответствующую форму для получения равномерного распределения линий тока на изделии.

Перечень чертежей

Не являющиеся ограничивающими примеры осуществления настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает фотографию, демонстрирующую эффективность способа по изобретению в отношении отбеливания поверхности изделия из монокристаллического суперсплава в целях его визуального контроля,

фиг.2 изображает пример выполнения установки для осуществления способа в соответствии с изобретением, и

фиг.3 изображает лопатки, присоединенные к анодам установки по фиг.2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изобретение предназначено в особенности для проявления структуры изделий из монокристаллических суперсплавов, содержащих рений и/или рутений.

Монокристаллические суперсплавы этого типа на основе никеля, предназначенные в особенности для изготовления лопаток турбореактивных двигателей, описаны в патентном документе Франции №9808693. Они имеют следующий состав по массе: от 3,5 до 7,5% Cr, от 0 до1,5% Мо, от 1,5 до 5,5% Re, от 0 до 5,5% Ru, от 3,5 до 8,5% W, от 5 до 6,5% Al, от 0 до 2,5% Ti, от 4,5 до 9% Та, от 0,08 до 0,12% Hf, от 0,08 до 0,12% Si; остальную массу составляют никель и случайные примеси.

Согласно особому примеру осуществления изобретения способ проявления структуры для изделия из монокристаллического суперсплава содержит следующие этапы:

- изделие подвергают макрографическому химическому травлению в первой кислой ванне, содержащей в соответствии с классическим способом ионы хлорида, производят промывку изделия,

- изделие сушат сжатым воздухом,

- изделие подвергают второму травлению электрохимическим путем во второй кислой ванне, содержащей в соответствии с изобретением фосфорную кислоту и по меньшей мере одну слабую кислоту,

- производят промывку изделия, и

- производят заключительную сушку изделия, после чего оно становится пригодным для визуального контроля с целью выявления случайных дефектов изготовления.

Первое химическое травление может осуществляться посредством ванны, содержащей соляную кислоту и раствор перхлорида железа в воде. Содержание по массе соляной кислоты и перхлорида железа может составлять, например, соответственно, от 70 до 80% и от 5 до 10%, остальную массу составляет вода.

Травление производят путем погружения изделия в ванну с температурой примерно от 50 до 70°С на период времени от 15 до 30 мин. Разумеется, обработке могут подвергаться сразу несколько изделий.

После промывки изделия в деионизированной воде производят второе травление электрохимическим в кислой ванне, содержащей в соответствии с изобретением фосфорную кислоту и по меньшей мере одну слабую кислоту. В оптимальном варианте в качестве последней выбирают уксусную кислоту, винную кислоту или лимонную кислоту. Может быть добавлен дополнительный компонент для выполнения функции смягчения химического травления. Для этого можно использовать вторичный спирт.

В качестве примера объемное содержание различных компонентов ванны может быть следующим: от 30 до 80% фосфорной кислоты, от 3 до 15% слабой кислоты, такой как уксусная кислота, и от 0 до 15% вторичного спирта; остальной объем составляет вода.

Погруженное в ванну изделие связано с анодом и окружено катодом. Форму катода выбирают в зависимости от формы изделия таким образом, чтобы обеспечить как можно более равномерное распределение эквипотенциальных линий электрического тока в ванне, а следовательно, и на самом изделии с целью его равномерной обработки. Плотность анодного тока относительно высока и составляет, например, от 10 до 60 А/дм². Продолжительность электрохимического травления может быть относительно небольшой, - например, от 1 до 5 мин.

Пример 1

Стержень из монокристаллического суперсплава на основе никеля по типу, определенному в упомянутом выше патентном документе Франции 9808693, с содержанием рения и рутения, подвергали обработке следующим образом:

- первое макрографическое химическое травление в кислой ванне, содержащей по массе 77% соляной кислоты, 7; перхлорида железа и 16% воды, при температуре 55°С в течение 20 мин;

- промывка деионизированной водой;

- сушка сжатым воздухом;

- второе травление электрохимическим путем части стержня, погруженной в кислую ванну, содержащую по объему примерно 60% фосфорной кислоты, примерно 10% уксусной кислоты, примерно 5% гликоля и воду в доле остального объема; погруженную часть устанавливали на анодной фазе и окружали цилиндрическим катодом в виде листа из нержавеющей стали; травление проводили в течение 2 мин.

- промывка в дистиллированной воде;

- сушка в потоке горячего воздуха.

На фиг.1 показан стержень после обработки, причем его верхняя часть обработана только химическим травлением, а нижняя часть - последующим вторым электрохимическим травлением.

Поверхность верхней части почернела за счет присутствия оксидов рения и рутения, что делает визуальный контроль трудным и даже невозможным.

Поверхность нижней части, очищенная ("отбеленная") в процессе второго электрохимического травления, позволяет ясно видеть случайные дефекты изготовления. На фотографии по фиг.1 они видны как включения более темного цвета.

Пример 2

Поступившие из литейного производства лопатки из монокристаллического суперсплава на основе никеля по типу, определенному в упомянутом выше патентном документе Франции 9808693, с содержанием рения и рутения, подвергали обработке способом, описанным в примере 1. Отличие состояло в том, что лопатки подвергали второму, электрохимическому травлению целиком, полностью погружая их в кислую ванну.

Использовали установку по фиг.2, позволяющую одновременно обрабатывать две лопатки.

Эта расположенная в баке установка содержит два анода 10, 12, укрепленные на общей опоре 14, которая соединена стойкой 16 с внешним источником питания (не представлен). Узел изготовлен из нержавеющей стали. Аноды выполнены в виде стержней с изогнутыми свободными концами 10а, 12а, которые могут быть упругодеформированы посредством сжатия.

Для каждого изделия предусмотрен катод 20, 22. Катоды выполнены по существу цилиндрическими. Они изготовлены из нержавеющей стали и имеют на стенках множество отверстий 24. Катоды соединены друг с другом и укреплены на концах двух стоек 26, 28, также изготовленных из нержавеющей стали. Стойки 26, 28 связаны с внешним источником питания (не представлен).

Стойка 16 может смещаться по стрелке F для установки анодов в положение, в котором они окружены катодами.

На фиг.3 представлена часть установки по фиг.2 с двумя лопатками 30, 32, установленными на анодах. Опоры для лопаток и электрический контакт с ними обеспечиваются путем сжатия анодов и их ввода во внутренние каналы лопаток. Разумеется, могут быть использованы различные средства установки в зависимости от формы и возможностей, которые предоставляют подлежащие обработке изделия.

После установки лопаток катоды устанавливают в положение окружения лопаток и весь узел погружают в кислую ванну. Размеры и форма катодов были специально выбраны такими, чтобы они окружали лопатки примерно с постоянным зазором, - например, около 30 мм. За счет этого было получено хорошее распределение линий тока в ванне, позволившее произвести относительно равномерную обработку поверхностей лопаток.

Отверстия 24 катодов способствуют отводу выделяемых газов (O₂) и сдерживают нагрев ванны вследствие эффекта Джоуля за счет того, что пространство между взаимодействующим анодом и катодом не является замкнутым.

Электрохимическое травление проводили при условиях Примера 1 при анодной плотности тока, примерно равной 30 А/дм². По истечении 2 минут электрохимического травления лопатки вынули из ванны, промыли и высушили. Была получена светлая наружная поверхность лопаток, позволяющая ясно видеть случайные дефекты изготовления.

Описанная установка позволяет одновременно обрабатывать два изделия. Очевидно, что подобные установки можно использовать для обработки одного изделия или большего числа изделий.

1. Способ проявления структуры изделий из монокристаллического суперсплава, содержащий этап макрографического химического травления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит последующий этап электрохимического травления в ванне, содержащей фосфорную кислоту и по меньшей мере одну слабую кислоту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слабую кислоту выбирают из уксусной кислоты, винной кислоты и лимонной кислоты.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что используют ванну, дополнительно содержащую вторичный спирт.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что вторичный спирт представляет собой гликоль.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что используют ванну, содержащую по объему от 30 до 80% фосфорной кислоты, от 3 до 15% слабой кислоты и от 0 до 15% вторичного спирта.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что изделие погружают в ванну присоединенным к аноду и окруженным катодом.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют катод, форма которого приспособлена к форме изделия таким образом, чтобы между ними был образован, по существу, постоянный зазор.

8. Способ по любому из пп.2-7, отличающийся тем, что используют катод перфорированный.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что этап электрохимического травления осуществляют в течение времени от 1 до 5 мин.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что этап макрографического химического травления осуществляют посредством погружения в ванну, содержащую ионы хлорида и перхлорид железа.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что его используют для визуального контроля лопаток турбореактивных двигателей из монокристаллического суперсплава, содержащего рений и/или рутений.