CN102817000B - 一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及叶片修复技术，具体涉及一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法。首先采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；然后采用真空电弧镀方法对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀，对涂镀后的叶片进行真空热处理，最后对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理后，得到最终产品。本发明不仅显著提高了高压涡轮工作叶片的抗氧化抗腐蚀性能，而且在随后的服役过程中无需进行修复，修复后的涂层为全寿命涂层。
Description
技术领域
本发明涉及叶片修复技术，具体涉及一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法。
背景技术
高温涡轮工作叶片是航空发动机的关键部件，服役环境恶劣，长期处于高温燃气冲击和侵蚀之下。目前，叶片表面无一例外地涂覆高温抗氧化腐蚀涂层以改善叶片抗高温氧化和热腐蚀能力，使合金基体承受更高的温度，提高涡轮前进口温度，进而提高发动机性能和寿命。其中常用的涂层为MCrAlY。
高压涡轮工作叶片表面MCrAlY涂层在发动机环境条件下服役一定周期后，由于涂层的退化和失效，需要对原有MCrAlY涂层进行修理。采用真空电弧镀制备的MCrAlY涂层进行修理时，涂层内Al含量有限，约为10wt%，服役一定周期后仍需进行修理，无法满足长寿命使用需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法，不仅显著提高了高压涡轮工作叶片的抗氧化抗腐蚀性能，而且在随后的服役过程中无需进行修复，修复后的涂层为全寿命涂层。
实现本发明目的的技术方案按以下工艺步骤进行：
（1）原有涂层的去除：采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，湿吹砂采用白刚玉砂，其粒度为140～325目，风压0.2～0.4MPa,水压＞2kg/cm2，吹砂距离120～380mm，去除叶片原有的涂层；
（2）前处理工艺：然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；
（3）采用真空电弧镀方法对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀：首先对叶片进行离子清理以除去叶片表面污物，提高涂层与基体间的结合强度。具体的工艺参数为，压强＜5.32×10-2Pa，电弧电流450～650A，电压250V，电弧镀时间2～6min；然后进行AlSiY涂层涂镀，具体工艺参数为，压强＜5.32×10-2Pa，电弧电流450～600A，电压30～50V，电弧镀时间35～45min；
（4）对涂镀后的叶片进行称量，并进行外观检查；
（5）对涂镀后的叶片进行真空热处理：首先将真空加热炉预热到200℃，真空度设置为＜0.2Pa，然后在2～4h内将真空加热炉温度升至850～890℃，并保温30～35h，得到沉积并热扩散的AlSiY涂层；
（6）对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理后，得到最终产品。所述的高压涡轮工作叶片为定向凝固高温合金DZ125，原有涂层为MCrAlY。所述的步骤（5）中沉积并热扩散的AlSiY涂层厚度为20～40μm。所述的步骤（6）中的涂层湿吹砂处理采用白刚玉砂，其粒度为120～270目，风压0.12～0.4MPa，水压＞2kg/cm2，吹砂距离100～300mm，吹砂时间30～150s。
与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
1.在真空条件下对沉积涂层的定向凝固高温合金叶片进行真空热处理。优选真空热处理热扩散温度、真空度、保温时间、升降温速度等工艺参数需要充分考虑热处理对定向凝固镍基合金组织和性能的影响，因此需要结合定向凝固合金的最佳热处理制度指定涂层的真空热扩散工艺。通过上述参数优选得到具有符合涂层技术要求的高温抗腐蚀能力和高结合强度的AlSiY涂层，同时避免定向凝固合金在涂层扩散处理过程中发生再结晶。
2.在热扩散处理前涂层成分基本相同，其中Si的含量为3%左右，Y的含量在1～1.9%范围内。热扩散后的AlSiY涂层主要为β-NiAl相。对AlSiY涂层试样进行弯曲试验，没有明显的涂层剥落现象，说明AlSiY涂层和其它渗铝扩散涂层一样，结合强度非常高，在工作状态下叶片合金经受弯曲变形和热冲击时不容易发生涂层剥落。
3.本发明方法已经成功应用于某机高压涡轮工作叶片表面抗氧化腐蚀涂层的修复，该涂层使用寿命长，生产效率高且生产升本低。按每台份72片高压涡轮工作叶片，每片修复的叶片较新叶片节约成本5000元计算，每台份高压涡轮工作叶片大修的生产制造成本降低36万元；
4.本发明可以推广应用于其他类型航空发动机高压涡轮工作叶片抗氧化，抗腐蚀涂层的修复，会产生巨大的社会效益和显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明AlSiY涂层对DZ125定向凝固高温合金在1100℃条件下的等温氧化动力学的影响示意图；
图2为未涂镀AlSiY涂层的DZ125定向凝固高温合金在燃气热腐蚀100小时后的截面形貌；
图3为涂镀AlSiY涂层的DZ125定向凝固高温合金在未采用湿吹砂工艺处理条件下在燃气热腐蚀100小时后的截面形貌；
图4为涂镀AlSiY涂层的DZ125定向凝固高温合金在采用湿吹砂工艺处理条件下在燃气热腐蚀100小时后的截面形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例：
下述实施例采用的设备型号为：
湿吹砂工艺使用北京长空喷砂设备有限公司的SS-3型液体吹砂机；
AlSiY涂层涂镀工艺采用俄罗斯产的MAП型空心真空电弧镀设备；
所用燃气热腐蚀实验装置为北京航空航天大学研制的型号为BUAA-TBC2008的设备；
拉伸试验使用AG-250KNE型岛津电子拉力试验机；
弯曲疲劳试验机则为英国产E型悬臂式旋转弯曲疲劳试验机。
实施例1：
（1）原有涂层的去除：高压涡轮工作叶片合金为DZ125，原有涂层为MCrAlY，采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，湿吹砂采用白刚玉砂，其粒度为140目，风压0.2MPa,水压为2.1kg/cm2，吹砂距离120mm，去除叶片原有的涂层；
（2）前处理工艺：然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；
（3）采用真空电弧镀设备对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀：首先对叶片进行离子清理，具体的工艺参数为，压强为5.31×10-2Pa，电弧电流450A，电压250V，电弧镀时间2min；然后进行AlSiY涂层涂镀，具体工艺参数为，压强为5.31×10-2Pa，电弧电流450A，电压30V，电弧镀时间35min；
（4）对涂镀后的叶片进行称量，并进行外观检查；
（5）对涂镀后的叶片进行真空热处理：首先将真空加热炉预热到200℃，真空度设置为0.19Pa，然后在2h内将真空加热炉温度升至850℃，并保温30h，得到沉积并热扩散的AlSiY涂层，其厚度为20μm；
（6）对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理，采用白刚玉砂，其粒度为120目，风压0.12MPa，水压为2.1kg/cm2，吹砂距离100mm，吹砂时间30s后，得到最终产品。
对得到的最终产品进行燃气腐蚀试验，按HB7740-2004标准进行，条件为表1所示，
表1燃气热腐蚀试验条件
结果如图2，图3，图4所示，由图可见DZ125合金表面在燃气腐蚀环境中不能形成连续的氧化膜，抗燃气热腐蚀能力差。而由于AlSiY涂层表面腐蚀产物主要为Al、Cr氧化物，无论是否进行湿吹砂处理，两种涂层表面都能在腐蚀气氛中生成连续致密的氧化膜，然而湿吹砂处理涂层表面的氧化膜比未吹砂涂层的薄很多，因此湿吹砂处理涂层抑制了表面腐蚀层厚度的增长，涂层使合金试样900℃燃气热腐蚀100小时后的失重减小了99%以上；
对DZ125合金和涂镀AlSiY涂层的DZ125合金进行室温拉伸试验，其结果如表2所示，
表2AlSiY涂层对DZ125合金室温拉伸性能的影响
由此可见AlSiY涂层对DZ125合金室温拉伸性能的影响很小，
对DZ125合金及带AlSiY涂层DZ125合金试样进行弯曲疲劳寿命试验，结果如表3：
表3DZ125合金及带AlSiY涂层DZ125合金试样的弯曲疲劳寿命
由此可见涂层对DZ125合金旋转弯曲疲劳性能的影响不大。
实施例2：
（1）原有涂层的去除：高压涡轮工作叶片合金为DZ125，原有涂层为MCrAlY，采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，湿吹砂采用白刚玉砂，其粒度为325目，风压0.4MPa,水压为2.2kg/cm2，吹砂距离380mm，去除叶片原有的涂层；
（2）前处理工艺：然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；
（3）采用真空电弧镀设备对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀：首先对叶片进行离子清理，具体的工艺参数为，压强为5.30×10-2Pa，电弧电流650A，电压250V，电弧镀时间6min；然后进行AlSiY涂层涂镀，具体工艺参数为，压强为5.30×10-2Pa，电弧电流600A，电压50V，电弧镀时间45min；
（4）对涂镀后的叶片进行称量，并进行外观检查；
（5）对涂镀后的叶片进行真空热处理：首先将真空加热炉预热到200℃，真空度设置为0.18Pa，然后在4h内将真空加热炉温度升至890℃，并保温35h，得到沉积并热扩散的AlSiY涂层，其厚度为40μm；
（6）对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理，采用白刚玉砂，其粒度为270目，风压0.4MPa，水压为2.2kg/cm2，吹砂距离300mm，吹砂时间150s后，得到最终产品。
实施例3：
（1）原有涂层的去除：高压涡轮工作叶片合金为DZ125，原有涂层为MCrAlY，采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，湿吹砂采用白刚玉砂，其粒度为200目，风压0.3MPa,水压为2.2kg/cm2，吹砂距离200mm，去除叶片原有的涂层；
（2）前处理工艺：然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；
（3）采用真空电弧镀设备对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀：首先对叶片进行离子清理，具体的工艺参数为，压强为5.31×10-2Pa，电弧电流500A，电压250V，电弧镀时间3min；然后进行AlSiY涂层涂镀，具体工艺参数为，压强为5.31×10-2Pa，电弧电流500A，电压40V，电弧镀时间40min；
（4）对涂镀后的叶片进行称量，并进行外观检查；
（5）对涂镀后的叶片进行真空热处理：首先将真空加热炉预热到200℃，真空度设置为为0.18Pa，然后在3h内将真空加热炉温度升至900℃，并保温32h，得到沉积并热扩散的AlSiY涂层，其厚度为30μm；
（6）对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理，采用白刚玉砂，其粒度为200目，风压0.2MPa，水压为2.1kg/cm2，吹砂距离200mm，吹砂时间60s后，得到最终产品。
Claims (3)
1.一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）原有涂层的去除：采用湿吹砂处理方法对叶片进行处理，湿吹砂采用白刚玉砂，其粒度为140～325目，风压0.2～0.4MPa,水压＞2kg/cm2，吹砂距离120～380mm，去除叶片原有的涂层；
（2）前处理工艺：然后将去除原有涂层的叶片进行超声波清洗和丙酮浸洗，再进行干燥和外观检查，称重；
（3）采用真空电弧镀方法对前处理后的叶片进行AlSiY涂层涂镀：首先对叶片进行离子清理，具体的工艺参数为，压强＜5.32×10-2 Pa，电弧电流450～650 A，电压250V，电弧镀时间2～6min；然后进行AlSiY涂层涂镀，具体工艺参数为，压强＜5.32×10-2 Pa，电弧电流450～600A，电压30～50V，电弧镀时间35～45min；
（4）对涂镀后的叶片进行称量，并进行外观检查；
（5）对涂镀后的叶片进行真空热处理：首先将真空加热炉预热到200℃，真空度设置为＜0.2 Pa，然后在2～4h内将真空加热炉温度升至850～890℃，并保温30～35h，得到沉积并热扩散的AlSiY涂层；
（6）对真空热处理后的叶片进行涂层湿吹砂处理后，得到最终产品；
所述的高压涡轮工作叶片为定向凝固高温合金DZ125，原有涂层为MCrAlY。
2.根据权利要求1所述的一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法，其特征在于所述的步骤（5）中沉积并热扩散的AlSiY涂层厚度为20～40μm。
3.根据权利要求1所述的一种高压涡轮工作叶片抗氧化腐蚀涂层修复方法，其特征在于所述的步骤（6）中的涂层湿吹砂处理采用白刚玉砂，其粒度为120～270目，风压0.12～0.4MPa，水压＞2kg/cm2，吹砂距离100～300mm，吹砂时间30～150s。
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