復(fù)雜型腔空心葉片氣相滲鋁工程化應(yīng)用研究

李 克，張 莉，丁志敏

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

李 克

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇詹牧蠠崽幚砑夹g(shù)應(yīng)用。發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利3項(xiàng)、國防專利1項(xiàng)，主持完成20余項(xiàng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研項(xiàng)目，參編專業(yè)書籍2部，主編航空標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)，多次獲科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍用飛機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境日益嚴(yán)酷，不但需要面對(duì)炎熱的沙漠，還需要面對(duì)潮濕的海洋等。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能和結(jié)構(gòu)特性的同時(shí)，還需要對(duì)材料進(jìn)行很好的表面防護(hù)，更好地延長航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在高溫燃?xì)饨橘|(zhì)中工作，高溫氧化和燃?xì)飧g問題嚴(yán)重，且隨著渦輪溫度的不斷提高而更加突出。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提升高溫性能，一方面采用精密鑄造空心結(jié)構(gòu)，即在渦輪葉片內(nèi)部設(shè)計(jì)了很多細(xì)小的蛇形管道，葉身設(shè)計(jì)了很多0.2mm左右的氣膜孔，使高壓冷空氣通過這些管道和小孔流到高溫葉片，起到強(qiáng)制冷卻作用，以提高耐熱性。更重要的是采用耐高溫氧化和燃?xì)飧g的滲鋁層是解決這個(gè)問題的最經(jīng)濟(jì)和最有效的措施。

滲鋁工藝屬于表層改性技術(shù)范疇。經(jīng)過滲鋁處理的高溫合金葉片在空氣中循環(huán)氧化后，形成均勻致密的氧化鋁氧化膜，有效阻止氧向葉片基體擴(kuò)散。滲鋁工藝在20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提供了工藝保證，也成為研制和發(fā)展新合金的主要工藝之一。葉片滲鋁后，滲層既要保證其良好的耐熱性、耐蝕性，同時(shí)強(qiáng)度也要盡量提高。這就要求滲層厚度和滲鋁層中的鋁含量必須適當(dāng)，以免因滲層太薄降低使用壽命或因鋁含量過高而產(chǎn)生滲層裂紋。因此，滲鋁層的組織結(jié)構(gòu)是影響滲鋁層壽命和使用性能的重要因素。

傳統(tǒng)的固體滲鋁和料漿滲鋁方法均為接觸法滲鋁工藝，只適用于實(shí)心葉片的表面滲鋁。對(duì)于高效冷卻渦輪空心氣冷葉片，國外發(fā)展了一種非接觸擴(kuò)散滲鋁工藝技術(shù)——?dú)庀酀B鋁技術(shù)。目前，國內(nèi)的氣相滲鋁工藝尚處于起步階段，僅實(shí)現(xiàn)了葉片表面的滲層，對(duì)于葉片內(nèi)腔滲鋁技術(shù)的工程化應(yīng)用尚不成熟。因此，無法滿足新一代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的服役要求。

本文提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型腔空心葉片氣相滲鋁的原理，制定了氣相滲鋁工藝，并對(duì)該工藝氣相滲鋁后的滲鋁層質(zhì)量（深度、組織與成分）進(jìn)行分析和研究。

原理及工藝

1 氣相滲鋁原理

氣相滲鋁工藝是一種非接觸擴(kuò)散滲鋁工藝。滲劑與工件不直接接觸，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，在活化劑作用下氣相滲鋁劑中的鋁生成鋁的鹵素化合物, 經(jīng)分解或還原或置換反應(yīng)產(chǎn)生活性大的新生態(tài)鋁原子, 在高溫下沉積擴(kuò)散滲入葉片表層。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了井式低壓氣相滲鋁爐，采用純鋁粉、氧化鋁和氯化銨3部分作為滲鋁粉劑。根據(jù)工藝試驗(yàn)研究特點(diǎn)，提出氣相滲鋁3步反應(yīng)原理[1]：包括滲劑自身反應(yīng)、活性鋁生成反應(yīng)和滲鋁層生成反應(yīng)。

2 工藝過程

滲鋁爐工作原理見圖1。滲鋁工藝過程按下列6個(gè)步驟進(jìn)行:滲劑配制、葉片清理、裝爐、抽真空、氣相滲鋁、冷卻出爐。通過多次工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證生產(chǎn)表明，該工藝過程存在4個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）葉片清理時(shí)，一方面既要起到表面活化作用，為滲鋁作準(zhǔn)備，同時(shí)，要防止吹砂時(shí)砂粒進(jìn)入葉片型腔，殘留形成多余物。

圖1 氣相滲鋁爐示意圖（①機(jī)械泵②過濾裝置③進(jìn)氣管④監(jiān)控?zé)犭娕饥葑冾l風(fēng)扇⑥馬弗罐⑦導(dǎo)風(fēng)罩⑧鳥籠式夾具⑨滲鋁劑⑩零件）Fig.1 Sketch of vapor aluminizing furnace

（2）低壓真空滲鋁對(duì)設(shè)備的極限真空度要求并不是特別高，但壓升率是非常重要的指標(biāo)。密封性差的設(shè)備，由于空氣中氧氣的進(jìn)入，對(duì)滲鋁層質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，在滲鋁過程中易形成氧化夾雜缺陷。

（3）升溫速率不易過快?？紤]到高溫合金的加熱滯后特性，通常采用臺(tái)階升溫方式。一般在低溫段400℃左右保溫1～2h，再升溫到滲鋁溫度。通常情況下，只要5h內(nèi)升溫至1000℃即可。

（4）出爐后的清理也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。一般將葉片放置到60～70℃熱水中浸泡15min左右，再取出采用壓縮空氣吹干。

3 工藝方案

在前期研究的基礎(chǔ)上，本文采用30%純鋁粉滲鋁粉劑配方，在980℃溫度下，通過調(diào)整保溫時(shí)間4～8h來進(jìn)行工藝研究。具體工藝參數(shù)見表1。

試驗(yàn)結(jié)果

1 滲鋁層深度與組織

滲鋁后，剖切葉片試件采用金相法按HB 20113技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲鋁層分析，檢測(cè)結(jié)果見表2，典型金相組織見圖 2～3。

2 滲鋁層鋁含量

表1 空心葉片氣相滲鋁工藝

表2 空心葉片滲層結(jié)果

采用能譜對(duì)葉片葉身滲鋁層進(jìn)行成分檢測(cè)。表3為鋁含量分析結(jié)果，表4為方案1中6-23#葉片的能譜分析結(jié)果。

3 力學(xué)性能

按專用技術(shù)文件要求取相同材料合金力學(xué)性能試棒進(jìn)行室溫拉伸、750℃持久、980℃持久性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。

圖2 方案1氣相滲鋁組織形貌Fig.2 Microstructure of vapor aluminized coatings（project-1）

圖3 方案3氣相滲鋁組織形貌Fig.3 Microstructure of vapor aluminized coatings（project-3）

表3 滲層表面鋁含量

表4 6-23#葉片滲層成分

分析討論

1 滲鋁層深度差異分析

由表2可知，無論是葉身還是內(nèi)腔，滲層深度隨滲鋁保溫時(shí)間的延長而遞增，但葉身滲層深度較厚，為 20～60μm，內(nèi)腔滲層深度較薄，為5～20μm。由擴(kuò)散原理不難解釋，在基體材料相同和活性鋁原子充足的前提下，溫度越高，保溫時(shí)間越長，滲層厚度越深。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，氣相滲鋁層深度可調(diào)可控。但是內(nèi)腔滲層深度較葉身深度淺可能是由于滲鋁活性氣氛進(jìn)入葉片復(fù)雜內(nèi)腔的量要比外表面吸附量少的緣故，這與內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)和表面粗糙度，以及滲鋁過程中氣氛的流動(dòng)關(guān)系較大。但該氣相滲鋁工藝仍然可以實(shí)現(xiàn)空心葉片表面和內(nèi)腔同時(shí)滲鋁，無需進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，效率高、成本低。

這主要得益于該工藝為非接觸擴(kuò)散工藝的優(yōu)點(diǎn)。滲鋁過程中，沉積、擴(kuò)散過程同時(shí)進(jìn)行，只要滲鋁劑可以不斷補(bǔ)充活性原子（Al），在未達(dá)到平衡狀態(tài)下，滲鋁層的相對(duì)滲鋁深度加厚可通過延長保溫時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。而采用先沉積處理再擴(kuò)散的固體滲鋁工藝和先噴涂鋁料漿再擴(kuò)散的料漿滲鋁工藝，均受到工藝限制，活性原子（Al）的供給量是一定的，在保證滲鋁層外層為β-NiAl相的前提下（表面鋁含量不能無限降低），獲得的滲鋁層最大深度是一定的。故氣相滲鋁工藝獲得的滲鋁層完整、均勻性好、深度可控、工藝性佳。

2 滲鋁層組織及成分的相圖分析

由 Ni-Al平衡相圖（圖 4）可知：Ni基高溫合金滲鋁，鋁和合金表層的鎳反應(yīng)，隨Al含量增加可形成4種金屬間化合物，分別為γ'-Ni3Al、β-NiAl、δ-Ni2Al3以及 ε-NiAl3相。其中ε-NiAl3相中Al含量最高，熔點(diǎn)低至854℃，室溫脆性高；δ-Ni2Al3相的鋁原子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為40%～44.7%，屬棱方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該相極脆；γ'-Ni3Al相的鋁的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為12.2%～14.9%，屬面心立方結(jié)構(gòu)，抗氧化性能差；而β-NiAl相的鋁原子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為23.5%～36%，屬體心立方結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)較高（1638℃）。因此，滲鋁層的組織應(yīng)控制在熱力學(xué)穩(wěn)定的、具有體心立方結(jié)構(gòu)的β-NiAl相區(qū)內(nèi)，滲層中最佳鋁含量23.5%～36%，其抗腐蝕、抗氧化性最佳。

由圖2、圖3可知，葉片表面滲鋁層均勻連續(xù)，內(nèi)腔滲層完整。滲鋁層主要分兩層，內(nèi)外兩層顏色存在明顯差異，兩層厚度比約為1:1。結(jié)合試驗(yàn)方案1中6-23#葉片組織成分分析，滲鋁層外層Al含量為32.52%，內(nèi)層Al含量11.01%，由相圖推理可知：外層應(yīng)是Al含量較高的β-NiAl相，內(nèi)層可能是γ'-Ni3Al相，但考慮到內(nèi)層中還有Cr、Co、W合金元素的析出相影響，內(nèi)層組織也可能為Al含量較低的β-NiAl相，同時(shí)有一定量的γ'-Ni3Al相。

國外卡拉雪雪夫[2]的試驗(yàn)結(jié)果提到，滲鋁層主要分兩層，外層主要是Al含量較高的β-NiAl相，內(nèi)層主要是Al含量較低的β-NiAl相，內(nèi)外兩層顏色存在明顯差異?？坡迕凡煞騕3]的研究也說明，鎳基合金氣相滲鋁形成的擴(kuò)散層，其顯微組織與傳統(tǒng)固體滲鋁法獲得的滲鋁層區(qū)別不大，金相腐蝕后有兩個(gè)特征區(qū)，即外特征區(qū)和內(nèi)特征區(qū)，兩區(qū)的厚度基本相等，X射線研究表明，外區(qū)中的鋁含量為34%～36%，可鑒定為β-NiAl相，內(nèi)區(qū)中鋁含量為14%，相當(dāng)于γ'-Ni3Al相中的鋁含量。

故本試驗(yàn)結(jié)果與上述研究結(jié)論是吻合的?？梢?，采用980℃氣相滲鋁，其滲鋁層主要分為兩層，滲鋁層外層均為β-NiAl相，內(nèi)層可能存在β相、β+γ'相或γ'相。由于滲鋁層主要由β-NiAl相組成，其強(qiáng)韌性較好，所以氣相滲鋁后無需再進(jìn)行二次擴(kuò)散處理。

3 滲鋁對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4 Ni-Al相圖Fig.4 Phase Diagram of Ni-Al

表5 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，3種氣相滲鋁工藝對(duì)LK-1合金強(qiáng)度并無明顯影響，其室溫拉伸、750℃光滑試樣持久、980℃光滑試樣壽命基本處于同一水平，均滿足冶金技術(shù)條件要求?？梢?，采用980℃保溫4～8h氣相滲鋁工藝能有效提高其抗高溫氧化和抗燃?xì)飧g能力、不降低合金強(qiáng)度，很好地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

驗(yàn)證

1 產(chǎn)品生產(chǎn)

采用30%純鋁粉滲劑對(duì)鎳基高溫合金空心葉片（按980℃保溫4h）進(jìn)行生產(chǎn)加工，滲層深度、組織及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表6。

表6 空心葉片零件加工結(jié)果

2 試車考核

上述氣相滲鋁加工的葉片裝機(jī)，在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行1000h試車考核。試車后分解檢查，葉片表面及內(nèi)腔均未見明顯氧化剝落，熒光顯示表面無裂紋。剖切葉片經(jīng)金相分析，葉片滲鋁層仍完整連續(xù)，葉身滲鋁層深度約30μm，無氧化；內(nèi)腔滲鋁層深度5～10μm，無氧化。經(jīng)能譜分析，試車葉片的滲鋁層表面鋁含量為27.23%。

3 驗(yàn)證結(jié)論

氣相滲鋁的葉片通過了1000h航空發(fā)動(dòng)機(jī)持久試車考核。

結(jié)論

（1）采用30%純鋁粉滲劑經(jīng)980℃保溫4～8h氣相滲鋁，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)腔空心葉片表面和內(nèi)腔同時(shí)滲鋁，無需二次擴(kuò)散處理，滲鋁層均勻性好，深度可控。葉身和內(nèi)腔滲層深度均隨滲鋁保溫時(shí)間的延長而遞增，葉片表面滲鋁層深度為20～60μm，內(nèi)腔滲鋁層深度5～20μm。裝機(jī)持久試車后，葉片表面及內(nèi)腔均未見明顯氧化剝落，無裂紋，滲鋁層仍完整連續(xù)，葉身深度約30μm，內(nèi)腔 5～10μm。

（2）鎳基高溫合金空心葉片經(jīng)980℃氣相滲鋁后，滲鋁層組織主要分為外層和內(nèi)層兩個(gè)特征區(qū)，厚度比約為1:1。外層的鋁含量為32%～36%左右（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），內(nèi)層的鋁含量約為11%～17%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；外層主要由β-NiAl相，內(nèi)層可能由β相，或β+γ'相，或γ'相組成。

（3）氣相滲鋁葉片已在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了1000h持久試車考核驗(yàn)證，工程化應(yīng)用前景廣闊，可取代國內(nèi)傳統(tǒng)的固體滲鋁和料漿滲鋁工藝。

[1]李克, 張莉, 王廣生. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣相滲鋁工藝[J]. 金屬熱處理,2013(9):42-45.

LI Ke, ZHANG Li, WANG Guangsheng.Research on vapor aluminizing process of gasturbine blade in aero-engine[J]. Heat Treatment of Metals, 2013(9):42-45.

[2]卡拉雪雪夫. 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)制造渦輪葉片制造工程[M]. 桂忠樓, 譯. 北京: 北京航空材料研究院, 1998.

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[3]科洛梅采夫. 耐熱擴(kuò)散涂層[M]. 馬志春, 譯. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1998.

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