一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法，其特征在于：该方法依次包括下列步骤：对原料进行预处理；对坩埚及锭模进行预处理：将真空感应熔炼的石墨锭模以及经造型砂箱造型后的石墨锭模，放入电阻炉中升温至1170~1175K时，保温2～4h；将坩埚及已充分预热的锭模安装在真空感应熔炼炉内；配料及装料；抽真空；融化，直至金属块全部熔清；加铝块；扒渣；通氩气；加钇块；精炼；浇注成型，最后取料得到所述靶材。本发明专利技术的生产工艺从原材料选择，去除氧化皮，成分的控制优化，坩埚及锭模清洗，保护气氛熔炼等各工序控制严格，各个工序都能避免杂质元素的引入，进而得到了高纯度MCrAlY靶材。
【技术实现步骤摘要】
一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法
本专利技术涉及航空材料制备领域，具体涉及一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法。
技术介绍
随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮进口温度也不断提高。推重比为10的航空发动机涡轮进口温度已经达到1600~1700℃，而推重比12~15的航空发动机设计进口温度将达到1700~1800℃。同样，先进燃气轮机的发展也使得燃气初温不断提升，涡轮叶片所承受的温度高达1100℃，已经超出了镍基高温合金的极限使用温度（1075℃）。在叶片表面制备热障涂层，可以大幅降低叶片温度，降低约90～150℃左右，提高其工作效率，从而大幅提高“两机”寿命和可靠性。MCrAlY合金中含有一定浓度的Al和Cr从而在氧化过程中在基体表面形成Al2O3和Cr2O3的连续保护膜，保护性氧的化膜在是热障涂层抗氧化的关键所在。其中，Y在MCrAlY中主要起提高Al2O3和Cr2O3的连续保护膜与基体合金之间的粘附力。作为热障涂层的粘结层材料，MCrAlY母合金的成分、纯度、杂质含量、致密度、相组成、微观结构等都对涂层的使用寿命具有很大影响。纯度是MCrAlY合金的第一要求，MCrAlY合金的冶金质量直接影响着热障涂层的使用性能，纯度越高，性能越好。O、N、S是镍基高温合金中有害杂质元素，它们通常偏析到氧化物-合金界面，削弱氧化物与镍基之间的界面粘结性。此外，O、N、S可以与镍基合金中的合金元素发生相互作用，以氧化物、硫化物、氮化物形式形成非金属夹杂物，它们都是应力集中的起源地，劣化MCrAlY合金的综合性能。因此，靶材的纯度对于热障涂层的使用寿命非常重要。真空感应熔炼（VIM）是利用电磁感应加热的原理在真空条件下熔炼金属的一种金属制备工艺。它在电磁感应过程中产生涡电流，从而进一步使金属熔化，该方法用于提炼高纯度的金属及其合金。一方面，Y元素由于其较低的形成自由能，是一种强的氧化物硫化物形成元素，在合金精炼期钇元素具有很强的脱氧和脱硫能力，另一方面，真空感应炉具有强烈的电磁搅拌，可以保持很高的过热度（150~200°C），有助于熔炼过程中消除合金成分偏析并获得冶金质量较高的材料。其脱氧和脱硫产物在电磁搅拌的作用下被带到熔体表面，形成浮渣从而净化合金熔体。但是，影响真空感应熔炼工艺过程的影响因素众多，如精炼温度、真空度以及精炼时间等。其中精炼温度是合金熔炼过程中非常重要的参数，高的精炼温度能够加速元素扩散，促进氧化物，硫化物，氮化物分解，选择合适的精炼温度十分重要。然而现有的制备工艺所制备靶材的纯度低，不利于靶材性能的提升。因此，针对上述问题，本专利技术开发了一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法，通过该方法制备得到的MCrAlY靶材为高纯度的靶材，合金中氧元素的质量百分含量小于5ppm，硫元素的质量百分含量小于3ppm，氮元素的质量百分含量小于5ppm，较优工艺可以实现O+S+N含量总和不超过10ppm。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法，依次包括下列步骤：步骤（1），对原料进行预处理；步骤（2），对坩埚及锭模进行预处理：将真空感应熔炼的石墨锭模以及经造型砂箱造型后的石墨锭模，放入电阻炉中升温至1170~1200K时，保温2～4h；步骤（3），坩埚及锭模安装：将坩埚及已充分预热的锭模安装在真空感应熔炼炉内，清理坩埚及锭模，并在浇口杯上加装陶瓷过滤网；步骤（4），配料及装料；步骤（5），抽真空：对真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到0.030~0.035Pa；步骤（6），融化，直至所述步骤（4）的金属块全部熔清；步骤（7），加铝块：将所述步骤（6）中的炉料全部熔清，当加热至炉料温度为1773K～1823K时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（8），扒渣：将所述步骤（7）炉料中Al块全部熔化后，扒去熔体形成的氧化渣；步骤（9），通氩气：将所述步骤（8）扒渣，通入高纯氩气保护气氛；步骤（10），加钇块：当加热至炉料温度为1773K～1823K时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（11），精炼：当加热至炉料温度到1823K~2073K时，开始精炼，精炼时间为10～30min；步骤（12），浇注：精炼结束后，停止送电3～5min，然后以功率3～5KW给电，测得炉料温度为1673℃～1773℃时，进行浇注成型；最后取料得到所述靶材。进一步地，在所述步骤（1）中，对原材料进行预处理的方法为：Ni块、Co块、Cr块、Al块和Y块进行表面氧化皮打磨后，利用丙酮在频率为20～30KHz的条件下，超声清洗2次，每次5min，清洗后放于烘箱内于373K条件下烘干10～30min，得到预处理后的靶材原材料。进一步地，在所述步骤（4）中，配料及装料的方法具体为：将所述靶材按照名义成分以重量百分数计进行配料，M40～70％，Cr19～35％，Al10～25％，Y0.1～1.5％，所述M指的是金属，M为Ni和Co中的任意一种或两种；然后在坩埚中先加入已预处理后按合金名义成分配好的Ni块、Co块和Cr块，并在加料漏斗里加入Al块和Y块，关闭真空感应熔炼炉炉门。进一步地，在所述步骤（6）中，融化的具体方式为：抽真空完成后开始送电，此时要以小功率为5～10KW加热10～15min，增大功率至10～15KW继续加热5～10min后，增大功率至20KW直至炉料全部熔清。进一步地，在所述步骤（12），取料时对靶材的表面进行后处理，以满足使用要求。本专利技术的创新之处在于在采用坩埚式真空感应炉熔炼靶材时，在靶材精炼期采用的精炼温度为1773K～1823K，1823K~2073K。首先，母合金所用的原材料是高纯金属Ni（99.98％），Co（99.50％），Cr（99％），Al（99.99％）和Y（99.9％）。一方面，然后通过通过砂轮机对原料预进行处理，除去Ni块、Co块、Cr块、Al块和Y块进行表面氧化皮，进一步减少由于原材料所引入的杂质含量，按照所述靶材名义成分以重量百分数（wt%）进行配料，利用丙酮在频率为20～30KHz的条件下，超声清洗2次，每次5min，清洗后放于烘箱内于373K条件下烘干10～30min，得到预处理后的靶材原材料。另一方面，对真空感应熔炼用坩埚及浇注用石墨锭模进行处理，放入电阻炉中升温至1173K时，保温2～4h，将坩埚及石墨锭模的温度提前升温至1173K，避免前期送电以及浇注时，二者与合金熔体间温度差过大，造成坩埚及石墨锭模破裂受损，然后就是将坩埚及已充分预热的锭模安装在真空感应熔炼炉内，并清理炉膛、坩埚及锭模内壁，避免由于外在环境的干扰造成合金的污染，并在浇口杯上加装氧化铝陶瓷过滤网，在熔体浇注时起到过滤熔渣的作用。随后，按合金名义成分配好料，再装料。然后，对真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到0.032Pa，开始送电，此时要以小功率为5～10KW加热10～15min，增大功率至10～15KW继续加热5～10min后，增大功率至20KW直至炉料全部熔清，加铝块，扒渣，通氩气，在高纯氩气保护气氛下，其中O2，N2，H2，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法，其特征在于：该方法依次包括下列步骤：步骤（1），对原料进行预处理；步骤（2），对坩埚及锭模进行预处理：将真空感应熔炼的石墨锭模以及经造型砂箱造型后的石墨锭模，放入电阻炉中升温至1170~1200K 时，保温2～4h；步骤（3），坩埚及锭模安装：将坩埚及已充分预热的锭模安装在真空感应熔炼炉内，清理坩埚及锭模，并在浇口杯上加装陶瓷过滤网；步骤（4），配料及装料；步骤（5），抽真空：对真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到0.030~0.035Pa；步骤（6），融化，直至所述步骤（4）的金属块全部熔清；步骤（7），加铝块：将所述步骤（6）中的炉料全部熔清，当加热至炉料温度为1773K～1823K 时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（8），扒渣：将所述步骤（7）炉料中Al块全部熔化后，扒去熔体形成的氧化渣；步骤（9），通氩气：将所述步骤（8）扒渣，通入高纯氩气保护气氛；步骤（10），加钇块：当加热至炉料温度为1773K～1823K 时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（11），精炼：当加热至炉料温度到1823K~2073K时，开始精炼，精炼时间为10～30min；步骤（12），浇注：精炼结束后，停止送电3～5 min，然后以功率3～5KW 给电，测得炉料温度为1673℃～1773℃时，进行浇注成型；最后取料得到所述靶材。...
【技术特征摘要】
1.一种制备高纯度航空发动机叶片粘结涂层用靶材的方法，其特征在于：该方法依次包括下列步骤：步骤（1），对原料进行预处理；步骤（2），对坩埚及锭模进行预处理：将真空感应熔炼的石墨锭模以及经造型砂箱造型后的石墨锭模，放入电阻炉中升温至1170~1200K时，保温2～4h；步骤（3），坩埚及锭模安装：将坩埚及已充分预热的锭模安装在真空感应熔炼炉内，清理坩埚及锭模，并在浇口杯上加装陶瓷过滤网；步骤（4），配料及装料；步骤（5），抽真空：对真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到0.030~0.035Pa；步骤（6），融化，直至所述步骤（4）的金属块全部熔清；步骤（7），加铝块：将所述步骤（6）中的炉料全部熔清，当加热至炉料温度为1773K～1823K时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（8），扒渣：将所述步骤（7）炉料中Al块全部熔化后，扒去熔体形成的氧化渣；步骤（9），通氩气：将所述步骤（8）扒渣，通入高纯氩气保护气氛；步骤（10），加钇块：当加热至炉料温度为1773K～1823K时，将加料漏斗里的Al块加入到坩埚熔体中；步骤（11），精炼：当加热至炉料温度到1823K~2073K时，开始精炼，精炼时间为10～30min；步骤（12），浇注：精炼结束后，停止送电3～5min，然后以功率3～5KW给电，测得炉料温度为1673℃～1773℃时，进行浇注成型；最后取料得到所述靶材。...
【专利技术属性】
技术研发人员：张花蕊，张虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学苏州创新研究院，北京航空航天大学青岛研究院，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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