[发明专利]一种DZ40M钴基高温合金零件表面及裂纹内部氧化膜绿色去除方法

说明书

本发明公开了一种DZ40M钴基高温合金零件表面及裂纹内部氧化膜绿色去除方法，将待去除氧化膜的零件放置在反应室中，反应室抽真空，并逐步升温；升温时，先通入氩气（Ar），当升温至760℃时，通入氢气（H₂），升温至1040℃左右后进行保温、保压；随后控制反应室压力造负压、常压和正压状态循环变化，反应室处于不同压力状态时，其内均持续通入氟化氢（HF）和H₂进行清洗；之后，按设定的时间持续通入H₂清洗管道；最后，将反应室压力降到133 mbar以下，在30 min±10 min内，将反应室温度升到1125℃±15℃，在该温度和压力下保温60 min±10 min，本发明能够有效去除零部件表面及裂纹内部、小孔、凹槽等难以清洗部位的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物等化合物，清洗前后无需任何处理。

技术领域

本发明涉及航空维修技术领域，尤其涉及一种DZ40M钴基高温合金零件表面及裂纹内部氧化膜绿色去除方法。

背景技术

DZ40M合金是在美国X40的基础上，通过添加微量元素和采用定向凝固工艺发展而成的一种定向凝固钴基高温合金。合金具有优良的抗热疲劳性能、抗氧化及耐腐蚀性能；具有良好的持久、蠕变、疲劳等综合力学性能。组织稳定，定向凝固工艺性能良好，无缺口敏感性。由于钴资源缺乏，该合金使用受限，典型应用为某航空发动机1050℃以下工作具有复杂内腔的气冷空心导向叶片。

涡轮导向叶片主要承受高温燃气的气动负荷和气流脉动引起的振动负荷。由于温度场不均匀，随着发动机瞬态温度急剧变化，涡轮导向叶片内产生很大的热应力和热应变，导致热疲劳裂纹萌生、扩展损伤。在裂纹内部会产生化学稳定的热氧化物，这些热氧化物主要是铝、钛、铬和它们的混合氧化物。

定向凝固钴基高温合金的高温强度普遍没有定向凝固镍基高温合金的高，但其高温塑性好，裂纹扩展速率较低，这是定向凝固钴基高温合金得以在高温低应力条件下应用的主要原因之一。某发动机DZ40M合金叶片服役后，裂纹损伤率达100％，主要损伤包括叶身基体及冷却孔周边裂纹、排气边裂纹、上/下缘板裂纹等，且导向器叶片的裂纹主要是热疲劳裂纹，裂纹易于沿DZ40M合金基体内的晶间脆性碳化物相萌生和扩展，在主裂纹扩展的同时还伴随有二次裂纹。

涡轮组件非常昂贵，其更换成本较高，修复是一个节约成本的有效方法。但是在修复时，这些复杂成分所形成的金属氧化物、硫化物等紧密附着在缺陷部位，阻碍了零件的修复。如果在钎焊和涂层修复过程中，修理界面的残余氧化物等未清理干净，将会显著降低焊接强度、涂层材料与金属基体之间的结合力，留下安全隐患。因此，在修复之前清洗导向叶片，去除表面尤其是裂纹内部氧化物，对叶片的成功修复非常重要。

氢光亮退火是一种比较传统的清洗方法，它是在1200℃通入干燥氢气(H₂)通过还原反应来除去金属零件上的氧化物。这种方法在传统的不锈钢、镍和钴基合金(不含氧元素)上应用较好，但是对于含Al、Ti和Cr元素较高的高温合金，单凭这一种方法无法清洗干净，因为这几种元素易于形成氧化物且其氧化物非常稳定。所以，需要添加活性更强的气体，使该方法能够应用于Al、Ti和Cr元素较高的高温合金。

氟化铬处理技术，通用电气的Wein和Young发现在700℃下通入氢气时，加热氟化铬会还原氟离子，将涡轮组件和氟化铬放入反应容器中，涡轮组件就会被清洗。该技术已投入使用很多年，但最终还是因为难以精确控制氟化铬的沉积物，导致清洗结果不稳定而被淘汰。同时会在零件表面产生松孔状的铬金属沉积，这就要求在清洗后喷砂去除沉积物。此外，如果没能精确控制沉积物温度，沉积物有可能快速地释放出气体，导致排气系统过载，从而发生容器封口破裂，造成大量危险气体泄漏。

碳氟化合物清洗技术，代顿大学的Chasteen在美国空军材料研究所的赞助下成功地用在氢气下分解碳氟化合物得到的氟化物来清洗涡轮组件。该技术作为代顿大学的成果也投入了使用。但是技术没有规律，很难控制并需要进行2次循环和一次热真空循环才能得到合格结果。由于花费太高，结果也不稳定，该技术最终被停用。