CN111621735A - 一种dd5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，首先将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理；然后将制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空；最后将试样在真空渗碳炉中进行低压脉冲式渗碳处理，获得渗碳层组织，即金属涂层阻扩散层。本发明采用气体渗碳的工艺方法，在DD5单晶表面制备一种金属涂层的阻扩散层，满足发动机涡轮叶片热障涂层的使用要求。

Description

一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片热障涂层技术领域，具体涉及一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法。
背景技术
随着发动机使用温度的不断提升，单晶高温合金越来越多的应用到高压涡轮工作叶片和高压涡轮导向叶片中。为进一步提升单晶叶片的耐热温度，往往需要在单晶叶片表面制备一层热障涂层，以提升单晶叶片的服役寿命。
目前，由于电弧离子镀技术制备的MCrAlY涂层具有涂层组织致密、等优点，已经广泛应用于多种涡轮叶片高温防护涂层的制备加工，显著提高了涡轮叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能。电子束物理气相沉积技术指标的YSZ陶瓷涂层，呈柱状晶结构，具有更高的结合强度和服役寿命，同时也可以降低涡轮叶片基体表面温度，从而延长了发动机工作寿命。
但是，在单晶表面制备一层热障涂层之后，由于高温服役条件下热障涂层与单晶基体之间的互扩散作用，在单晶基体表面产生二次反应区。二次反应区的形成机理主要因粘结层中的Al元素向内扩散以及合金中的W、Re基体元素等向外扩散，由于W、Re等是形成TCP相的主要元素，造成单晶高温合金在高温使用过程中TCP相的析出倾向增大，生成了富含W、Re针状TCP相，所在区域被称为二次反应区[4-6]。由于二次反应区富含TCP相，可能会对基体材料高温持久性能产生不利影响。
因此，为了防止热障涂层中的元素与基体中的元素产生TCP相，需要在基体与MCrAlY涂层之间制备一层具有阻扩散作用的阻挡层，从而阻碍TCP相和二次反应区的产生，从而保证单晶基体高温条件下的力学性能满足服役要求。
发明内容
本发明提供一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，以克服现有技术的缺陷，本发明采用气体渗碳的工艺方法，在DD5单晶表面制备一种金属涂层的阻扩散层，满足发动机涡轮叶片热障涂层的使用要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，包括以下步骤：
S1、前处理
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理；
S2、预抽真空
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空；
S3、阻扩散层制备
将试样在真空渗碳炉中进行气体渗碳处理，获得渗碳层组织，该渗碳层即为金属涂层阻扩散层。
进一步地，步骤S1中采用湿吹砂处理。
进一步地，湿吹砂处理具体为：风压0.1～0.2MPa，砂型为100～200目三氧化二铝砂，吹砂距离50～100mm。
进一步地，步骤S2中所述真空渗碳炉为具有冷却室和渗碳室的双室低压真空渗碳炉。
进一步地，步骤S2具体为：将前处理后的试样装入工装中，将工装连同试样一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到1×10-2mbar～5×10-2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到1×10-2mbar～5×10-2mbar后，试样转入渗碳室准备进行渗碳处理。
进一步地，步骤S3中进行气体渗碳处理时，渗剂为乙炔，载气为氩气。
进一步地，步骤S3中试样转入渗碳室后，开始加热，先将试样加热至750～850℃，并在750～850℃条件下保温30～60分钟，最后再升温至1000～1030℃进行渗碳。
进一步地，阻扩散层即渗碳层制备采用脉冲式渗碳方法进行，具体采用反复的强渗+扩散处理。
进一步地，所述脉冲式渗碳方法具体为：前2～3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：1～1：3；中间3～5个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：20～1：25；最后1～2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：5～1：7。
进一步地，制备得到的金属涂层阻扩散层深度为103.5μm-113.4μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明制备得到的DD5单晶表面金属涂层的阻扩散层可显著降低原子互扩散作用，大幅度提升单晶热障涂层的服役寿命。
(2)采用气体渗碳的工艺在单晶表面制备阻扩散层，工艺简单、稳定，操作简便，设备要求低，装炉量大。
(3)制备得到的阻扩散层较厚，而且阻扩散层组织均匀，阻扩散层中碳含量的升高可以与基体中的W、Mo、Re等元素形成MC相，有效阻止了W、Mo、Re等元素向外扩散，同时MC相的出现还可以对Al元素的内扩散起到一定的阻碍作用，从而有效地控制了TCP相和二次反应区的产生；同时，MC相的存在对热障涂层工艺不产生影响，工艺路线简单可靠。
附图说明
图1为实施例1DD5单晶金属涂层阻扩散显微组织；
图2为实施例2DD5单晶金属涂层阻扩散显微组织。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
本发明通过气体渗碳的方法，在DD5单晶高温合金表面制备一层渗碳层，起到阻碍金属涂层与基体材料原子互扩散作用，即一种DD5单晶表面金属涂层的阻扩散层制备方法。
该种金属涂层阻扩散层的具体加工步骤如下：
S1前处理：
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理。
步骤S1中DD5单晶高温合金材料，对试样外表面进行湿吹砂处理，风压0.1～0.2MPa，砂型为100～200目三氧化二铝砂，吹砂距离50～100mm。吹砂是去除试样表面钝化膜的重要方法，控制风压是防止DD5单晶合金产生再结晶。
S2预抽真空：
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空。
采用设备为双室低压真空渗碳炉。将前处理后的试样装入工装中，将工装连同零件一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到1×10- 2mbar～5×10-2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到1×10-2mbar～5×10-2mbar后，零件转入渗碳室准备进行渗碳处理。
S3阻扩散层制备：
将试样在真空渗碳炉中进行低压脉冲式渗碳处理，渗剂为乙炔，载气为氩气，获得渗碳层组织。
试样转入加热室后，开始加热，先以将试样加热至750～850℃，并在750～850℃条件下保温30～60分钟，然后再升温至1000～1030℃进行渗碳。阻扩散层制备采用脉冲式渗碳方法进行，即反复的强渗+扩散处理。前2～3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：1～1：3；中间3～5个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：20～1：25；最后1～2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：5～1：7。
S4金相检测：
对阻扩散层制备后的试样进行金相解剖分析，检测阻扩散层深度。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
S1前处理：
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理。
步骤S1中DD5单晶高温合金材料，对试样外表面进行湿吹砂处理，风压0.1MPa，砂型为100目三氧化二铝砂，吹砂距离50mm。吹砂是去除试样表面钝化膜的重要方法，控制风压是防止DD5单晶合金产生再结晶。
S2预抽真空：
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空。
采用设备为双室低压真空渗碳炉。将前处理后的试样装入工装中，将工装连同试样一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到1.5×10- 2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到1.5×10-2mbar后，试样转入渗碳室准备进行渗碳处理。
S3阻扩散层制备：
将试样在真空渗碳炉中进行低压脉冲式渗碳处理，渗剂为乙炔，载气为氩气，获得渗碳层组织。
试样转入渗碳室后，开始加热，先以将试样加热至750℃，并在750℃条件下保温40分钟，然后再升温至1000℃进行渗碳。阻扩散层制备采用脉冲式渗碳方法进行，即反复的强渗+扩散处理。前2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：1；2个脉冲循环强渗总时间为10分钟。中间3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：20；3个脉冲循环强渗总时间为6分钟。最后1个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：5；1个脉冲循环强渗时间为4分钟。
具体的，试样强渗总时间为20分钟，扩散总时间为150分钟。
S4金相检测：
对阻扩散层制备后的零件进行金相解剖分析，检测阻扩散层深度，检测结果如图1，从图中可以看出，阻扩散层深度约为103.5μm。
实施例2
S1前处理：
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理。
步骤S1中DD5单晶高温合金材料，对试样外表面进行湿吹砂处理，风压0.20MPa，砂型为150目三氧化二铝砂，吹砂距离90mm。吹砂是去除试样表面钝化膜的重要方法，控制风压是防止DD5单晶合金产生再结晶。
S2预抽真空：
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空。
采用设备为双室低压真空渗碳炉。将前处理后的试样装入工装中，将工装连同试样一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到5.0×10- 2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到5.0×10-2mbar后，试样转入渗碳室准备进行渗碳处理。
S3阻扩散层制备：
将试样在真空渗碳炉中进行低压脉冲式渗碳处理，渗剂为乙炔，载气为氩气，获得渗碳层组织。
试样转入渗碳室后，开始加热，先以将试样加热至800℃，并在800℃条件下保温60分钟，然后再升温至1020℃进行渗碳。阻扩散层制备采用脉冲式渗碳方法进行，即反复的强渗+扩散处理。前2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：3；2个脉冲循环强渗总时间为7分钟。中间3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：23；3个脉冲循环强渗总时间为7.5分钟。最后2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：7；2个脉冲循环强渗总时间为5分钟。
具体的，试样强渗总时间为19.5分钟，扩散总时间为228.5分钟。
S4金相检测：
对阻扩散层制备后的零件进行金相解剖分析，检测阻扩散层深度，检测结果如图2，从图中可以看出，阻扩散层深度约为113.4μm。
实施例3
S1前处理：
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理。
步骤S1中DD5单晶高温合金材料，对试样外表面进行湿吹砂处理，风压0.15MPa，砂型为200目三氧化二铝砂，吹砂距离100mm。吹砂是去除试样表面钝化膜的重要方法，控制风压是防止DD5单晶合金产生再结晶。
S2预抽真空：
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空。
采用设备为双室低压真空渗碳炉。将前处理后的试样装入工装中，将工装连同试样一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到1.0×10- 2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到1.0×10-2mbar后，试样转入渗碳室准备进行渗碳处理。
S3阻扩散层制备：
将试样在真空渗碳炉中进行低压脉冲式渗碳处理，渗剂为乙炔，载气为氩气，获得渗碳层组织。
试样转入渗碳室后，开始加热，先以将试样加热至850℃，并在850℃条件下保温30分钟，然后再升温至1030℃进行渗碳。阻扩散层制备采用脉冲式渗碳方法进行，即反复的强渗+扩散处理。前3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：2；3个脉冲循环强渗总时间为4分钟。中间5个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：25；5个脉冲循环强渗总时间为6分钟。最后2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：6；2个脉冲循环强渗总时间为3分钟。
具体的，试样强渗总时间为13分钟，扩散总时间为176分钟。
S4深度检测：
对阻扩散层制备后的零件进行金相解剖分析，检测阻扩散层深度约为110.5μm。

Claims (10)

1.一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、前处理
将DD5单晶高温合金材料进行固溶热处理，并按照设计图纸加工成要求尺寸，对外表面进行吹砂处理；
S2、预抽真空
将步骤S1制成的试样装在真空渗碳炉中，并进行抽真空；
S3、阻扩散层制备
将试样在真空渗碳炉中进行气体渗碳处理，获得渗碳层组织，该渗碳层即为金属涂层阻扩散层。
2.根据权利要求1所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，步骤S1中采用湿吹砂处理。
3.根据权利要求2所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，湿吹砂处理具体为：风压0.1～0.2MPa，砂型为100～200目三氧化二铝砂，吹砂距离50～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，步骤S2中所述真空渗碳炉为具有冷却室和渗碳室的双室低压真空渗碳炉。
5.根据权利要求4所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：将前处理后的试样装入工装中，将工装连同试样一起放入渗碳炉冷却室，然后开始对渗碳室进行抽真空，待渗碳室真空度达到1×10-2mbar～5×10-2mbar后，再对冷却室进行抽真空，待冷却室真空度达到1×10-2mbar～5×10-2mbar后，试样转入渗碳室准备进行渗碳处理。
6.根据权利要求5所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，步骤S3中进行气体渗碳处理时，渗剂为乙炔，载气为氩气。
7.根据权利要求6所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，步骤S3中试样转入渗碳室后，开始加热，先将试样加热至750～850℃，并在750～850℃条件下保温30～60分钟，最后再升温至1000～1030℃进行渗碳。
8.根据权利要求7所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，阻扩散层即渗碳层制备采用脉冲式渗碳方法进行，具体采用反复的强渗+扩散处理。
9.根据权利要求8所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，所述脉冲式渗碳方法具体为：前2～3个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：1～1：3；中间3～5个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：20～1：25；最后1～2个脉冲循环，强渗与扩散之间的时间的占空比为1：5～1：7。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种DD5单晶表面金属涂层阻扩散层制备方法，其特征在于，制备得到的金属涂层阻扩散层深度为103.5μm-113.4μm。
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