[发明专利]一种钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于热处理领域，具体为一种钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法。

背景技术

发动机高压涡轮导向叶片是航空发动机的重要热端部件，在工作条件下其表面存在高温氧化腐蚀现象，尤其是叶片的内腔腐蚀与氧化已成为发动机设计的一项技术难题。为了提高叶片的可靠性和延长叶片使用寿命，高导叶片内外流道表面同时采用了高温防护技术，即在高导叶片外流道表面制备深度为0.02mm～0.055mm的渗铝层，内腔制备0.01mm～0.035mm的渗铝层。高导叶片采用的是综合力学性能好的DZ40M钴基铸造高温合金，该合金与铝元素结合形成以钴铝相为主的表面渗层，能够起到良好的抗高温氧化和抗腐蚀作用。

铝防护渗层可以通过多种方法制备，如：固体法、气体法、料浆法、化学气相沉积法。固体法是将需要涂覆的零件置于容器内，容器用粉状混合物填充。固体法简单，无须使用复杂的夹具和设备，主要是用以制取没有气孔和没有剥落缺陷的高质量均匀涂层。料浆法是涂层材料以料浆形式，即以金属氧化物粉末或其他化合物粉末的浓缩悬浮液的形式，喷涂在零件表面上，然后在高温下烧结。料浆法生产效率高，但是也无法用于带有内腔的零件。气体法和化学气相沉积法均是用气体法制取涂层，先制成含饱和元素的气态化合物，然后将其输送给零件，经过热分解反应、还原反应、歧化反应或其他输气反应而沉淀出饱和元素的原子，形成涂层。气体法与化学气相沉积方法在原理上是一致的，但是气体法不可控，而且渗层深度较浅。而最新研究的化学气相沉积(CVD)是将反应气体直接通入设备中，通过借助扩散和对流进入零件内腔气冷通道和小孔中的反应气体与灼热的零件内表面进行化学反应，在内腔表面生成沉积或扩散型防护涂层，特别适合于导向叶片组合件气冷内腔防护涂层的制备，国内化学气相沉积工艺刚刚起步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，采用化学气相沉积方法在钴基高温合金叶片上制备铝化物渗层，能够在复杂空心叶片内外表面同时制备防护渗层，满足发动机叶片设计要求。

本发明的技术方案是：

一种钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，在钴基合金叶片的内腔及外流道表面同时制备渗铝层，具体步骤如下：

(1)将铝颗粒平铺于反应器中；

(2)对钴基合金叶片待沉积涂层部位进行水吹砂处理，去除表面氧化层；

(3)将钴基合金叶片放在质量分数为5％～10％水基清洗剂溶液中，使用超声波清洗机超声波清洗20～30min后，用清水漂洗干净，无水乙醇脱水、电吹风机吹干；

(4)将钴基合金叶片装于夹具上，将装有钴基合金叶片的夹具置于化学气相沉积设备的反应室工位上；

(5)将加热炉升温至1000～1100℃，反应室真空度为80～120mbar，反应器温度200～400℃，向反应器内通入H₂，H₂气体流量为20～40L/min，消除叶片表面氧化物污染层并保证炉温均匀性，通入HCl气体与内置发生反应器和外置发生反应器中的铝颗粒反应，HCl气体流量为0.5～2L/min，生成活性的AlCl₃前驱体，然后在载气H₂的输送下到反应室内与叶片基体发生化学反应，沉积涂层的时间为4h～5h；

(6)移开加热炉，将鼓风机罩在反应器上方，通H₂和N₂冷却，设定N₂气流量20L/min～40L/min，移开鼓风机和反应器，从工位上取下钴基合金叶片。

所述的钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，钴基合金叶片的化学成分和重量百分比为：0.43～0.55％C、24.5～26.5％Cr、9.5～11.5％Ni、7～8％W、0.6～1.2％Al、其余为Co。

所述的钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，反应器分别为反应室外置发生反应器和反应室内置发生反应器，通过反应室内置发生反应器在钴基合金叶片的内腔制备渗铝层，同时通过反应室外置发生反应器在钴基合金叶片的外流道表面制备渗铝层。

所述的钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，钴基合金叶片的外流道表面渗铝层深度为0.020mm～0.055mm，内腔渗铝层深度为0.010mm～0.035mm。

所述的钴基合金叶片内腔及外表面渗铝的工艺方法，经过渗铝后，渗铝层分两层，外层表面铝浓度达到24wt％～28wt％，扩散层表面铝浓度9.8wt％～13wt％。

本发明的优点及有益效果是：