CN112195437B - 一种铝铬共渗渗剂及其应用 - Google Patents

一种铝铬共渗渗剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝铬共渗渗剂及其应用，本发明之铝铬共渗渗剂，主要包括以下重量百分比的原料：50－53％Al2O3，38－42％Cr粉，7－9％Al粉,0.3－0.5％NH4Cl。本发明还包括所述铝铬共渗渗剂的应用，其用于制备铝铬渗层，包括以下步骤：(1)渗剂配置；(2)渗剂焙烧；(3)渗剂空烧；(4)吹砂；(5)铝铬共渗；(6)清洗；(7)扩散；(8)吹砂。本发明通过研制铝铬共渗渗剂，并匹配相应的铝铬共渗工艺，满足零部件铝铬渗层深度、组织、成分、抗氧化性、抗燃气腐蚀性、耐蚀性等相关要求，取代进口渗剂。

Description

一种铝铬共渗渗剂及其应用
技术领域
本发明涉及一种铝铬共渗渗剂及其应用，特别地，涉及一种国产铝铬共渗渗剂及其在涡轮叶片和导向器等零部件上制备铝铬渗层的应用。
背景技术
发动机涡轮叶片和导向器等零部件经常采用铝铬共渗渗层提高其抗高温氧化及燃气腐蚀能力，目前的铝铬共渗渗剂采购依赖进口,每批渗剂的成分、配比及形貌粒度不确定,铝铬共渗质量波动大,同时渗剂的采购依赖于进口，受国外多种因素影响,无法保证持续稳定供应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术铝铬共渗渗剂依赖于进口的不足，提供一种铝铬共渗渗剂。
本发明进一步提供铝铬共渗渗剂的应用，用于制备发动机涡轮叶片和导向器等零部件的铝铬渗层，带有渗层的零件的性能与使用进口渗剂相当。
本发明之铝铬共渗渗剂，主要包括以下重量百分比的原料：50－53％Al2O3，38－42％Cr粉，7－9％Al粉,0.3－0.5％NH4Cl。
进一步，优选以下重量百分比的原料：51.6％Al2O3，40％Cr粉，8％Al粉,0.4％NH4Cl。
本发明之铝铬共渗渗剂的应用，用于制备铝铬渗层，包括以下步骤：
(1)渗剂配置：按重量百分比配置铝铬共渗渗剂；
(2)渗剂焙烧：将配置好的铝铬共渗渗剂升温至1080℃±15℃，保温15h～15.5h,随炉冷却；冷却后，添加相当于铝铬共渗渗剂质量0.4－1％的铝粉、0.4－0.8％的铬粉、0.3－0.5％的NH4Cl，得混合渗剂；
进一步，步骤(2)中，优选添加相当于铝铬共渗渗剂质量0.8％的铝粉、0.6％的铬粉、0.4％的NH4Cl；
本发明额外添加铝粉、铬粉、氯化氨，可以补充渗剂中微量成分的损失。
(3)渗剂空烧：将步骤(2)所得混合渗剂升温至1020℃±10℃，保温10h～12h，随炉冷却；
步骤(2)对铝铬共渗渗剂进行焙烧，焙烧冷却后添加一定量的铝粉、铬粉、氯化铵，步骤(3)对渗剂进行空烧，焙烧和空烧能使渗剂预合金化、降低渗剂活性，确保制备的渗层深度和渗层的成份满足要求。研究表明，如果不进行预处理，渗剂活性太高，渗层深度过深，渗层表层的铝含量和铬含量过高，渗层脆性大，容易剥落，达不到使用要求。
(4)吹砂：用刚玉砂对待处理零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒；
进一步，步骤(4)中，刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力≤0.25MPa。
(5)铝铬共渗：将容器II升温至1020℃±10℃，保温1h以上；将零部件和渗剂装入容器I中，往容器I中通入氩气置换空气，氩气流量为(1～1.5)m3/h，通氩气时间≥1小时后，将容器I置于容器II中，容器I内的温度逐渐升高，当容器I中的温度升至≥750℃时，用(1±0.2)m3/h流量的氢气置换容器I中的氩气,置换完成后持续以(1±0.2)m3/h流量通入氢气，当容器I中的温度升至≥1000℃时，开始计时保温10h～12h，时间到后将容器I置于常温环境中，加大氢气流量到(1.5～2)m3/h；当容器I中的温度降至500℃～800℃时，停止通入氢气，重新通入流量为(1.5～2)m3/h氩气，当容器I内的温度≤100℃时，停止通氩气，取出容器I中的零部件；
进一步，步骤(5)中，所述容器II为铝铬共渗炉。所述容器I为坩埚。
本步骤中，精准控制温度，温度太高，渗层深度可能超深，温度太低，渗层深度可能偏浅，都达不到使用要求。
本步骤中通氩气是为了排除容器I中的氧气，防止零部件和渗剂氧化，中间换氢气是为了铝铬共渗时还原渗剂，防止渗剂变质。
(6)清洗：用压缩空气吹扫零部件表面残留铝铬共渗渗剂，然后在≥70℃的热水中浸泡后用刷子刷洗干净；
(7)扩散：将零部件置于温度1020℃±10℃下保温4h～4.5h，然后以(3～4)℃/min的冷却速度冷至1000℃以下，通入压力为2.5－3.5bar(优选3bar)的氩气，待零部件冷至温度≤100℃时，出炉空冷；
进一步，通入氩气的时候，开风扇冷却。
因为步骤(5)中铝铬共渗是随炉冷，慢冷。本步骤中扩散的目的是为了增加一次高温快冷，确保零件性能合格。
(8)吹砂：用刚玉砂对零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒，即得。
进一步，步骤(8)中，刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力≤0.25MPa。
进一步，对经处理的零部件进行表面检查，无鳞状剥落、无裂纹、无严重碰划伤等缺陷即为合格。铝铬渗层深度、组织检查应符合相关技术要求，力学性能满足专用技术文件要求。
本发明通过研制一种国产铝铬共渗渗剂，并匹配相应的铝铬共渗工艺，满足零部件铝铬渗层深度、组织、成分、抗氧化性、抗燃气腐蚀性、耐蚀性等相关要求，取代进口渗剂。
本发明的有益效果：
1、本发明提供一种新的铝铬共渗渗剂，通过改变原料及配比，确保渗剂适用于制备发动机涡轮叶片和导向器等零部件的铝铬渗层，渗层的性能与使用进口渗剂相当。
2、本发明铝铬共渗渗剂用于制备铝铬渗层的方法中，对铝铬共渗渗剂进行焙烧，焙烧冷却后添加一定量的铝粉、铬粉、氯化铵，再对渗剂进行空烧，焙烧和空烧能使渗剂预合金化、降低渗剂活性，确保制备的渗层深度和渗层的成份满足要求。
3、本发明铝铬共渗渗剂用于制备铝铬渗层的方法铝铬共渗步骤中，精准控制温度和气体的流量，确保渗层深度达到使用要求。
4、本发明的国产铝铬共渗渗剂及应用方法，可推广应用至其他涡轴、涡扇及新一代涡桨/涡轴等多个型号发动机涡轮部件，可完全取代进口铝铬共渗渗剂，能打破对进口铝铬共渗渗剂的依赖，能降低成本。
5、研究表明，采用本发明的国产渗剂加工的渗层和采用进口市售渗剂加工的渗层组织基本相当，渗层均呈两层结构：外层为NiAl(β相)及块状Al2O3，无一次碳化物；扩散层为NiAl(β相)+γ′+碳化物+σ相。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的国产渗剂制备K417材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图2是市售进口渗剂制备K417材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图3是本发明优选实施例2的国产渗剂制备K418B材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图4是市售进口渗剂制备K418B材料铝铬渗层的渗层电镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本发明之铝铬共渗渗剂，主要包括以下重量百分比的原料：
51.6％Al2O3，40％Cr粉，8％Al粉,0.4％NH4Cl。
本发明之铝铬共渗渗剂的应用，用于K417材料上制备铝铬渗层，包括以下步骤：
(1)渗剂配置：按重量百分比配置铝铬共渗渗剂；
(2)渗剂焙烧：将配置好的铝铬共渗渗剂升温至1080℃，保温15h,随炉冷却；冷却后，添加相当于铝铬共渗渗剂质量0.8％的铝粉、0.6％的铬粉、0.4％的NH4Cl，得混合渗剂；
(3)渗剂空烧：将步骤(2)所得混合渗剂升温至1020℃，保温10h，随炉冷却；
步骤(2)对铝铬共渗渗剂进行焙烧，焙烧冷却后添加一定量的铝粉、铬粉、氯化铵，步骤(3)对渗剂进行空烧，焙烧和空烧能使渗剂预合金化、降低渗剂活性，确保制备的渗层深度和渗层的成份满足要求。研究表明，如果不进行预处理，渗剂活性太高，渗层深度过深，渗层表层的铝含量和铬含量过高，渗层脆性大，容易剥落，达不到使用要求。
(4)吹砂：用刚玉砂对待处理零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒；
刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力为0.25MPa。
(5)铝铬共渗：将容器II升温至1020℃±10℃，保温1h；将零部件和渗剂装入容器I中，往容器I中通入氩气置换空气，氩气流量为1.5m3/h，通氩气时间1小时后，将容器I置于容器II中，容器I内的温度逐渐升高，当容器I中的温度升至750℃时，用1m3/h流量的氢气置换容器I中的氩气,置换完成后持续以1m3/h流量通入氢气，当容器I中的温度升至1000℃时，开始计时保温10h，时间到后将容器I置于常温环境中，加大氢气流量到1.5m3/h；当容器I中的温度降至500℃时，停止通入氢气，重新通入流量为1.5m3/h氩气，当容器I内的温度为100℃时，停止通氩气，取出容器I中的零部件；
所述容器II为铝铬共渗炉。所述容器I为坩埚。
本步骤中，精准控制温度，温度太高，渗层深度可能超深，温度太低，渗层深度可能偏浅，都达不到使用要求。
(6)清洗：用压缩空气吹扫零部件表面残留铝铬共渗渗剂，然后在70℃的热水中浸泡后用刷子刷洗干净；
(7)扩散：将零部件置于温度1020℃下保温4hh，然后以3℃/min的冷却速度冷至1000℃，通入压力为3bar的氩气，待零部件冷至温度为100℃时，出炉空冷；
通入氩气的时候，开风扇冷却。
(8)吹砂：用刚玉砂对零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒，即得。
刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力为0.25MPa。
对经处理的零部件进行表面检查，无鳞状剥落、无裂纹、无严重碰划伤等缺陷即为合格。铝铬渗层深度、组织检查应符合相关技术要求，力学性能满足专用技术文件要求。
本实施例之国产铝铬共渗渗剂，匹配相应的铝铬共渗工艺，满足零部件铝铬渗层深度、组织、成分、抗氧化性、抗燃气腐蚀性、耐蚀性等相关要求，取代进口渗剂。
实施例2
本发明之铝铬共渗渗剂，主要包括以下重量百分比的原料：50％Al2O3，42％Cr粉，7.5％Al粉,0.5％NH4Cl。
本发明之铝铬共渗渗剂的应用，用于K418B材料上制备铝铬渗层，包括以下步骤：
(1)渗剂配置：按重量百分比配置铝铬共渗渗剂；
(2)渗剂焙烧：将配置好的铝铬共渗渗剂升温至1090℃，保温15.5h,随炉冷却；冷却后，添加相当于铝铬共渗渗剂质量1％的铝粉、0.8％的铬粉、0.5％的NH4Cl，得混合渗剂；
(3)渗剂空烧：将步骤(2)所得混合渗剂升温至1030℃，保温12h，随炉冷却；
步骤(2)对铝铬共渗渗剂进行焙烧，焙烧冷却后添加一定量的铝粉、铬粉、氯化铵，步骤(3)对渗剂进行空烧，焙烧和空烧能使渗剂预合金化、降低渗剂活性，确保制备的渗层深度和渗层的成份满足要求。研究表明，如果不进行预处理，渗剂活性太高，渗层深度过深，渗层表层的铝含量和铬含量过高，渗层脆性大，容易剥落，达不到使用要求。
(4)吹砂：用刚玉砂对待处理零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒；
刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力为0.20MPa。
(5)铝铬共渗：将容器II升温至1020℃，保温1h；将零部件和渗剂装入容器I中，往容器I中通入氩气置换空气，氩气流量为1m3/h，通氩气时间1小时后，将容器I置于容器II中，容器I内的温度逐渐升高，当容器I中的温度升至750℃时，用1.2m3/h流量的氢气置换容器I中的氩气,置换完成后持续以1.2m3/h流量通入氢气，当容器I中的温度升至1000℃时，开始计时保温12h，时间到后将容器I置于常温环境中，加大氢气流量到2m3/h；当容器I中的温度降至800℃时，停止通入氢气，重新通入流量为1.5m3/h氩气，当容器I内的温度100℃时，停止通氩气，取出容器I中的零部件；
所述容器II为铝铬共渗炉。所述容器I为坩埚。
本步骤中，精准控制温度，温度太高，渗层深度可能超深，温度太低，渗层深度可能偏浅，都达不到使用要求。
(6)清洗：用压缩空气吹扫零部件表面残留铝铬共渗渗剂，然后在80℃的热水中浸泡后用刷子刷洗干净；
(7)扩散：将零部件置于温度1010℃下保温4.5h，然后以3℃/min的冷却速度冷至1000℃，通入压力为3.5bar的氩气，待零部件冷至温度为100℃时，出炉空冷；
通入氩气的时候，开风扇冷却。
(8)吹砂：用刚玉砂对零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒，即得。
刚玉砂的粒径≤200目。吹砂的压力为0.20MPa。
对经处理的零部件进行表面检查，无鳞状剥落、无裂纹、无严重碰划伤等缺陷即为合格。铝铬渗层深度、组织检查应符合相关技术要求，力学性能满足专用技术文件要求。
本发明通过研制一种国产铝铬共渗渗剂，并匹配相应的铝铬共渗工艺，满足零部件铝铬渗层深度、组织、成分、抗氧化性、抗燃气腐蚀性、耐蚀性等相关要求，取代进口渗剂。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例没有步骤(2)渗剂焙烧和步骤(3)渗剂空烧，其他参数、操作步骤与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于，本对比例没有步骤(2)渗剂焙烧和步骤(3)渗剂空烧，其他参数、操作步骤与实施例2相同。
对实施例1、2及对比例1、2所得带有铝铬渗层的材料进行渗层深度和渗层表层铝、铬含量进行检测，所得结果如下表所示。
表1渗剂进行预处理与不进行预处理试验结果对比表
Figure BDA0002749227370000101
对比例3
采用市售进口渗剂分别制备K417材料铝铬渗层、K418B材料铝铬渗层，市售的进口渗剂为法国进口HC11进口渗剂。制备铝铬渗层的方法分别与实施例1、实施例2相同。
图1是本发明优选实施例1的国产渗剂制备K417材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图2是市售进口渗剂制备K417材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图3是本发明优选实施例2的国产渗剂制备K418B材料铝铬渗层的渗层电镜图；
图4是市售进口渗剂制备K418B材料铝铬渗层的渗层电镜图。
研究表明，采用本发明的国产渗剂加工的渗层和采用进口市售渗剂加工的渗层组织基本相当，渗层均呈两层结构：外层为NiAl(β相)及块状Al2O3，无一次碳化物；扩散层为NiAl(β相)+γ′+碳化物+σ相。
对实施例1、实施例2及对比例3所得带有铝铬渗层的材料进行性能检测，所得结果如下表2和表3所示。
拉伸性能检测标准为：HB5143；持久性能检测标准为：HB5150。
表2带有铝铬渗层的K417材料性能对比表
Figure BDA0002749227370000111
表3带有铝铬渗层的K418B材料性能对比表
Figure BDA0002749227370000112
本发明的国产铝铬共渗渗剂及应用方法，可推广应用至其他涡轴、涡扇及新一代涡桨/涡轴等多个型号发动机涡轮部件，可完全取代进口铝铬共渗渗剂，能打破对进口铝铬共渗渗剂的依赖，能降低成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，用所述铝铬共渗渗剂制备铝铬渗层，其制备方法包括如下步骤：
(1)渗剂配置：按重量百分比配置铝铬共渗渗剂；
(2)渗剂焙烧：将配置好的铝铬共渗渗剂升温至1080℃±15℃，保温15h～15.5h,随炉冷却；冷却后，添加相当于铝铬共渗渗剂质量0.4－1％的铝粉、0.4－0.8％的铬粉、0.3－0.5％的NH4Cl，得混合渗剂；
(3)渗剂空烧：将步骤(2)所得混合渗剂升温至1020℃±10℃，保温10h～12h，随炉冷却；
(4)吹砂：用刚玉砂对待处理零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒；
(5)铝铬共渗：将容器II升温至1020℃±10℃，保温1h以上；将零部件和渗剂装入容器I中，往容器I中通入氩气置换空气，氩气流量为(1～1.5)m3/h，通氩气时间≥1小时后，将容器I置于容器II中，容器I内的温度逐渐升高，当容器I中的温度升至≥750℃时，用(1±0.2)m3/h流量的氢气置换容器I中的氩气,置换完成后持续以(1±0.2)m3/h流量通入氢气，当容器I中的温度升至≥1000℃时，开始计时保温10h～12h，时间到后将容器I置于常温环境中，加大氢气流量到(1.5～2)m3/h；当容器I中的温度降至500℃～800℃时，停止通入氢气，重新通入流量为(1.5～2)m3/h氩气，当容器I内的温度≤100℃时，停止通氩气，取出容器I中的零部件；
(6)清洗：用压缩空气吹扫零部件表面残留铝铬共渗渗剂，然后在≥70℃的热水中浸泡后用刷子刷洗干净；
(7)扩散：将零部件置于温度1020℃±10℃下保温4h～4.5h，然后以(3～4)℃/min的冷却速度冷至1000℃以下，通入压力为2.5～3.5bar的氩气，待零部件冷至温度≤100℃时，出炉空冷；
(8)吹砂：用刚玉砂对零部件进行吹砂，吹砂完成后，用吹风机清理表面残留砂粒，即得；
所述铝铬共渗渗剂包括以下重量百分比的原料：50－53％Al2O3，38－42％Cr粉，7－9％Al粉,0.3－0.5％NH4Cl。
2.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：51.6％Al2O3，40％Cr粉，8％Al粉,0.4％NH4Cl。
3.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(2)中，添加相当于铝铬共渗渗剂质量0.8％的铝粉、0.6％的铬粉、0.4％的NH4Cl。
4.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(4)中，刚玉砂的粒径≤200目。
5.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(4)中，吹砂的压力≤0.25MPa。
6.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(7)中，通入压力为3bar的氩气。
7.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(7)中，通入氩气的时候，开风扇冷却。
8.根据权利要求1所述的铝铬共渗渗剂的应用，其特征在于，步骤(8)中，刚玉砂的粒径≤200目；吹砂的压力≤0.25MPa。
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