CN103993258A - 一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法，包括依次进行的如下步骤：对工件的内外表面进行净化处理，然后将净化后的工件和捐献材料放入反应罐中，捐献材料为AlCr颗粒或Si粉和AlCr颗粒的混合物；将反应罐抽真空，然后充入氩气至反应罐内的压力为1～2毫巴；对反应罐进行预热处理，然后向反应罐中充入氢气和氯化氢气体至反应罐内的压力为800～1000毫巴；将反应罐加热至900℃～1100℃，然后保温1～2小时，在工件的表面形成Al渗层或Al-Si共渗层，即涂层。本发明通过将氯化氢和含Al捐献材料反应获得富铝涂层，提高了工件的耐腐蚀和耐高温性能，并且该方法操作简单，生产成本低，且生产效率高。

Description

一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法。

背景技术

大量空心复杂结构，如内腔具有复杂的冷却空气通道的航空发动机叶片等，其长期使用的结果表明，虽然空心复杂结构的冷却内腔同复杂结构外表面相比，经受较低的工作温度、气流冲刷、热腐蚀、高温氧化和热循环作用，但由复杂结构内腔通道首先引起的腐蚀是限制涂层复杂结构寿命的一个显著特征。因此，对内腔部位进行有效的防护必须给予足够的重视，方可有效的保证具有大功率输出和高效率的复杂结构的使用寿命和可靠性。

在复杂结构内腔表面施加保护涂层，降低合金的腐蚀速率，是延长空心复杂结构使用寿命的有效和可行的办法。由于高效气冷空心结构内腔的结构的复杂性和隐蔽性，采用物理气相沉积(PVD)和等离子喷涂(PS)等常用涂层技术不能进行空心复杂结构内腔冷却通道的涂层防护。

众所周知，铝的表面极易生成一层致密的Al₂O₃氧化膜，能阻止之下的铝继续氧化。如果在工件表面形成一层富铝的表层，则按照同样的机理，也可以对材料的进一步氧化起到阻碍作用。已知在合适的条件下，一氯化铝AlCl可以分解成铝Al和三氯化铝AlCl₃，即：3AlCl→2Al+AlCl₃。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法，从而使得工件寿命延长。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法，包括依次进行的如下步骤：

(1)、对所述工件的内外表面进行净化处理，然后将净化后的工件和捐献材料放入反应罐中，所述的捐献材料为AlCr颗粒或Si粉和AlCr颗粒的混合物；

(2)、将所述的反应罐抽真空至所述的反应罐内的压力为1～2毫巴；

(3)、对所述的反应罐进行预热处理，然后向所述的反应罐中充入氢气和氯化氢气体至所述的反应罐内的压力为800～1000毫巴；

(4)、将所述的反应罐加热至900℃～1100℃，然后保温1～2小时，在所述工件的表面形成Al渗层或Al-Si共渗层，即所述的涂层。

优选地，所述工件的基材为纯镍或镍基合金。

在本发明中，氯化氢气体与捐献材料反应生成AlCl，并使之在工件表面分解析出Al，从而在工件表面形成一层富铝的涂层。特别地，如果工件的基材是纯镍或镍基合金，则析出的Al和Ni可以反应生成NiAl金属间化合物；如果捐献材料中还含有Si，则可以生成NiAl(Si)金属间化合物。NiAl和NiAl(Si)金属间化合物的耐热腐蚀性比镍或镍基合金更为优越。对于工件基材中不含镍，则富铝涂层可以形成致密的Al₂O₃，同样具有良好的耐热腐蚀性。

优选地，步骤(1)中的净化处理的具体步骤为：先对所述工件的外表面采用喷砂处理，内表面采用粒子流工艺处理，然后对所述工件的内外表面进行超声波清洗。

在本发明中，对工件进行净化处理的目的是除去沉积在工件表面的所有污垢，包括氧化皮、油脂以及其他污物等。需要注意的是，在进行净化处理后，搬运工件时，需要使用清洁的工具，以免沾染灰尘和手印，发生二次污染。

优选地，所述的AlCr捐献材料的平均直径为9～11毫米。

优选地，所述的Si粉为-100目的Si粉，其和AlCr颗粒按重量比为8～10:1形成所述的混合物。

优选地，步骤(3)中，所述的预热处理的预热温度为180℃～220℃。

优选地，步骤(3)中，所述的氢气和氯化氢气体按体积比为3～5:1充入。

在本发明中，调节氢气和氯化氢气体的比值可以控制涂层反应的速度，优选地采用氢气和氯化氢气体的体积比为4:1。

优选地，步骤(3)中，所述的氢气和氯化氢气体通过所述反应罐独立的导气管充入。

优选地，在所述的步骤(1)后，多次重复进行所述的步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，得到所述的涂层。

本发明中，调整步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)的重复次数，可以获得不同厚度的NiAl或NiAl(Si)涂层。

在本发明中，多次重复进行所述的步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，可以使得氯化氢气体与工件内腔充分接触，从而保证内腔表面形成涂层。

本发明中，所述的AlCr颗粒通过以下方法制备得到：将Al粉和Cr粉按31.16％Al和65.84％Cr(重量百分数)混合，机械压块，烧结；之后再破碎，筛分出直径约10mm的小块AlCr颗粒用作捐献材料。

本发明的原理为：AlCr颗粒中的铝与氯化氢反应生成一氯化铝，一氯化铝分解成铝和三氯化铝，铝渗透进基材中，形成Al渗层，三氯化铝呈气态排出；硅粉也可与氯化氢反应生成一氯化硅，一氯化硅分解成硅和四氯化硅，硅和铝渗透进基材中，形成Al-Si共渗层，四氯化硅呈气态排出。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过将氯化氢和含Al捐献材料反应获得富铝涂层，提高了工件的耐腐蚀和耐高温性能，并且该方法操作简单，生产成本低，且生产效率高。

附图说明

附图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。

实施例1

一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法，该工件使用镍基合金为基材，捐献材料用平均直径为10mm的AlCr颗粒。

对镍基合金基材内外表面分别进行粒子流工艺处理和喷砂处理，然后用超声波清洗方法对镍基合金基材进行净化处理；将镍基合金基材放置在反应罐的半高中心位置；在镍基合金基材底部放置平均直径为10mm的AlCr颗粒；将反应罐抽真空，罐压约1～2毫巴；将反应罐升温至200℃后，使潮湿的吸湿剂完全干燥；用反应罐独立的导气管分别充入比值为4:1的氢气和HCl气体，罐压保持在900毫巴；升温至1080℃，保温2h，在基材内外表面形成Al渗层。渗层厚度在30μm左右，渗入的Al和Ni反应生成NiAl金属间化合物。

实施例2

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：

1)捐献材料用90wt.％Si粉和10wt.％AlCr颗粒。

2)使镍基合金复杂结构内外表层获得富Al的Al-Si共渗层(Al的质量分数在30％以上)，厚度为30μm左右。

3)渗入的Al和Si与Ni反应生成NiAl(Si)三元金属间化合物。

以上所述，仅为镍基合金基材的具体实施方式，但本发明不局限于此基材。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种适于对具有复杂内腔结构的工件进行涂层的方法，其特征在于：包括依次进行的如下步骤：

（1）、对所述工件的内外表面进行净化处理，然后将净化后的工件和捐献材料放入反应罐中，所述的捐献材料为AlCr颗粒或Si粉和AlCr颗粒的混合物；

（2）、将所述的反应罐抽真空至所述的反应罐内的压力为1~2毫巴；

（3）、对所述的反应罐进行预热处理，然后向所述的反应罐中充入氢气和氯化氢气体至所述的反应罐内的压力为800~1000毫巴；

（4）、将所述的反应罐加热至900℃~1100℃，然后保温1~2小时，在所述工件的表面形成Al渗层或Al-Si共渗层，即所述的涂层。

2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述工件的基材为纯镍或镍基合金。

3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的净化处理的具体步骤为：先对所述工件的外表面采用喷砂处理，内表面采用粒子流工艺处理，然后对所述工件的内外表面进行超声波清洗。

4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的AlCr捐献材料的平均直径为9~11毫米。

5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的Si粉和AlCr颗粒按重量比为8~10:1形成所述的混合物。

6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的预热处理的预热温度为180℃~220℃。

7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的氢气和氯化氢气体按体积比为3~5:1充入。

8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的氢气和氯化氢气体通过所述反应罐独立的导气管充入。

9. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在所述的步骤（1）后，多次重复进行所述的步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），得到所述的NiAl或NiAl（Si）涂层。