一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法 (Preparation method of chromium modified aluminide coating on turbine blade ) 是由 李阳 张华� 李淑文 王文军 王军 廉铁江 佟飞 张勇 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法,包括：S1,将渗剂和涡轮叶片置于工装上；S2,将工装吊入气渗金属炉中,气渗金属炉预抽真空；S3,将气渗金属炉升温至1000～1050℃,保温3～5小时,随炉冷却至800℃以下后将工装吊出空冷；S4,将涡轮叶片进行清洗,并晾干。本发明制备方法采用的设备较为成熟,使用固体渗剂,不需外部通入反应气体,现阶段本发明工艺方法的可行性较强,可在涡轮叶片铬改性铝化物涂层制备方面进行全方面推广与应用。(The invention provides a preparation method of a chromium modified aluminide coating on a turbine blade, which comprises the following steps: s1, placing an infiltration agent and the turbine blade on a tool; s2, hoisting the tool into a gas-metal infiltration furnace, and vacuumizing the gas-metal infiltration furnace in advance; s3, heating the gas-diffusion metal furnace to 1000-1050 ℃, preserving heat for 3-5 hours, cooling the furnace to below 800 ℃, and then taking out the tool for air cooling; and S4, cleaning the turbine blade and airing. The preparation method provided by the invention adopts mature equipment, uses a solid penetrating agent, does not need to introduce reaction gas outside, has strong feasibility at the present stage, and can be comprehensively popularized and applied in the preparation aspect of the turbine blade chromium modified aluminide coating.)
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法，用于涡轮叶片流道表面和复杂内腔铬改性铝化物涂层的制备。
背景技术
高温氧化和高温腐蚀是航空发动机涡轮叶片常见的失效形式，氧化和腐蚀现象一旦出现就会使基体材料直接受到损伤而导致力学性能急剧下降。随着发动机涡轮进口温度越来越高，叶片服役条件越来越恶劣，对涡轮叶片表面和复杂内腔的防护要求也越来越高。铝化物渗层具有较好的耐高温腐蚀性能，是涡轮叶片最常用的防护方法之一。
由于单一的铝化物渗层其Ni-Al相渗层脆性较大、易开裂剥落、高温服役时Al向基体扩散较快，造成表面铝含量降低而失去保护作用，近年来Cr元素改性的铝化物渗层应用越来越广。这种改性涂层能有效地降低涂层退化速率，减缓富镍的β-NiAl相中的马氏体转变过程产生，提高涂层的相结构稳定性以及抗热腐蚀能力。
目前Cr-Al涂层的制备工艺基本上集中在包埋共渗、物理气相沉积、电沉积和化学气相沉积法(CVD)，其中包埋共渗、物理气相沉积、电沉积不能实现涡轮叶片复杂内腔的渗层制备，现有的化学气相沉积法通过向罐体内通入各种反应气体能够实现炉内气氛的精准可控，但相关设备价值高，现阶段较难普及。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法，能在涡轮叶片表面和复杂内腔实现铬改性铝化物涂层制备，可行性较强。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种涡轮叶片上铬改性铝化物涂层的制备方法，包括：
S1，将渗剂和涡轮叶片置于工装上；
S2，将工装吊入气渗金属炉中，气渗金属炉预抽真空；
S3，将气渗金属炉升温至1000～1050℃，保温3～5小时，随炉冷却至800℃以下后将工装吊出空冷；
S4，将涡轮叶片进行清洗，并晾干。
优选的，S2中，气渗金属炉内设有马弗罐，将工装吊入马弗罐中，将马弗罐内压力抽至小于等于30Pa。
进一步的，S3中，保温过程中使马弗罐内配备的风机处于工作状态。
再进一步的，风机为离心式风机。
优选的，S1中，渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成。
进一步的，铁铝粉重量为渗剂总重量的50～70％，氯化铵粉末为渗剂总重量1～5％，其余为铬粉。
优选的，S1中，渗剂配制：将铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末球磨混合，得到渗剂。
优选的，S1中，涡轮叶片先进行吹砂处理再置于工装上。
进一步的，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为120～220目、吹砂的风压范围为0.1～0.3MPa。
优选的，S4中，将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
这种新型的铬改性铝化物涂层制备方法，渗剂不与工件直接接触，零件外观质量好。相较于包埋共渗、物理气相沉积、电沉积等现有方法，本发明方法能够实现涡轮叶片复杂内腔的铬改性铝化物涂层制备；相较于现有的化学气相沉积法，本发明采用的设备较为成熟，使用固体渗剂，不需外部通入反应气体，现阶段本发明工艺方法的可行性较强，可在涡轮叶片铬改性铝化物涂层制备方面进行全方面推广与应用。本发明制备的渗层组织均匀，深度可控，能显著提升叶片抗高温腐蚀能力。
进一步的，风机的作用是使马弗罐内气氛产生循环，不断有活性的铝、铬原子补充进入涡轮叶片内腔。
附图说明
图1为本发明工艺流程；
图2为本发明实施例4得到的涂层电镜图；
图3为本发明高温氧化后A组试样的微观形貌。
图4为本发明高温氧化后B组试样的微观形貌。
图5为本发明高温腐蚀后A组试样的微观形貌。
图6为本发明高温腐蚀后B组试样的微观形貌。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，本发明所述的涡轮叶片复杂内腔铬改性铝化物涂层制备步骤如下：
(1)渗剂配制：渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成，其中铁铝粉重量为总重量的50～70％，氯化铵为总重量1～5％，其余为铬粉。
(2)搅拌：配制的渗剂需在滚杠式球磨机上进行球磨，时间大于等于1小时，使各组分充分搅拌均匀。
(3)吹砂：涡轮叶片进行吹砂处理，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为120～220目、吹砂的风压范围为0.1～0.3MPa。
(4)装炉：将渗剂平铺在工装托盘内，经过吹砂清理的涡轮叶片放入工装卡槽，然后将工装吊入位于高温炉内的马弗罐中，高温炉预抽真空。
(5)抽真空：用机械泵将马弗罐内压力抽至小于等于30Pa。
(6)升温、保温、冷却：将马弗罐随炉升温至1000～1050℃，打开马弗罐体内配备的离心式搅拌风机，保温3～5小时，随炉冷却至800℃以下后将工装吊出空冷。
(7)清洗：将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗，去除表面的渗铝反应物，并晾干。
(8)金相或扫描电镜SEM分析：对涡轮叶片进行金相或扫描电镜SEM分析，检测渗层深度和组织。
实施例1
(1)渗剂配制：渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成，其中铁铝粉重量为总重量的60％，氯化铵为总重量2％，其余为铬粉。
(2)搅拌：配制的渗剂需在滚杠式球磨机上进行球磨，时间为3小时，使各组分充分搅拌均匀。
(3)吹砂：涡轮叶片进行吹砂处理，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为220目、吹砂的风压范围为0.2MPa。
(4)装炉：将渗剂平铺在工装托盘内，经过吹砂清理的涡轮叶片放入工装卡槽，然后将工装吊入位于高温炉内的马弗罐中，高温炉预抽真空。
(5)抽真空：用机械泵将马弗罐内压力抽至10Pa。
(6)升温、保温、冷却：将马弗罐随炉升温至1000℃，打开马弗罐体内配备的离心式搅拌风机，保温5小时，随炉冷却至800℃后将工装吊出空冷。
(7)清洗：将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗，去除表面的渗铝反应物，并晾干。
(8)金相或扫描电镜SEM分析：对涡轮叶片进行金相或扫描电镜SEM分析，检测渗层深度和组织。
实施例2
(1)渗剂配制：渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成，其中铁铝粉重量为总重量的60％，氯化铵为总重量2％，其余为铬粉。
(2)搅拌：配制的渗剂需在滚杠式球磨机上进行球磨，时间为1小时，使各组分充分搅拌均匀。
(3)吹砂：涡轮叶片进行吹砂处理，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为120目、吹砂的风压范围为0.1MPa。
(4)装炉：将渗剂平铺在工装托盘内，经过吹砂清理的涡轮叶片放入工装卡槽，然后将工装吊入位于高温炉内的马弗罐中，高温炉预抽真空。
(5)抽真空：用机械泵将马弗罐内压力抽至15Pa。
(6)升温、保温、冷却：将马弗罐随炉升温至1015℃，打开马弗罐体内配备的离心式搅拌风机，保温4小时，随炉冷却至800℃后将工装吊出空冷。
(7)清洗：将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗，去除表面的渗铝反应物，并晾干。
(8)金相或扫描电镜SEM分析：对涡轮叶片进行金相或扫描电镜SEM分析，检测渗层深度和组织。
实施例3
(1)渗剂配制：渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成，其中铁铝粉重量为总重量的50％，氯化铵为总重量1％，其余为铬粉。
(2)搅拌：配制的渗剂需在滚杠式球磨机上进行球磨，时间大于等于1小时，使各组分充分搅拌均匀。
(3)吹砂：涡轮叶片进行吹砂处理，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为150目、吹砂的风压范围为0.3MPa。
(4)装炉：将渗剂平铺在工装托盘内，经过吹砂清理的涡轮叶片放入工装卡槽，然后将工装吊入位于高温炉内的马弗罐中，高温炉预抽真空。
(5)抽真空：用机械泵将马弗罐内压力抽至20Pa。
(6)升温、保温、冷却：将马弗罐随炉升温至1035℃，打开马弗罐体内配备的离心式搅拌风机，保温3.5小时，随炉冷却至800℃后将工装吊出空冷。
(7)清洗：将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗，去除表面的渗铝反应物，并晾干。
(8)金相或扫描电镜SEM分析：对涡轮叶片进行金相或扫描电镜SEM分析，检测渗层深度和组织。
实施例4
(1)渗剂配制：渗剂由铁铝粉、铬粉和氯化铵粉末组成，其中铁铝粉重量为总重量的70％，氯化铵为总重量5％，其余为铬粉。
(2)搅拌：配制的渗剂需在滚杠式球磨机上进行球磨，时间为3小时，使各组分充分搅拌均匀。
(3)吹砂：涡轮叶片进行吹砂处理，吹砂采用Al2O3型砂，砂的粒度范围为220目、吹砂的风压范围为0.2MPa。
(4)装炉：将渗剂平铺在工装托盘内，经过吹砂清理的涡轮叶片放入工装卡槽，然后将工装吊入位于高温炉内的马弗罐中，高温炉预抽真空。
(5)抽真空：用机械泵将马弗罐内压力抽至30Pa。
(6)升温、保温、冷却：将马弗罐随炉升温至1050℃，打开马弗罐体内配备的离心式搅拌风机，保温3小时，随炉冷却至800℃后将工装吊出空冷。
(7)清洗：将涡轮叶片放入超声波清洗槽中进行清洗，去除表面的渗铝反应物，并晾干。
(8)金相或扫描电镜SEM分析：对涡轮叶片进行金相或扫描电镜SEM分析，检测渗层深度和组织。
实施例4得到的铬改性铝化物涂层的微观形貌如图2所示，铝铬渗层深度在20～50μm之间，组织均匀，呈现典型的两层结构，即：外层为渗层区、内层为扩散区。
为验证制备的铬改性铝化物涂层对涡轮叶片抗高温氧化性能和抗高温腐蚀性能的影响，设计了两种状态的试样的高温氧化试验和涂盐高温腐蚀试验，并采用金相法或扫描电镜观察试样微观形貌。
A组：K465材料空白试样；
B组：采用本发明实施例4制备的铬改性铝化物涂层的K465试样；
a.高温氧化试验
试验参数：1100±10℃，200小时。
A组试样的微观形貌如图3所示。
B组试样的微观形貌如图4所示。
形貌分析：A组试样微观组织在350×下即可看到较为严重的氧化脱落；B组试样微观组织在1600×下仍可看到较为完整的渗层。可看出制备的铬改性铝化物涂层能够有效提升基体(K465)的抗高温氧化性能。
b.涂盐高温腐蚀试验
涂盐组分：5％NaCl+95％Na2SO4(wt％)
试验参数：950±10℃，100小时
A组试样的微观形貌如图5所示。
B组试样的微观形貌如图6所示。
形貌分析：A组试样微观组织在100×下观察腐蚀消耗明显；B组试样在经过涂盐高温腐蚀试验后表面较为完整，100×下可看到基体腐蚀程度明显较轻。可看出制备的铬改性铝化物涂层能够有效提升基体(K465)的抗高温腐蚀性能。
综上所述，本发明能实现涡轮叶片流道表面和复杂内腔的铬改性铝化物涂层制备，制备的涂层组织均匀，深度可控，能显著提升叶片的抗高温氧化性能和抗高温腐蚀性能。
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