CN105385985B - 一种提高k444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热处理领域，具体为一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法。(1)将硅粉、镍铝合金粉、氯化铵、氟化氢铵、粘结剂和稀释剂混合后制成料浆，喷涂于K444合金制零件表面；(2)采用氩气保护的井式热处理炉，将试样装入夹具中在氩气保护下，经保温后获得铝硅涂层；(3)为了降低铝硅渗层表面的脆性，并使渗层外表面铝重量百分比大于10％，硅重量百分比小于8％，将渗铝硅后的K444合金制零件放置在真空炉内进行扩散处理。本发明渗层能显著提高K444合金抗高温氧化性能，适合用于在恶劣环境长时间工作的零部件，特别适合于燃气轮机涡轮叶片，可延长叶片的使用寿命。

Description

一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法
技术领域
本发明属于热处理领域，具体为一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法。
背景技术
燃气发动机的叶片采用K444合金制造，K444合金是含铪镍基铸造高温合金，具有优异的耐热腐蚀性能，具有中等水平的高温强度和良好的组织稳定性。叶片是发动机的重要热端部件，除了承受复杂的交变应力外，还承受着高温氧化和严重的燃气腐蚀。为此，国内外均研制了许多高温防护渗层来改善叶片表面的抗氧化性能，以提高涡轮叶片的可靠性并延长其使用寿命。防护渗层虽能使叶片获得良好防护性能，但也带来了其部分机械性能的损失，尤其是渗层对疲劳性能的影响，通常约降低10％。因此，在为叶片制备防护渗层时厚度一般控制在20μm～40μm，渗层主要作用是保证在高温环境中叶片基体最低限度的损失，从而达到延长叶片的使用寿命。
渗层在50年代就出现固体渗铝及气相渗铝，目前在航空制造业仍然得到广泛应用。典型的固体渗铝工艺是采用铝-铁合金粉加入1％～3％的氯化铵经混合后制成渗剂，将零件埋入粉末渗剂中。固体渗铝劳动条件较差，生产效率低。气相渗铝的实质是将氟化物活化处理后的铝铁合金块装入鸟笼式夹具中，再将被渗铝件置入鸟笼式夹具中间的圆桶内。在高温下，经活化的铝铁块反应分解出活性铝原子，通过氩气运载气体为制件表面吸收和渗入，形成渗铝层，使其提高抗高温氧化和燃气腐蚀的能力，气相渗铝工艺稳定性不够，渗层铝浓度偏低。这两种工艺均经高温扩散处理后在表面形成以NiAl相为主的铝化物涂层，该渗层主要目的是提高零件的抗氧化能力，不过采用渗铝工艺获得的β－NiAl相的铝化物涂层在高温工作中随着使用时间延长，由于铝向内外扩散导致浓度降低，NiAl相会发生分解退化，抗氧化性能随着降低。由于燃机涡轮叶片要求寿命长，工作条件较为苛刻，叶片的高温抗氧化便成为燃机设计的一项技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，能够满足叶片设计制造要求，提高K444合金制涡轮叶片的抗高温氧化能力。
本发明的技术方案是：
一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，具体步骤如下：
(1)将硅粉、镍铝合金粉、氯化铵、氟化氢铵、粘结剂和稀释剂混合后制成料浆，喷涂于K444合金制零件表面；
(2)采用氩气保护的井式热处理炉，将试样装入夹具中在氩气保护下，经保温后获得铝硅涂层；
(3)为了降低铝硅渗层表面的脆性，并使渗层外表面铝重量百分比大于10％，硅重量百分比小于8％，将渗铝硅后的K444合金制零件放置在真空炉内进行扩散处理。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，步骤(1)中，硅粉、镍铝合金粉、氯化铵为渗剂，按渗剂100g、氟化氢铵0.1～0.5g、粘结剂5～15ml和乙醇40～60ml的比例称量后装入球磨罐中进行球磨，制成料浆；在渗罐中，采用喷枪将料浆喷涂于K444合金制零件表面，每片喷涂3～4遍。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，渗剂中，镍铝合金粉按外层铝含量15～30wt％称取，硅粉按外层硅含量3～6wt％称取，氯化铵占硅粉、镍铝合金粉重量的3～6％。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，将渗罐吊入加热到温的井式炉内进行渗铝硅处理，渗铝硅温度850～950℃，保温时间70～90min；渗铝硅过程中，始终向渗罐内通入氩气进行保护；出炉时将渗罐从炉内吊出，继续通入氩气冷却0.5～2h后，同时关闭氩气和排气阀阀门，待冷却至80℃以下可打开渗罐取出K444合金制零件。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，将渗铝硅后的K444合金制零件清理干净后放入真空炉内，扩散温度850℃±10℃，保温时间16h～16.5h，加热及保温过程中，加热室内真空度不大于0.13Pa。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，粘结剂采用浓度为5～15wt％的聚乙烯醇水溶液。
所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，稀释剂采用乙醇。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明渗层具有优良的高温氧化防护性能，表面光洁、渗层厚度整齐等特点。由于该渗层有硅的参与，减缓了渗层的退化速度，从而提高了K444合金叶片的高温抗氧化的防护能力，延长叶片的使用时间，比固体渗铝涂层寿命长30％左右。此外，该涂层工艺劳动条件比固体渗铝劳动条件有显著的改善，生产效率高，节约原材料，可以实现局部制备防护渗层，也可用于局部渗层的补修等。该工艺在国内首次工程应用于K444合金制涡轮叶片上，增强叶片的抗高温氧化防护性能，是一项填补国内在K444合金叶片工程应用上的空白的工艺方法。
2、本发明为了改善单一铝化物渗层的高温氧化防护性能，在渗剂中加入了一定比例的Si元素，并经过高温焙烧后加入粘结剂和活化剂，制成料浆。由于在涂层中加入了Si元素，使改进后的铝化物渗层高温防护性能得到大幅提高，而且与传统的固体渗铝及气相渗铝相比提高了生产效率，降低了生产成本。
3、本发明渗层能显著提高K444合金抗高温氧化性能，适合用于在恶劣环境长时间工作的零部件，特别适合于燃气轮机涡轮叶片，可延长叶片的使用寿命，该方法也可推广到其他燃气涡轮发动机的涡轮叶片类零件，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为渗铝硅后成品零件图。
图2为渗铝硅层的截面形貌。
图3(a)-图3(b)为1000℃/200h氧化试验宏观照片。其中，图3(a)有渗层；图3(b)无渗层。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，具体步骤如下：
(1)渗铝硅料浆的配置：以聚乙烯醇水溶液做粘结剂，将Si粉、Ni-Al合金(镍铝重量比为1：1)粉、氯化铵、氟化氢铵、粘结剂和乙醇混合后制成料浆，喷涂于K444合金制零件表面。
(2)渗铝硅参数的制定：采用氩气保护的井式热处理炉，将试样装入夹具中在氩气保护下，通过试验摸索，选取渗铝硅温度，并经一定时间的保温后获得铝硅涂层。
(3)扩散温度及扩散时间：为了降低铝硅渗层表面的脆性，并使渗层外表面铝重量百分比大于10％，硅重量百分比小于8％，将渗铝硅后的K444合金制零件放置在真空炉内进行扩散处理，通过试验确定了扩散的温度及时间。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。
实施例
本实施例中提高K444合金叶片抗高温氧化性能的渗层制备方法，具体步骤如下：
(1)按渗剂100g(硅粉、镍铝合金粉、氯化铵，镍铝合金粉按外层铝含量23wt％称取，硅粉按外层硅含量6wt％称取，氯化铵占硅粉、镍铝合金粉重量的5％)、氟化氢铵0.2g、粘结剂10ml(浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液)和乙醇50ml的比例称量后装入球磨罐中进行球磨，制成料浆。在渗罐中，采用喷枪将料浆喷涂于K444合金叶片表面，每片喷涂3～4遍。
(2)将渗罐吊入加热到温的井式炉内进行渗铝硅处理，渗铝硅温度900℃，保温时间80min。渗铝硅过程中，始终向渗罐内通入氩气进行保护。出炉时将渗罐从炉内吊出，继续通入氩气冷却1h后，同时关闭氩气和排气阀阀门，待冷却至80℃以下可打开渗罐取出叶片。
(3)将渗铝硅后的叶片清理干净后放入真空炉内，扩散温度850℃±10℃，保温时间16h～16.5h，加热及保温过程中，加热室内真空度0.05Pa。
采用上述的工艺为100余件K444合金制的燃气涡轮叶片制备的铝硅渗层，合格率达到100％。
如图1所示，采用料浆法渗铝硅后的K444合金叶片，叶片表面光滑、颜色均匀一致，呈灰色，无氧化皮，外观质量合格。
如图2所示，从叶片渗铝硅后在扫描电镜下的截面形貌可以看出，渗铝硅层分两层，外层和扩散层。最外层铝含量23wt％左右，硅含量6wt％左右，铝元素由外向内逐渐减少，其外层主要为β－NiAl相，扩散层主要是铬的碳化物相，Si在涂层中不完全以固溶状态形式存在，由X射线衍射分析发现Si与Cr形成了Cr3Si相，Si的存在减缓了表面铝原子向合金基体内部扩散。根据渗层中的化学成分分析，外表面能够显著提高K444合金的抗氧化性能。
如图3(a)-图3(b)所示，依据HB 5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》，经过1000℃/200h氧化后的有渗层试样与无渗层试样，K444合金经过氧化200h后，无渗层的试样表面氧化皮呈黑色，且表面氧化皮脱落严重，有渗层的试样表面完好，只有微量氧化膜脱落。经测定K444合金有渗层的试样氧化速率0.033mg/(cm2.h)明显小于无渗层的试样氧化速率0.662mg/(cm2.h)。因此，铝硅渗层能显著提高K444合金的抗氧化性能。
实施例结果表明，本发明在渗剂中加入铝和硅元素，制成料浆涂敷在K444合金试样的表面，通过高温扩散获得的表面含有铝、硅元素的高温防护渗层。K444合金基体中铝含量仅为3wt％左右，硅含量更是小于0.3wt％，由于渗剂中加入了含铝、硅元素的物质，使得铝、硅元素在高温下扩散并参与反应，在合金表面获得0.02～0.04mm的渗层，且渗层中的铝、硅元素含量达到一定的范围，与基体相比，渗层中铝、硅元素含量明显增加，从而提高合金的抗高温氧化能力。使用本发明方法在K444合金动力涡轮工作叶片及导向叶片上制备的防护渗层，经1000℃/200h抗高温氧化性能测试，其抗氧化能力比K444合金基体提高20倍，延长了叶片的使用寿命，单台创造30万的经济价值。

Claims (3)

1.一种提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将硅粉、镍铝合金粉、氯化铵、氟化氢铵、粘结剂和稀释剂混合后制成料浆，喷涂于K444合金制零件表面；
(2)采用氩气保护的井式热处理炉，将试样装入夹具中在氩气保护下，经保温后获得铝硅涂层；
(3)为了降低铝硅渗层表面的脆性，并使渗层外表面铝重量百分比大于10％，硅重量百分比小于8％，将渗铝硅后的K444合金制零件放置在真空炉内进行扩散处理；
步骤(1)中，硅粉、镍铝合金粉、氯化铵为渗剂，按渗剂100g、氟化氢铵0.1～0.5g、粘结剂5～15ml和乙醇40～60ml的比例称量后装入球磨罐中进行球磨，制成料浆；在渗罐中，采用喷枪将料浆喷涂于K444合金制零件表面，每片喷涂3～4遍；
渗剂中，镍铝合金粉按外层铝含量15～30wt％称取，硅粉按外层硅含量3～6wt％称取，氯化铵占硅粉、镍铝合金粉重量的3～6％；
将渗罐吊入加热到温的井式炉内进行渗铝硅处理，渗铝硅温度850～950℃，保温时间70～90min；渗铝硅过程中，始终向渗罐内通入氩气进行保护；出炉时将渗罐从炉内吊出，继续通入氩气冷却0.5～2h后，同时关闭氩气和排气阀阀门，待冷却至80℃以下可打开渗罐取出K444合金制零件；
将渗铝硅后的K444合金制零件清理干净后放入真空炉内，扩散温度850℃±10℃，保温时间16h～16.5h，加热及保温过程中，加热室内真空度不大于0.13Pa。
2.按照权利要求1所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，其特征在于，粘结剂采用浓度为5～15wt％的聚乙烯醇水溶液。
3.按照权利要求1所述的提高K444合金抗高温氧化性能的渗层制备方法，其特征在于，稀释剂采用乙醇。
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