高温合金叶片高效“绿色”渗铝工艺在中科院金属所研制成功

【铝博士网】  高性能热扩散铝化物涂层,包括铂改性、活性元素改性、硅改性、铬改性铝化物涂层等,是先进航空发动机及燃气轮机涡轮叶片高温腐蚀防护的主要方法之一。然而,在传统的粉末包埋、料浆扩散和气相热扩散铝化物涂层制备技术中,存在着涂层有害元素掺杂和有毒气体释放的顽疾。为了解决有害元素掺杂影响涂层性能的问题,国外开发了化学气相沉积铝化物制备技术。然而在化学气相沉积中采用的三氯化铝等先驱体,具有很强的腐蚀性,不仅导致设备寿命短,而且污染环境。

 针对上述两个问题,金属所高温防护涂层课题组沈明礼副研究员等近期研发出颠覆传统的“绿色”渗铝技术,使先进铝化物涂层制备达到像真空镀膜一样的无毒气排放、无有害元素掺杂要求,涂层抗氧化性能优越于普通的铝化物涂层。“绿色”渗铝技术,基于真空高密度铝等离子体辐照效应,通过高密度铝离子的沉积、注入、溅射和辐照增强扩散机制,可实现无有害元素掺杂的高性能铝化物涂层的高效可控、无毒气排放制备。例如,以纯镍为基体,可通过调节等离子体能量分别获得δ-Ni2Al3和β-NiAl涂层,铝化物涂层生长模式近乎线性(图1),与镀膜生长类似,明显不同于传统热扩散渗铝涂层的抛物线生长模式。借助该方法还可获得亚微米级超细晶β-NiAl渗层,这是传统热扩散渗铝难以做到的。“绿色”渗铝涂层抗氧化性能明显优于传统热扩散渗铝涂层,以铸造高温合金K438G为例,对比“绿色”渗铝与传统包埋法获得的β-NiAl渗层1000 oC氧化行为(图2),可见“绿色”渗铝涂层氧化动力学抛物线常数可降低一个数量级,达到PtAl涂层水平。

 该工艺具有以下特点:

 1.渗铝在真空中进行,采用高纯铝靶材供给铝等离子体,结合离子溅射清洗作用,最大限度抑制有害元素在铝化物涂层内夹杂;

 2.由于辐照增强扩散效应,铝化物涂层生长速率高,并且生长速率和厚度可通过等离子体密度和能量进行灵活调控,生长速率5-50 ?m/h可调;

 3.可在多孔叶片高效制备铝化物涂层,而不会发生像粉末包埋法导致粉末堵孔的现象;

 4.可通过改变靶材成分,制备出稀土及多元素改性铝化物涂层;

 5.渗层生长速率满足线性模式,利于控制厚度,便于满足工程化应用的批次稳定性要求;

 6.易于局部制备渗铝层,如涡轮叶片仅需在叶身制备渗铝层,往往在叶根和叶尖要避免渗铝,通过对叶根和叶尖简单遮挡可仅针对叶身进行渗铝(图3);

 7.制备工艺绿色环保,不存在毒性气体释放问题,符合《中国制造2025》规划纲要提出的制造业高端化、绿色化发展思路。

 值得一提的是所研发的等离子辐照渗铝技术装备完全为自主设计研发,金属所具备完全的自主知识产权,已申报国家发明专利,为高温合金叶片渗铝工艺升级换代提供了保障和基础,相关机理研究已公开发表在Scientific Reports(6, 26535 (2016), doi:10.1038/srep26535)。研究工作得到了国家自然科学基金(51301185)、973(2012CB625100)和863(2012AA03A512)的资助。

     图1 (a)等离子辐照“绿色”渗铝示意图及纯镍上获得的(b-i,b-ii)δ-Ni2Al3和(b-iii,b-iv)β-NiAl渗层,(c) XRD谱,(d)涂层元素分布及(d)生长动力学

     图2铸造高温合金K438G“绿色”渗铝和传统包埋渗铝涂层1000oC高温氧化行为:(a)氧化动力学曲线,(b)氧化500 h后的XRD谱,(c)氧化动力学常数,(d)“绿色”渗铝层及(e)粉末包埋渗铝层氧化500 h后的截面照片

     图3经“绿色”渗铝处理的高温合金叶片,有涂层的叶身部分呈玫瑰色,无涂层的榫头和叶尖部位呈金属本色。