一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法

摘要

本发明属于化学气相沉积技术，涉及一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法。本发明的高硅含量渗铝硅料浆由渗剂和粘结剂组成，渗剂为纯铝粉和金属硅粉，粘结剂为丙酮、乙酰丙酮和硝化纤维素。本发明制备涡轮叶片表面铝硅渗层的步骤是：配制渗铝硅料浆；涡轮叶片表面清理；涂覆渗铝硅料浆；渗铝硅料浆干燥；形成铝硅渗层；清理涡轮叶片；铝硅渗层扩散。本发明提出了一种高硅含量渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法，满足航空发动机研制的需要。

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术，涉及一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法。

背景技术

目前国内用于制备涡轮叶片表面铝硅渗层的渗铝硅料浆中硅含量较低约为3%wt，没有10%wt高硅含量铝硅渗层工艺，无法满足新型航空发动机涡轮叶片高温及转动摩擦工作环境的使用要求。未检索到国外有关制备涡轮叶片表面铝硅渗层的公开文献。

发明内容

本发明的目的是：提出一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法，以满足航空发动机研制的需要。

本发明的技术方案是：一种渗铝硅料浆，其特征在于，它由渗剂和粘结剂组成，渗剂为纯铝粉和金属硅粉，纯铝粉占渗剂重量的20%～30%，余量为金属硅粉，纯铝粉的粒度为-1000目，金属硅粉的粒度为-200目，纯铝粉和金属硅粉的纯度为工业纯；粘结剂为丙酮、乙酰丙酮和硝化纤维素，每100ml丙酮中加入乙酰丙酮15ml～35ml组成丙酮和乙酰丙酮混合液，每100ml丙酮和乙酰丙酮混合液中加入硝化纤维素1.5g～4g；渗剂与粘结剂的用量为：每100ml粘结剂中加入75g～90g渗剂。

一种制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法，其特征在于，制备涡轮叶片表面铝硅渗层的步骤如下：

1、配制渗铝硅料浆：分别按上面所说高硅含量渗铝硅料浆的成分比例称取渗剂和粘结剂的原料，将渗剂和粘结剂分别混合，然后将渗剂和粘结剂混合，放在球磨机上球磨至少12h；

2、涡轮叶片表面清理：采用干吹砂或湿吹砂的方法清理涡轮叶片表面，砂型为三氧化二铝砂，粒度为120～220目，吹砂风压≤0.2MPa，吹砂时间5s～10s；

3、涂覆渗铝硅料浆：用刷子将渗铝硅料浆涂覆在涡轮叶片待制备渗铝硅层的表面，厚度为0.9mm～1.5mm；

4、渗铝硅料浆干燥：将涂覆渗铝硅料浆的涡轮叶片放在烘箱中干燥，温度为100℃～130℃，干燥时间不少于2h；

5、形成铝硅渗层：将涡轮叶片放入有盖的不锈钢料盒里，再置于马弗罐内，对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力达到-0.1MPa压力表值，回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值；再次对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力重新达到-0.1MPa压力表值，然后再次回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值，这样重复操作不少于3次；将马弗罐随炉加热至：900℃±10℃，保温时间为：20分钟～30分钟；然后随炉冷却至700℃以下将马弗罐出炉空冷至室温；

6、清理涡轮叶片：将涡轮叶片从马弗罐中取出，在流动水中用刷子清理掉表面残留的渗铝硅料浆，再用压缩空气将涡轮叶片吹干；

7、铝硅渗层扩散：将涡轮叶片放在真空炉中，抽真空到6.65×10^-2Pa，加热到800℃±10℃，分压到6.65～10.64Pa，继续加热到950℃±10℃，保温时间为：120分钟～140分钟，然后向真空炉中通入氩气冷却，使真空炉中压力保持0.8～1bar，并打开风扇，将涡轮叶片冷却到80℃以下出炉。

本发明的优点是：提出了一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法，满足了航空发动机研制的需要。

附图说明

图1是渗铝硅前后及扩散后试片的外观照片。其中a是渗铝硅前的试片外观照片，b是渗铝硅后的试片外观照片，c是扩散后的试片外观照片。在扩散前铝硅渗层较脆，易剥落；经扩散后形成致密的铝硅渗层。

图2是铝硅渗层放大500倍的金相组织照片。金相分析表明：渗层深度35～55μm，渗层组织均匀连续致密。经扩散处理后的铝硅渗层显微硬度值为733HV_0.1。

图3是渗层成分分析曲线。其中左图是铝元素含量随渗层深度的变化曲线，右图是硅元素含量随渗层深度的变化曲线。光谱检测表明：渗铝硅层中硅元素含量8～11%（wt），铝元素含量30～36%（wt）。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种渗铝硅料浆，其特征在于，它由渗剂和粘结剂组成，渗剂为纯铝粉和金属硅粉，纯铝粉占渗剂重量的20%～30%，余量为金属硅粉，纯铝粉的粒度为-1000目，金属硅粉的粒度为-200目，纯铝粉和金属硅粉的纯度为工业纯；粘结剂为丙酮、乙酰丙酮和硝化纤维素，每100ml丙酮中加入乙酰丙酮15ml～35ml组成丙酮和乙酰丙酮混合液，每100ml丙酮和乙酰丙酮混合液中加入硝化纤维素1.5g～4g；渗剂与粘结剂的用量为：每100ml粘结剂中加入75g～90g渗剂。

一种制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法，其特征在于，制备涡轮叶片表面铝硅渗层的步骤如下：

1、配制渗铝硅料浆：分别按上面所说高硅含量渗铝硅料浆的成分比例称取渗剂和粘结剂的原料，将渗剂和粘结剂分别混合，然后将渗剂和粘结剂混合，放在球磨机上球磨至少12h；

2、涡轮叶片表面清理：采用干吹砂或湿吹砂的方法清理涡轮叶片表面，砂型为三氧化二铝砂，粒度为120～220目，吹砂风压≤0.2MPa，吹砂时间5s～10s；

3、涂覆渗铝硅料浆：用刷子将渗铝硅料浆涂覆在涡轮叶片待制备渗铝硅层的表面，厚度为0.9mm～1.5mm；

4、渗铝硅料浆干燥：将涂覆渗铝硅料浆的涡轮叶片放在烘箱中干燥，温度为100℃～130℃，干燥时间不少于2h；

5、形成铝硅渗层：将涡轮叶片放入有盖的不锈钢料盒里，再置于马弗罐内，对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力达到-0.1MPa压力表值，回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值；再次对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力重新达到-0.1MPa压力表值，然后再次回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值，这样重复操作不少于3次；将马弗罐随炉加热至：900℃±10℃，保温时间为：20分钟～30分钟；然后随炉冷却至700℃以下将马弗罐出炉空冷至室温；

6、清理涡轮叶片：将涡轮叶片从马弗罐中取出，在流动水中用刷子清理掉表面残留的渗铝硅料浆，再用压缩空气将涡轮叶片吹干；

7、铝硅渗层扩散：将涡轮叶片放在真空炉中，抽真空到6.65×10^-2Pa，加热到800℃±10℃，分压到6.65～10.64Pa，继续加热到950℃±10℃，保温时间为：120分钟～140分钟，然后向真空炉中通入氩气冷却，使真空炉中压力保持0.8～1bar，并打开风扇，将涡轮叶片冷却到80℃以下出炉。

实施例1，制备某型航空发动机涡轮叶片铝硅渗层。

1、配制渗铝硅料浆：纯铝粉占渗剂重量的20%，余量为金属硅粉；每100ml丙酮中加入乙酰丙酮15ml组成丙酮和乙酰丙酮混合液，每100ml丙酮和乙酰丙酮混合液中加入硝化纤维素1.5g；渗剂与粘结剂的用量为：每100ml粘结剂中加入75g渗剂。分别按上面所说高硅含量渗铝硅料浆的成分比例称取渗剂和粘结剂的原料，将渗剂和粘结剂分别混合，然后将渗剂和粘结剂混合，放在球磨机上球磨12h；

2、涡轮叶片表面清理：采用干吹砂或湿吹砂的方法清理涡轮叶片表面，砂型为三氧化二铝砂，粒度为120目，吹砂风压为0.2MPa，吹砂时间5s；

3、涂覆渗铝硅料浆：用刷子将渗铝硅料浆涂覆在涡轮叶片待制备渗铝硅层的表面，厚度为0.9mm；

4、渗铝硅料浆干燥：将涂覆渗铝硅料浆的涡轮叶片放在烘箱中干燥，温度为100℃，干燥时间为3h；

5、形成铝硅渗层：将涡轮叶片放入有盖的不锈钢料盒里，再置于马弗罐内，对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力达到-0.1MPa压力表值，回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值；再次对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力重新达到-0.1MPa压力表值，然后再次回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值，这样重复操作3次；将马弗罐随炉加热至900℃，保温时间为20分钟；然后随炉冷却至680℃将马弗罐出炉空冷至室温；

6、清理涡轮叶片：将涡轮叶片从马弗罐中取出，在流动水中用刷子清理掉表面残留的渗铝硅料浆，再用压缩空气将涡轮叶片吹干；

7、铝硅渗层扩散：将涡轮叶片放在真空炉中，抽真空到6.65×10^-2Pa，加热到800℃，分压到6.65Pa，继续加热到950℃，保温时间为120分钟，然后向真空炉中通入氩气冷却，使真空炉中压力保持0.8bar，并打开风扇，将涡轮叶片冷却到70℃出炉。

按照实施例1的工艺方法，同时制备了铝硅渗层试片，试片的材质和某型航空发动机涡轮叶片的材质相同。参见图1，其中a是渗铝硅前的试片外观照片，b是渗铝硅后的试片外观照片，c是扩散后的试片外观照片。在扩散前铝硅渗层较脆，易剥落；经扩散后形成致密的铝硅渗层。

图2是试片切面的铝硅渗层放大500倍的金相组织照片。金相分析表明：渗层深度35～55μm，渗层组织均匀连续致密。经扩散处理后的铝硅渗层显微硬度值为733HV_0.1。

图3是试片渗层成分分析曲线。其中左图是铝元素含量随渗层深度的变化曲线，右图是硅元素含量随渗层深度的变化曲线。光谱检测表明：渗铝硅层中硅元素含量8～11%（wt），铝元素含量30～36%（wt）。

实施例2，制备某型航空发动机涡轮叶片铝硅渗层。

1、配制渗铝硅料浆：纯铝粉占渗剂重量的25%，余量为金属硅粉；每100ml丙酮中加入乙酰丙酮25ml组成丙酮和乙酰丙酮混合液，每100ml丙酮和乙酰丙酮混合液中加入硝化纤维素3g；渗剂与粘结剂的用量为：每100ml粘结剂中加入80g渗剂。分别按上面所说高硅含量渗铝硅料浆的成分比例称取渗剂和粘结剂的原料，将渗剂和粘结剂分别混合，然后将渗剂和粘结剂混合，放在球磨机上球磨14h；

2、涡轮叶片表面清理：采用干吹砂或湿吹砂的方法清理涡轮叶片表面，砂型为三氧化二铝砂，粒度为180目，吹砂风压为0.15MPa，吹砂时间8s；

3、涂覆渗铝硅料浆：用刷子将渗铝硅料浆涂覆在涡轮叶片待制备渗铝硅层的表面，厚度为1.2mm；

4、渗铝硅料浆干燥：将涂覆渗铝硅料浆的涡轮叶片放在烘箱中干燥，温度为120℃，干燥时间为2.5h；

5、形成铝硅渗层：将涡轮叶片放入有盖的不锈钢料盒里，再置于马弗罐内，对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力达到-0.1MPa压力表值，回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值；再次对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力重新达到-0.1MPa压力表值，然后再次回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值，这样重复操作4次；将马弗罐随炉加热至900℃，保温时间为25分钟；然后随炉冷却至680℃将马弗罐出炉空冷至室温；

6、清理涡轮叶片：将涡轮叶片从马弗罐中取出，在流动水中用刷子清理掉表面残留的渗铝硅料浆，再用压缩空气将涡轮叶片吹干；

7、铝硅渗层扩散：将涡轮叶片放在真空炉中，抽真空到6.65×10^-2Pa，加热到800℃，分压到8Pa，继续加热到950℃，保温时间为130分钟，然后向真空炉中通入氩气冷却，使真空炉中压力保持0.9bar，并打开风扇，将涡轮叶片冷却到60℃出炉。

叶片截面金相分析表明：渗层深度38～45μm，渗层组织均匀连续致密。

叶片表面铝硅渗层的光谱检测表明：渗铝硅层中硅元素含量8～10%（wt），铝元素含量30～33%（wt）。

实施例3，制备某型航空发动机涡轮叶片铝硅渗层。

1、配制渗铝硅料浆：纯铝粉占渗剂重量的30%，余量为金属硅粉；每100ml丙酮中加入乙酰丙酮35ml组成丙酮和乙酰丙酮混合液，每100ml丙酮和乙酰丙酮混合液中加入硝化纤维素4g；渗剂与粘结剂的用量为：每100ml粘结剂中加入90g渗剂。分别按上面所说高硅含量渗铝硅料浆的成分比例称取渗剂和粘结剂的原料，将渗剂和粘结剂分别混合，然后将渗剂和粘结剂混合，放在球磨机上球磨15h；

2、涡轮叶片表面清理：采用干吹砂或湿吹砂的方法清理涡轮叶片表面，砂型为三氧化二铝砂，粒度为220目，吹砂风压为0.1MPa，吹砂时间10s；

3、涂覆渗铝硅料浆：用刷子将渗铝硅料浆涂覆在涡轮叶片待制备渗铝硅层的表面，厚度为1.5mm；

4、渗铝硅料浆干燥：将涂覆渗铝硅料浆的涡轮叶片放在烘箱中干燥，温度为130℃，干燥时间为2h；

5、形成铝硅渗层：将涡轮叶片放入有盖的不锈钢料盒里，再置于马弗罐内，对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力达到-0.1MPa压力表值，回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值；再次对罐体抽真空，使压力表显示的罐内压力重新达到-0.1MPa压力表值，然后再次回充氩气到压力表显示的罐内压力达到0MPa压力表值，这样重复操作5次；将马弗罐随炉加热至900℃，保温时间为30分钟；然后随炉冷却至680℃将马弗罐出炉空冷至室温；

6、清理涡轮叶片：将涡轮叶片从马弗罐中取出，在流动水中用刷子清理掉表面残留的渗铝硅料浆，再用压缩空气将涡轮叶片吹干；

7、铝硅渗层扩散：将涡轮叶片放在真空炉中，抽真空到6.65×10^-2Pa，加热到800℃，分压到10Pa，继续加热到950℃，保温时间为140分钟，然后向真空炉中通入氩气冷却，使真空炉中压力保持1bar，并打开风扇，将涡轮叶片冷却到50℃出炉。

叶片截面金相分析表明：渗层深度40～50μm，渗层组织均匀连续致密。

叶片表面铝硅渗层的光谱检测表明：渗铝硅层中硅元素含量9～11%（wt），铝元素含量30～35%（wt）。