一種鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱處理領(lǐng)域，具體為一種鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要熱端部件，在工作條件下其表面 存在高溫氧化腐蝕現(xiàn)象，尤其是葉片的內(nèi)腔腐蝕與氧化已成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)技術(shù)難 題。為了提高葉片的可靠性和延長(zhǎng)葉片使用壽命，高導(dǎo)葉片內(nèi)外流道表面同時(shí)采用了高溫 防護(hù)技術(shù)，即在高導(dǎo)葉片外流道表面制備深度為〇· 〇2mm~0· 055mm的滲鋁層，內(nèi)腔制備 0. 01mm~0. 035mm的滲鋁層。高導(dǎo)葉片采用的是綜合力學(xué)性能好的DZ40M鈷基鑄造高溫合 金，該合金與鋁元素結(jié)合形成以鈷鋁相為主的表面滲層，能夠起到良好的抗高溫氧化和抗 腐蝕作用。
[0003] 鋁防護(hù)滲層可以通過(guò)多種方法制備，如：固體法、氣體法、料漿法、化學(xué)氣相沉積 法。固體法是將需要涂覆的零件置于容器內(nèi)，容器用粉狀混合物填充。固體法簡(jiǎn)單，無(wú)須使 用復(fù)雜的夾具和設(shè)備，主要是用以制取沒(méi)有氣孔和沒(méi)有剝落缺陷的高質(zhì)量均勻涂層。料漿 法是涂層材料以料漿形式，即以金屬氧化物粉末或其他化合物粉末的濃縮懸浮液的形式， 噴涂在零件表面上，然后在高溫下燒結(jié)。料漿法生產(chǎn)效率高，但是也無(wú)法用于帶有內(nèi)腔的零 件。氣體法和化學(xué)氣相沉積法均是用氣體法制取涂層，先制成含飽和元素的氣態(tài)化合物，然 后將其輸送給零件，經(jīng)過(guò)熱分解反應(yīng)、還原反應(yīng)、歧化反應(yīng)或其他輸氣反應(yīng)而沉淀出飽和元 素的原子，形成涂層。氣體法與化學(xué)氣相沉積方法在原理上是一致的，但是氣體法不可控， 而且滲層深度較淺。而最新研究的化學(xué)氣相沉積（CVD)是將反應(yīng)氣體直接通入設(shè)備中，通 過(guò)借助擴(kuò)散和對(duì)流進(jìn)入零件內(nèi)腔氣冷通道和小孔中的反應(yīng)氣體與灼熱的零件內(nèi)表面進(jìn)行 化學(xué)反應(yīng)，在內(nèi)腔表面生成沉積或擴(kuò)散型防護(hù)涂層，特別適合于導(dǎo)向葉片組合件氣冷內(nèi)腔 防護(hù)涂層的制備，國(guó)內(nèi)化學(xué)氣相沉積工藝剛剛起步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，采用化 學(xué)氣相沉積方法在鈷基高溫合金葉片上制備鋁化物滲層，能夠在復(fù)雜空心葉片內(nèi)外表面同 時(shí)制備防護(hù)滲層，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)要求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，在鈷基合金葉片的內(nèi)腔及外流 道表面同時(shí)制備滲鋁層，具體步驟如下：
[0007] (1)將鋁顆粒平鋪于反應(yīng)器中；
[0008] (2)對(duì)鈷基合金葉片待沉積涂層部位進(jìn)行水吹砂處理，去除表面氧化層；
[0009] (3)將鈷基合金葉片放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%水基清洗劑溶液中，使用超聲波 清洗機(jī)超聲波清洗20~30min后，用清水漂洗干凈，無(wú)水乙醇脫水、電吹風(fēng)機(jī)吹干；
[0010] (4)將鈷基合金葉片裝于夾具上，將裝有鈷基合金葉片的夾具置于化學(xué)氣相沉積 設(shè)備的反應(yīng)室工位上；
[0011] (5)將加熱爐升溫至1000~1KKTC，反應(yīng)室真空度為80~120mbar，反應(yīng)器溫度 200~400°C，向反應(yīng)器內(nèi)通入氏，H2氣體流量為20~40L/min，消除葉片表面氧化物污染層 并保證爐溫均勻性，通入HC1氣體與內(nèi)置發(fā)生反應(yīng)器和外置發(fā)生反應(yīng)器中的鋁顆粒反應(yīng)， HC1氣體流量為0. 5~2L/min，生成活性的A1C13前驅(qū)體，然后在載氣Η2的輸送下到反應(yīng)室 內(nèi)與葉片基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積涂層的時(shí)間為4h~5h;
[0012] (6)移開(kāi)加熱爐，將鼓風(fēng)機(jī)罩在反應(yīng)器上方，通氏和N2冷卻，設(shè)定N2氣流量20L/ min~40L/min，移開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)和反應(yīng)器，從工位上取下鈷基合金葉片。
[0013] 所述的鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，鈷基合金葉片的化學(xué)成分和 重量百分比為：〇· 43 ~0· 55%C、24. 5 ~26. 5%Cr、9. 5 ~11. 5%Ni、7 ~8%W、0. 6 ~ 1. 2%A1、其余為Co。
[0014] 所述的鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，反應(yīng)器分別為反應(yīng)室外置發(fā) 生反應(yīng)器和反應(yīng)室內(nèi)置發(fā)生反應(yīng)器，通過(guò)反應(yīng)室內(nèi)置發(fā)生反應(yīng)器在鈷基合金葉片的內(nèi)腔制 備滲鋁層，同時(shí)通過(guò)反應(yīng)室外置發(fā)生反應(yīng)器在鈷基合金葉片的外流道表面制備滲鋁層。
[0015] 所述的鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，鈷基合金葉片的外流道表面 滲錯(cuò)層深度為0. 020mm~0. 055mm，內(nèi)腔滲錯(cuò)層深度為0. 010mm~0. 035mm。
[0016] 所述的鈷基合金葉片內(nèi)腔及外表面滲鋁的工藝方法，經(jīng)過(guò)滲鋁后，滲鋁層分兩層， 外層表面鋁濃度達(dá)到24wt%~28wt%，擴(kuò)散層表面鋁濃度9. 8wt%~13wt%。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：
[0018] 1、本發(fā)明方法能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)制造要求，高導(dǎo)葉片外流 道表面滲錯(cuò)層深度為0. 020mm~0. 055mm，內(nèi)腔滲錯(cuò)層深度為0. 010mm~0. 035mm。米用化 學(xué)氣相沉積滲鋁防護(hù)葉片表面效果顯著，葉片抗氧化能力比基體提高2倍，抗腐蝕性能提 高2倍，延長(zhǎng)了葉片的使用壽命。
[0019] 2、本發(fā)明方法采用特定的化學(xué)氣相沉積鋁的工藝參數(shù)（包括沉積溫度、時(shí)間、反 應(yīng)氣體分壓配比壓力、真空度），能夠顯著提高DZ40M鈷基高溫合金的抗氧化、抗腐蝕性能， 特別適用于長(zhǎng)期工作在高溫、腐蝕環(huán)境下具有復(fù)雜內(nèi)腔的葉片類零件。該方法可應(yīng)用于航 空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片的研制、生產(chǎn)，也可推廣到其他燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片類 零件，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1 (a)_圖1 (b)為DZ40M鈷基合金高導(dǎo)葉片外表面及內(nèi)腔滲鋁層截面形貌。其 中，圖1 (a)為外腔；圖1 (b)為內(nèi)腔。
[0021] 圖2(a)-圖2(d)為滲鋁層外層及擴(kuò)散層形貌和能譜。其中，圖2(a)為滲鋁層外 層及擴(kuò)散層形貌；圖2(b)為涂層區(qū)能譜；圖2(c)為擴(kuò)散區(qū)能譜；圖2(d)為基體能譜。
[0022] 圖3(a)-圖3(b)為滲鋁層外表面形貌和能譜。其中，圖3(a)為滲鋁層外表面形 貌；圖3(b)為滲鋁層外表面能譜。
[0023] 圖4為空白以及滲鋁后的DZ40M合金1000°C氧化動(dòng)力學(xué)曲線。圖中，橫坐標(biāo)Weight gain為增重（g);縱坐標(biāo)h為時(shí)間（h)。
[0024] 圖5為空白以及滲鋁后的DZ40M合金900°C熱腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線。圖中，橫坐標(biāo) Weightgain為增重（g);縱坐標(biāo)h為時(shí)間（h)。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 在具體實(shí)施過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片由DZ40M鈷基鑄造合金制造，是航 空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要熱端部件，工作環(huán)境較為苛刻，為提高葉片內(nèi)外表面的抗氧化和抗腐蝕性 能，高導(dǎo)葉片外流道表面采用了高溫防護(hù)技術(shù)，即在高導(dǎo)葉片的內(nèi)腔及外流道表面同時(shí)制 備滲鋁層，根據(jù)需要在外流道表面再涂覆一層熱障涂層，以提高葉片可靠性及使用壽命。
[0026] 本發(fā)明所述高壓渦輪導(dǎo)向葉片基體材料為定向凝固鑄造DZ40M鈷基高溫合金，其 化學(xué)成分和重量百分比為：〇· 43~0· 55%C、24. 5~26. 5%Cr、9. 5~1L5%Ni、7~8% W、0. 6 ~1. 2%A1、其余為Co。
[0027] 輔助材料：鋁顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99. 98% ;H2、隊(duì)氣體的體積純度不低于 99. 999% ;HC1氣體的純度為電子工業(yè)級(jí)；剛玉或石英砂粒度不大于0. 154mm;水基清洗劑 LCX-52;無(wú)水乙醇分析純。采用化學(xué)氣相沉積設(shè)備ALUVAPCVA190BLL-Single制備鋁滲 層，用掃描電鏡等設(shè)備進(jìn)行組織、性能分析測(cè)試。
[0028] 下面，通過(guò)實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 本實(shí)施例中，為了提高葉片表面的抗氧化和抗腐蝕性能，鈷基合金葉片內(nèi)腔及外 表面滲鋁的工藝方法，按照以下步驟進(jìn)行：
[0031] 1、鋁顆粒準(zhǔn)備
[0032] 將適量的鋁顆粒平鋪于反應(yīng)器（反應(yīng)室外置發(fā)生反應(yīng)器和反應(yīng)室內(nèi)置發(fā)生反應(yīng) 器）中。
[0033] 2、零件準(zhǔn)備
[0034] (1)采用液體吹砂機(jī)對(duì)零件待沉積涂層部位進(jìn)行水吹砂處理，去除表面氧化層；
[0035] (2)將零件放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%水基清洗劑溶液中，使用超聲波清洗機(jī)超聲波清 洗25min后，用清水漂洗干凈，無(wú)水乙醇脫水、電吹風(fēng)機(jī)吹干；
[0036] (3)將零件裝于夾具上，將裝有零件的夾具置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室工位 上，裝掛應(yīng)牢靠。
[0037] 3、沉積涂層
[0038] 接通總電源，開(kāi)冷卻水和氣瓶閥門。對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行升溫，將加熱爐升溫至1050°C， 反應(yīng)室真空度為lOOmbar，反應(yīng)器溫度300°C，向反應(yīng)器內(nèi)通入凡，H2氣體流量為30L/min， 消除葉片表面氧化物污染層并保證爐溫均勻性。然后通入HC1氣體與內(nèi)置發(fā)生反應(yīng)器和外 置發(fā)生反應(yīng)器中的鋁顆粒反應(yīng)，HC1氣體流量為lL/min，生成活性的A1C13前驅(qū)體，然后在 載氣H2的輸送下到反應(yīng)室內(nèi)與葉片基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積涂層的時(shí)間為4h。從而，通過(guò) 反應(yīng)室內(nèi)置發(fā)生反應(yīng)器在高導(dǎo)葉片的內(nèi)腔制備滲鋁層，同時(shí)通過(guò)反應(yīng)室外置發(fā)生反應(yīng)器在 高導(dǎo)葉片的外流道表面制備滲鋁層。
[0039] 4、零件出爐
[0040] 移開(kāi)加熱爐，將鼓風(fēng)機(jī)罩在反應(yīng)器上方，通HjPN2冷卻；開(kāi)啟N2氣管路的充氣閥， 設(shè)定N2氣流量20L/min，移開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)和反應(yīng)器，佩戴干凈手套從工位上取下夾具及零件。
[0041] 滲鋁后葉片表面無(wú)翹皮、無(wú)鼓泡、無(wú)開(kāi)裂等缺陷，呈金黃色。采用金相法檢查， 高導(dǎo)葉片外流道表面滲鋁層深度為〇· 020mm~0· 022mm，內(nèi)腔滲鋁層深度為0· 010mm~ 0. 013mm。經(jīng)過(guò)滲鋁后，滲層分兩層，外層表面鋁濃度能夠達(dá)到26wt%，擴(kuò)散層表面鋁濃度 11. 8wt%〇
[0042] 實(shí)施例2
[0043] 本實(shí)施例中，為了提高葉片表面的抗氧化和抗腐蝕性能，鈷基合金葉片內(nèi)腔及外 表面滲鋁的工藝方法，按照以下步驟進(jìn)行：
[0044] 1、鋁顆粒準(zhǔn)備