一种涡轮叶片的化学气相沉积Al‑Si的方法技术

本发明专利技术公开了一种涡轮叶片的化学气相沉积Al‑Si的方法，所述方法包括遮蔽与装夹、主反应器高压加热、Al反应器加热渗Al、气化SiCl4渗Si以及扩散热处理和冷却。通过优化气相沉积的工艺流程，先气相渗Al再渗Si，将液相SiCl4气化后进行渗Si操作，调整反应温度、压力及时间的参数，协调Al‑Si各组分含量与厚度的关系，最终得到表面及内部冷却通道的渗层纯净无杂质且厚度均匀的涡轮叶片，叶片渗层厚度为30‑60μm，Al含量25‑35wt％，Si含量为2‑4％。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片的化学气相沉积Al-Si的方法
本专利技术涉及涡轮叶片加工领域，主要涉及一种涡轮叶片的化学气相沉积Al-Si的方法。
技术介绍
提高航空发动机的涡轮前温度可以有效提升发动机的工作效率及推重比，但是由于材料熔点的限制，目前高温合金的承温能力已接近极限，涡轮叶片的防护涂层在运行过程中易受到热腐蚀失效，高温所产生的氧化及腐蚀是影响叶片使用寿命的关键因素，因此采取一定的防护手段可以有效提升其使用寿命。涂覆铝化物涂层是提高叶片内腔耐高温氧化最有效的方法，但是单一铝化物涂层存在抗热腐蚀能力不足的缺陷，在该涂层的基础上通过添加Cr、Si、Pt、稀土等元素不仅可以提升涂层使用寿命和抗氧化性能，还改善了单一渗铝层抗热腐蚀能力不足的问题。目前国内主要使用包埋法来制备铝化物涂层，采用Si粉、Al粉作为渗剂，将H2O、H3PO4、MgO、CrO3作为粘结剂，刷在叶片表面。CN103589992A公开了一种渗铝硅料浆及制备涡轮叶片表面铝硅渗层的方法。该专利技术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。制备步骤是：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。涡轮发动机的叶片内腔的冷却通道细小，且形状细致、复杂，采用传统的包埋法渗剂难以置于内腔冷却通道，涂覆效果很差，存在粘结剂颗粒易夹杂在涂层中，影响涂层结合强度及使用寿命等问题，很难对其进行有效防护，而且反应过程气体浓度变化巨大，渗层厚度难以控制，渗后叶片表面存在浆料粘结，不易清理。因此，研发一种表面及内部冷却通道的渗层均匀无杂质的涡轮叶片的制备方法具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。
技术实现思路
针对现有技术的不足和市场的需求，本专利技术提供了一种涡轮叶片的化学气相沉积Al-Si的方法，通过优化工艺流程，先气相渗Al再渗Si，采用将液相SiCl4进行气化渗Si的操作，调整反应温度、时间和压力，最终得到表面及内部通道的渗层均匀无杂质的涡轮叶片，具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。第一方面，本专利技术提供一种涡轮叶片的化学沉积Al-Si的方法，包括如下步骤：(1)将叶片进行遮蔽并装夹在主反应器上；(2)将主反应器抽真空，通入Ar加压后再加热通H2；(3)加热外部Al反应器并通入HCl和H2进行反应；(4)将步骤(3)得到的产物通入内部Al反应器进行渗Al；(5)将液相SiCl4气化后与Ar混合通入主反应器进行渗Si；(6)主反应器通入H2进行扩散热处理，再通入Ar冷却后取下叶片。专利技术人在充分研究涡轮叶片的加工方法和化学气相沉积的工艺流程后，为解决叶片渗层有杂质且不均匀的问题，将化学气相沉积应用到涡轮叶片的加工过程，创造性地应用液相SiCl4并将其气化后进行渗Si操作，使得反应速率及气压更可控，并优化工艺流程，调整温度、压力和时间的参数，最终得到表面及内部冷却通道的渗层纯净无杂质且厚度均匀一致的涡轮叶片。优选地，步骤(2)所述加压的压力为100-500mbar，例如可以是100mbar、200mbar、300mbar、400mbar或500mbar。优选地，步骤(2)所述加热的温度为900-1050℃，例如可以是900℃、920℃、950℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃或1050℃。优选地，步骤(3)所述加热的温度为300-330℃，例如可以是300℃、310℃、320℃或330℃。优选地，步骤(4)所述渗Al的反应时间为120-240min，例如可以是120min、140min、160min、180min、200min、220min或240min。优选地，步骤(5)所述渗Si的反应时间为60-180min，例如可以是60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min、130min、140min、150min、160min、170min或180min。优选地，步骤(6)所述热处理的处理时间为2-4h，例如可以是2h、3h或4h。优选地，步骤(6)所述热处理的处理温度为980-1050℃，例如可以是980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃或1050℃。作为优选技术方案，具体包括如下步骤：(1)将叶片进行遮蔽并装夹在主反应器上；(2)将主反应器抽真空，通入Ar加压至100-500mbar，再加热至900-1050℃后通入H2；(3)加热外部Al反应器至300-330℃，通入HCl和H2进行反应；(4)将步骤(3)得到的产物通入内部Al反应器反应120-240min，进行渗Al；(5)将液相SiCl4气化后与Ar混合通入主反应器反应60-180min，进行渗Si；(6)主反应器通入H2进行扩散热处理，处理温度为980-1050℃，处理时间为2-4h，再通入Ar冷却后取下叶片。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述方法沉积得到的渗Al-Si涡轮叶片。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提供的方法采用化学气相渗Al-Si，不带入任何杂质，能够充分的保证涂层纯净，叶片渗层后无需进行任何表面清理；(2)本专利技术提供的方法采用先渗气相渗Al后渗Si的工艺，能够有效的保证渗层中的Si含量；采用外部反应器生成气体，通入主反应器内的气体速率可控，可准确的控制反应气体分压，精确控制渗层厚度；(3)本专利技术提供的方法制备得到表面及内部冷却通道的渗层纯净无杂质且厚度均匀的涡轮叶片，叶片渗层厚度为30-60μm，Al含量25-35wt％，Si含量为2-4％。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术所采取的技术手段及其效果，以下结合本专利技术的优选实施例来进一步说明本专利技术的技术方案，但本专利技术并非局限在实施例范围内。实施例1对一种材料为CMSX-4的航空发动机单晶涡轮动叶片进行渗Al-Si，具体步骤如下：(1)将叶片叶顶及榫头及其他装配面进行遮蔽，并装夹在主反应器的工装上；(2)将主反应器抽真空，然后通入Ar。反应器压力达到100mbar后由真空泵及波纹阀闭环控制使反应器达到压力稳定后开始加热，达到900℃后停止通入Ar，并开始通入H2；(3)主反应器到达900℃后，加热Al发生器至300℃，通入HCl气体至Al发生器，通入H2至Al发生器。将反应生成的气相AlCl通入内部Al发生器，保持120min；(4)渗Al结束后，将SiCl4液体由转子流量器控制，通入气化器，将气化后的SiCl4与作为载气的Ar混合并入主反应器内，保持60min后停止通入；(5)渗Si结束后，主反应器保持通入H2，进行扩散热处理，温度980℃，保温时间2h，再通入Ar进行冷却，开启主反应器，取下叶片。实施例2对一种材料为CMSX-4的航空发动机单晶涡轮动叶片进行渗Al-Si，具体步骤如下：(1)将叶片叶顶及榫头及其他装配面进行遮蔽，并装夹在主反应器的工装上；(2)将主反应器抽真空，然后通入Ar。反应器压力达到500mbar后由真空泵及波纹阀闭环控制使反应器达到压力稳定后开始加热，达到1050℃后停止通入Ar，并开始通入H2；(3)主反应器到达1050℃后，加热Al发生器至330℃，通入HCl气体至Al发生器，通入H2至Al发生器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮叶片的化学气相沉积Al‑Si的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将叶片进行遮蔽并装夹在主反应器上；(2)将主反应器抽真空，通入Ar加压后再加热通H2；(3)加热外部Al反应器并通入HCl和H2进行反应；(4)将步骤(3)得到的产物通入内部Al反应器进行渗Al；(5)将液相SiCl4气化后与Ar混合通入主反应器进行渗Si；(6)主反应器通入H2进行扩散热处理，再通入Ar冷却后取下叶片。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片的化学气相沉积Al-Si的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将叶片进行遮蔽并装夹在主反应器上；(2)将主反应器抽真空，通入Ar加压后再加热通H2；(3)加热外部Al反应器并通入HCl和H2进行反应；(4)将步骤(3)得到的产物通入内部Al反应器进行渗Al；(5)将液相SiCl4气化后与Ar混合通入主反应器进行渗Si；(6)主反应器通入H2进行扩散热处理，再通入Ar冷却后取下叶片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述加压的压力为100-500mbar。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述加热的温度为900-1050℃。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述加热的温度为300-330℃。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述渗Al的反应时间为120-240min。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述渗S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁磊，崔启政，李宏然，王烜烽，
申请(专利权)人：无锡透平叶片有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32