CN108468015B - 一种镍基高温合金表面渗铝方法和产品及镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂 - Google Patents

一种镍基高温合金表面渗铝方法和产品及镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金表面渗铝方法和产品及镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂。其包括采用放电等离子烧结法，将所述镍基合金与渗铝剂装入石墨模具，快速升温至1000℃，于放电等离子炉中保温30min。渗铝剂包括铬粉1.5～2.5％，氧化铝79～80％，铝硅合金粉18～18.5％本发明运用放电等离子烧结的温度场，电场，磁场加速原子扩散，能够快速得到理想的渗铝层。本发明结合放电等离子烧结的优势，细化晶粒，获得大量晶界，晶界不仅能起到强化作用，而且能够提供一个快速的扩散通道，提高扩散效率。本发明产品具有耐高温氧化和热腐蚀性能。本发明能够通过改变烧结温度，保温时间和脉冲电流来调节渗层的厚度。

Description

一种镍基高温合金表面渗铝方法和产品及镍基高温合金表面 铝铬硅固体粉末渗铝剂
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种镍基高温合金表面渗铝方法和产品及镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂。
背景技术
镍基合金主要用于航空领域的发动机叶片。目前先进燃气轮机的燃气进口温度可达1600℃，叶片的工作温度可达1000～1200℃，因此必须要求发动机叶片材料具有优异的高温性能。镍基高温合金既具有良好的耐高温氧化和热腐蚀性能，又具有较高的高温孺变强度和断裂强度，从而在涡轮发动机叶片等领域得到极为广泛的应用；仅仅如此还不能满足需求；必须采用表面改性技术提高基体的耐高温氧化和热腐蚀性能。常用渗铝工艺主要有固体渗铝和液体(料浆涂层)渗铝两种。固体渗铝是采用防护涂层保护好非渗铝表面后，将零件需要渗铝的部位包埋在固体渗剂内，经高温扩散而得到渗铝层。该工艺是迄今为止应用最广泛的渗铝方法，然而传统包埋法渗铝工艺存在加工过程过长，渗铝温度过高，渗铝层的厚度不均一，容易产生氧化层的剥落和开裂等问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。
因此，作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种镍基高温合金表面渗铝方法，其包括，采用放电等离子烧结法，将所述镍基合金与渗铝剂装入石墨模具，快速升温至1000℃，于放电等离子炉中保温20～40min。
作为本发明所述的镍基高温合金表面渗铝方法的一种优选方案：所述渗铝剂，包括铬粉、氧化铝、铝硅合金粉，其中，以质量比计，所述铬粉含量为1.5～2.5％、所述氧化铝含量为79～80％、所述铝硅合金粉含量为18～18.5％。
作为本发明所述的镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂及其渗入工艺的一种优选方案：所述快速升温，升温速度为100℃/min。
作为本发明所述的镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂及其渗入工艺的一种优选方案：还包括，
预处理：将所述镍基合金打磨后，进行抛光或喷砂处理，再进行超声清洗，干燥。
作为本发明所述的镍基高温合金表面渗铝方法的一种优选方案：所述预处理，包括将所述镍基合金依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面或进行喷砂处理，接着用酒精对镍基高温合金进行超声清洗10-15分钟，再放入干燥箱中干燥。
作为本发明所述的镍基高温合金表面渗铝方法的一种优选方案：还包括，冷却：采用放电等离子烧结法，将所述镍基合金与渗铝剂装入石墨模具，快速升温至1000℃，于放电等离子炉中保温30min后，冷却至室温，进行表面清晰、喷砂。
作为本发明所述的镍基高温合金表面渗铝方法的一种优选方案：所述渗铝剂的用量为每个20mm*20mm*3mm的镍基合金片使用300g所述渗铝剂。
作为本发明的另一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供权利要求2～7任一所述的镍基高温合金表面渗铝方法得到的产品。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
权利要求2～8任一所述的镍基高温合金表面渗铝方法得到的产品，其中：所述产品的渗铝层厚度为50～110μm，渗铝层质地均匀。
作为本发明的另一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂，其中：包括铬粉、氧化铝、铝硅合金粉，其中，以质量比计，所述铬粉含量为1.5～2.5％、所述氧化铝含量为79～80％、所述铝硅合金粉含量为18～18.5％。
本发明的有益效果：本发明采用的放电等离子脉冲电流和等离子体能够加速扩散从而缩短工艺过程。本发明运用放电等离子烧结的温度场，电场，磁场加速原子扩散，能够快速得到理想的渗铝层。本发明从源头上消除一些不利因素；结合放电等离子烧结的优势，细化晶粒，获得大量晶界，晶界不仅能起到强化作用，而且能够提供一个快速的扩散通道，提高扩散效率。放电等离子烧结快速升温，冷却防止晶粒长大，改善了基体和渗铝的组织，得到的产品具有耐高温氧化和热腐蚀性能。本发明能够通过改变烧结温度，保温时间和脉冲电流来调节渗层的厚度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明方法电场加速渗铝原理图。
图2为本发明放电等离子烧结扩散示意图。
图3为本发明制备的渗铝层金相检验图，其中图3(a)为实施例1制备的渗铝层金相检验图，图3(b)为实施例2制备的渗铝层金相检验图。
图4为本发明制备的渗铝层金相检验图，其中图4(a)为实施例3制备的渗铝层金相检验图，图4(b)为实施例4制备的渗铝层金相检验图。
图5为本发明实施例5制备的渗铝层金相检验图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明提出了一种镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂及渗铝方法，运用放电等离子烧结的温度场、电场、磁场加速原子扩散，能够快速得到理想的渗铝层。本发明采用的放电等离子脉冲电流和等离子体能够加速扩散从而缩短工艺过程。具体实施例如下：
实施例1：
渗铝剂的配制：按铬粉(Cr)1.5～2.5％，氧化铝(Al2O3)79～80％，铝硅合金粉18～18.5％的比例，用精确度为0.1mg的电子天平称取300g，然后放入V型混料机中搅拌6h；渗铝之前的表面处理：Ni基合金采用线切割得到20mm*20mm*3mm的片状体样品，依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面；接着用99.99％的酒精对Ni基合金进行超声清洗10～15分钟，再放入真空干燥箱中100℃干燥20min；将300g渗铝剂和标准Ni基合金片状体依次装入石墨模具，以100℃/min的速度快速升到1000℃，放电等离子炉中保温30min，采用8/2的脉冲电流；取出后清洗，用刚玉喷砂，最后在30min内进行色质检验，金相检验。能够得到质地均匀，渗层厚度60μm的渗铝层。
实施例2：
渗铝剂的配制：按铬粉(Cr)1.5～2.5％，氧化铝(Al2O3)79～80％，铝硅合金粉18～18.5％，用精确度为0.1mg的电子天平称取300g，然后放入V型混料机中搅拌6h；渗铝之前的表面处理：Ni基合金采用线切割得到20mm*20mm*3mm的片状体样品，依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面；接着用99.99％的酒精对Ni基合金进行超声清洗10～15分钟，再放入真空干燥箱中100℃干燥20min；将300g渗铝剂和标准Ni基合金片状体依次装入石墨模具，以100℃/min的速度快速升到1000℃，放电等离子炉中保温30min，采用12/2的脉冲电流；取出后清洗，用刚玉喷砂，最后在30min内进行色质检验，金相检验。能够得到质地均匀，渗层厚度约为50μm的渗铝层。
实施例3：
渗铝剂的配制：按铬粉(Cr)1.5～2.5％，氧化铝(Al2O3)79～80％，铝硅合金粉18～18.5％，用精确度为0.1mg的电子天平称取300g，然后放入V型混料机中搅拌6h；渗铝之前的表面处理：Ni基合金采用线切割得到20mm*20mm*3mm的片状体样品，依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面；接着用99.99％的酒精对Ni基合金进行超声清洗10～15分钟，再放入真空干燥箱中100℃干燥20min；将300g渗铝剂和标准Ni基合金片状体依次装入石墨模具，以100℃/min的速度快速升到1000℃，放电等离子炉中保温30min，采用6/2的脉冲电流；取出后清洗，用刚玉喷砂，最后在30min内进行色质检验，金相检验。能够得到质地均匀，渗层厚约为110μm的渗铝层。
实施例4：
渗铝剂的配制：按铬粉(Cr)1.5～2.5％，氧化铝(Al2O3)79～80％，铝硅合金粉18～18.5％，用精确度为0.1mg的电子天平称取300g，然后放入V型混料机中搅拌6h；渗铝之前的表面处理：Ni基合金采用线切割得到20mm*20mm*3mm的片状体样品，依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面；接着用99.99％的酒精对Ni基合金进行超声清洗10～15分钟，再放入真空干燥箱中100℃干燥20min；将300g渗铝剂和标准Ni基合金片状体依次装入石墨模具，以100℃/min的速度快速升到1000℃，放电等离子炉中保温30min，采用1/0的脉冲电流；取出后清洗，用刚玉喷砂，最后在30min内进行色质检验，金相检验。能够得到质地均匀，渗层厚度约为100μm的渗铝层。
实施例5(对比实施例)：
渗铝剂的配制：按铬粉(Cr)1.5～2.5％，氧化铝(Al2O3)78～79％，铝硅合金粉18～18.5％，氯化铵(NH3Cl)1％。用精确度为0.1mg的电子天平称取300g，然后放入V型混料机中搅拌6h；渗铝之前的表面处理：Ni基合金采用线切割得到20mm*20mm*3mm的片状体样品，依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面；接着用99.99％的酒精对Ni基合金进行超声清洗10～15分钟，再放入真空干燥箱中100℃干燥20min；将300g渗铝剂和标准Ni基合金片状体依次装入氧化铝方舟，以10℃/min的速度快速升到1000℃，保温2h；取出后清洗，用刚玉喷砂，最后在30min内进行色质检验，金相检验。实验结果如图5所示，采用真空烧结渗铝方法虽然能够得到质地均匀，但是渗层厚度不均匀，且厚度仅为10～20μm，并无法控制渗层厚度。
综上，本发明采用的放电等离子脉冲电流和等离子体能够加速扩散从而缩短工艺过程。现有的渗铝剂和渗铝工艺存在加工过程过长，渗铝温度过高，渗铝层的厚度不均一，容易产生氧化层的剥落和开裂等问题。为了克服这些不足，本发明提出了一种镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂及渗铝方法，运用放电等离子烧结的温度场，电场，磁场加速原子扩散，能够快速得到理想的渗铝层。图1为本发明方法电场加速渗铝原理图；图2为本发明放电等离子烧结扩散示意图。
本发明从源头上消除一些不利因素；结合放电等离子烧结的优势，细化晶粒，获得大量晶界，晶界不仅能起到强化作用，而且能够提供一个快速的扩散通道，提高扩散效率。
本发明中放电等离子烧结中脉冲电流对样品有重要的影响，脉冲电流能够活化金属Al阳离子，使Al离子快速扩散到基体内，生成Al相。而且，脉冲电流使得涂层/基体界面元素分布均匀，呈现同一性的特性。
放电等离子烧结释放的脉冲电流也使得铝元素活化，获得比传统方法更多的活性离子。同时脉冲电流加速扩散的作用，能够快速完成渗铝。
放电等离子烧结能够细化晶粒，获得大量晶界，晶界不仅能起到强化作用，而且能够提供一个快速的扩散通道，提高扩散效率。
放电等离子烧结快速升温，冷却防止晶粒长大，改善了基体和渗铝的组织，得到的产品具有耐高温氧化和热腐蚀性能。
本发明能够通过改变烧结温度，保温时间和脉冲电流来调节渗层的厚度。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：包括，
采用放电等离子烧结法，将所述镍基合金与渗铝剂装入石墨模具，快速升温至1000℃，于放电等离子炉中保温20～40min；
所述渗铝剂，包括铬粉、氧化铝、铝硅合金粉，其中，以质量比计，所述铬粉含量为1.5～2.5％、所述氧化铝含量为79～80％、所述铝硅合金粉含量为18～18.5％。
2.如权利要求1所述的镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：所述快速升温，升温速度为100℃/min。
3.如权利要求1所述的镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：还包括，
预处理：将所述镍基合金打磨后，进行抛光或喷砂处理，再进行超声清洗，干燥。
4.如权利要求3所述的镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：所述预处理，包括将所述镍基合金依次用600目，800目，1000目，1500目，2000目的水磨砂纸进行打磨然后用0.5金刚石抛光至镜面或进行喷砂处理，接着用酒精对镍基高温合金进行超声清洗10-15分钟，再放入干燥箱中干燥。
5.如权利要求1所述的镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：还包括，
冷却：采用放电等离子烧结法，将所述镍基合金与渗铝剂装入石墨模具，快速升温至1000℃，于放电等离子炉中保温30min后，冷却至室温，进行表面清洗、喷砂。
6.如权利要求1所述的镍基高温合金表面渗铝方法，其特征在于：所述渗铝剂的用量为每个20mm*20mm*3mm的镍基合金片使用300g所述渗铝剂。
7.权利要求1所述的镍基高温合金表面渗铝方法得到的产品，其特征在于：所述产品的渗铝层厚度为50～110μm，渗铝层质地均匀。
8.一种镍基高温合金表面铝铬硅固体粉末渗铝剂，其特征在于：包括铬粉、氧化铝、铝硅合金粉，其中，以质量比计，所述铬粉含量为1.5～2.5％、所述氧化铝含量为79～80％、所述铝硅合金粉含量为18～18.5％。
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