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| 很少见的固体渗铝榫头防护工艺 |
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随着现代航空工业发展，燃气涡轮工作温度也越来越高，为满足燃气涡轮高温、高转速、强腐蚀环境下的使用需求，燃气涡轮叶片广泛采用渗铝工艺。固体渗铝工艺由于涂层质量高，工艺相对简单被广泛采用，但是固体渗铝是包埋式渗铝，叶片的榫头是承受高应力，榫齿渗铝后会带来缺口敏感，容易产生裂纹，因此需要进行保护，高效的榫头防护工艺一直是渗铝工作者的追寻目标，然而榫头防护涂层配方一直被各大航空企业视为机密，在公开文献上未见发表。近年来随国内直升机需求快速增加，公司XX机型生产任务快速增加，XX固体渗铝叶片明显增多，然而目前使用的榫头防护工艺，需要每天涂覆1层防护涂料，共涂覆7～8层才能达到要求，该涂料防渗能力差、防护周期较长，且加热易流动，遮挡渗铝面，严重影响了叶片渗铝合格率和交付进度。为提高固体渗铝榫头防护涂料的防护效率和渗铝质量，开展了固体渗铝榫头防护工艺研究。1.试验方案原有榫头防护涂料为有机粘接剂A+陶瓷性粉末C，按一定比例配制成料浆，然后将料浆涂覆在榫头表面。陶瓷性粉末C，具有熔点高、呈中性，且化学稳定性好的优点，是一种很好的防护材料。但是采用陶瓷性粉末C调制的涂料，主要是阻止扩散的被动防御，随渗铝温度的升高，防护涂层的有效防护厚度显著提高。为提高涂料防护效率，采用了加入牺牲元素N的方案。在涂料中加入牺牲元素N，涂覆后在榫头表面形成连续的N粉包裹层，使其首先与渗铝气氛中的Al反应，形成稳定的金属间化合物，从而避免Al快速向内渗入，由被动式防御改为主动防御。有机粘接剂A在涂料中主要是起到粘接的作用，但是有机粘接剂A是一种热塑性材料，当有机粘接剂A比例较大时，涂料加热后就会变软甚至流动到渗铝面，这就可能导致渗铝面局部没有渗铝层。然而有机粘接剂B具有热固性，在加热过程中不会变软流动，具有一定的优势。改进方案1主要是在现有工艺的基础上添加金属粉末N，主要考察金属粉末N的防护效果；改进方案2是在改进方案1的基础上将有机粘接剂A改为有机粘接剂B，主要考察热固性有机粘接剂的作用；改进方案与原有方法具体对比如表1所示。表1改进方案与原有方案对比涂料配比涂覆层数原有方案有机粘接剂A+陶瓷性粉末CXX系列叶片涂覆3层改进方案1有机粘接剂A+陶瓷性粉末C+金属粉末NXX系列叶片涂覆2层改进方案2有机粘接剂B+陶瓷性粉末C+金属粉末NXX系列叶片涂覆2层2.试验方法为保证试验的准确性，试料状态和试验过程均保持与正式生产一致。试验材料均采用未渗铝的，且加工完榫头的XX废叶片，材料为镍基高温合金。整个过程均与正式零件同炉进行渗铝，主要加工流程如下：榫头涂覆防护层→整体加热渗铝→清理榫头防护层→零件100%渗铝层质量检查。榫头防护具体实施过程见表2，其余加工步骤均于正式零件同炉进行。表2榫头防护具体实施过程实施过程原有方案改进方案1改进方案2涂料配比有机粘接剂A：陶瓷性粉末C =1：1（体积比）有机粘接剂A：陶瓷性粉末C：金属粉末N =2：1：1（体积比）有机粘接剂B：陶瓷性粉末C：金属粉末N =2﹕1：1（体积比）涂覆过程将榫头浸入涂料，涂覆3层，共4件，如图1a将榫头浸入涂料，涂覆2层，共15件，如图1b将榫头浸入涂料，涂覆2层，共15件，如图1c干燥过程涂第1遍干燥24h后涂第2遍、干燥24小时后涂覆第3遍，然后干燥24h进炉渗铝涂第1遍干燥6h后涂第2遍、干燥12小时后涂覆第3遍，然后干燥24h进炉渗铝涂第1遍干燥6h后涂第2遍、干燥12小时后涂覆第3遍，然后干燥24h进炉渗铝3.试验结果一种好的防护涂层应该具有操作简单、防渗有效、清理容易、不蚀基体、不污染渗剂、对渗铝面无影响且容易返修的特点。试验完成后重点考察了改进涂料的以下几个方面：操作难易程度、榫头表面有无漏渗、渗铝后涂料清理是否容易、榫头表面是否腐蚀、渗剂是否污染以及涂层返修去除是否容易，详细对比结果具体见表3。表3试验结果对比检验项目原有方案改进方案1改进方案2操作是否简单方便简单简单，与原有方案相当操作难，涂料粘度大，且易产生气孔榫头表面有无漏渗100%榫头表面有渗层100%榫头表面无渗层100%榫头表面无渗层渗铝后清理是否容易容易容易，与原有方案相当容易，与原有方案相当榫头表面是否有腐蚀无无，如图2b无渗剂是否有污染无无，沉积出炉时保护涂料形成一个完整的壳，如图2a无，沉积出炉时保护涂料形成一个完整的壳对渗铝面有无影响有无无涂层返修去除是否容易容易，丙酮浸泡即能去除容易，丙酮浸泡即能去除不容易，丙酮浸泡不能去除试验结果表明，与原工艺相比，改进方案1和改进方案2，涂覆2次，都能满足榫头防护要求，对渗铝面无遮挡、基体无腐蚀、清理容易、对渗剂无污染。但是改进方案1和改进方案2相比，热固性粘接剂对比热塑性粘接剂并无明显优势，反而因热固性粘接剂的粘度大易产生气孔的特点，大大提高了涂覆操作难度。因此改进方案1更具有优势。对改进方案1试验叶片进行了渗铝层质量检查，全自动精密和能谱分析。渗铝层质量检查方法是将叶片在空气中整体加热氧化，由于渗铝部位氧化后，形成淡灰黄色的三氧化二铝层，而非渗铝部位形成蓝色的金属氧化物层。因此合格叶身渗铝表面应呈浅黄色，合格榫头非渗铝表面应呈蓝色。图3a为改进方案1叶片氧化后效果，可见叶片榫头明显成蓝色，与淡黄色渗铝区叶身，形成鲜明对比，可见榫头表面无渗铝层。同时对榫头进行剖切分析，图3b为改进组榫头扫描电镜观察图，显然榫头表层无渗铝层。对改进组榫头表层和基体进行成份检查，详见表4，结果表明零件表面无污染，表面成份与基体成份基本一致，进一步证明榫头表面没有被污染。表4改进方案1榫头表面成分和基体成分对比元素AlWNbTiCrCoNi表层成分4.72～5.1411.85～12.070.93～1.051.80～1.948.61～9.6510.04～10.0660.07～61.41基体成分4.75～5.1611.71～11.970.93～1.151.90～1.998.56～9.609.94～10.1659.07～61.014.分析与讨论改进方案都采用了添加牺牲元素金属粉末N的方案，金属粉末N作为固体组份添加到料浆中，通过与有机粘接剂充分混合，然后均匀的涂覆在榫头的表面，这样在榫头的表面就形成了一层连续的N粉层，这就在榫头的表面形成了一道金属N防护层，N容易与Al原子反应，形成稳定的金属化合物NAl。在沉积过程中N粉与首先渗剂中的活性Al原子反应，从而阻止了Al元素进一步向内扩散渗透，这样就有效的把Al原子与榫头隔开了，起到了保护榫头的作用。同时金属粉末N的熔点高，呈中性，扩散系数小，且高温合金基体中含有金属N元素，因此金属粉末N的添加不会污染腐蚀榫头表面。有机粘接剂A是涂料的重要组成，在涂覆干燥过程中，有机粘接剂A形成聚合物，该聚合物与榫头表面结合力好、强度大，韧性好，涂层不易破损，能将固体组份牢牢的固定在榫头表面。有机粘接剂A在渗铝加热过程中分解，由于有机粘接剂A分解后的残碳率较高[5]，因此分解后会形成碳骨架，从而能固定涂料中的固体组份，防止溃散，有效防止涂层污染渗剂。其次碳骨架较脆，渗铝后涂层剥除时也很容易，且除去时成块状，榫头表面也不会有残留。虽然有机粘接剂A具有热塑性，但是由于金属粉末N的加入，涂层厚度大大减少，涂层加热后的流动性大大削弱，因此改进方案1涂层在渗铝加热过程中不会流动到渗铝面，热固性粘接剂的优势不明显。反而因为热塑性粘接剂的高粘度提高了涂覆的操作难道，阻止了微小气泡的溢出，影响涂层的致密性。陶瓷粉末的加入，一方面可以起到一定防护作用，另一方面可以稀释分散金属粉末N。由于金属粉末N比重大，纯有机粘接剂粘度小，金属粉末N容易下沉，陶瓷粉末的加入可以调节有机粘接剂A的粘度，有效缓解金属N粉的下沉；同时陶瓷粉的粒径比金属N粉粒径要小，分数的陶瓷粉末可以有效的将N粉颗粒分开，防止金属N粉在渗铝过程中烧结，降低表面积，影响防渗效果。5.结语试验结果表明，榫头防护涂料采用有机粘接剂A+陶瓷性粉末C+金属粉末N的方案，涂覆2层能满足使用要求。该方案操作简单、防渗有效、清理容易、不蚀基体、不污染渗剂、对渗铝面无影响且容易返修，与原工艺相比大大降低防护周期，具有明显优势。
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