CN116815112B - 用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法及航空发动机，包括：S1.设置底层包覆，对涡轮转子叶片第一齿及第一齿以下部位进行包覆；S2.涂覆底层防护涂料至橼板下表面；S3.设置外层包覆，对橼板及橼板以下部位进行包裹；S4.涂覆外层防护涂料；S5.按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件；S6.检验。使用本防护方法能够在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护，防护后的非渗铝面无漏渗，且操作简单、快捷，无需使用特定的工装夹具、辅助设备，降低成本。

Description

用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法及航空发动机

技术领域

本发明涉及航空零部件防护方法技术领域，特别地，涉及一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法及航空发动机。

背景技术

随着新型航空发动机、燃气轮机涡轮系统工作温度越来越高，涡轮转子叶片广泛采用内腔气膜冷却技术以提升冷却能力，以满足燃气涡轮高温、高转速、强腐蚀环境下的使用需求，燃气涡轮叶片内外表面需进行渗铝以提升高温服役能力，采用气相法实现内腔的渗铝强化。叶片榫齿长期处于高频高应力交变载荷工作，对其疲劳等力学性能要求较高，一旦榫齿部位发生渗铝形成脆性铝化物涂层，则在该位置易产生裂纹，并在高应力下进一步扩展，存在叶片断裂的安全隐患，因此榫齿部位一般要求不允许存在铝化物层。气相渗铝零件的渗铝源为气态，因此渗铝过程中对非渗铝面的防护成为迫切需要解决的难题。

目前针对叶片非渗铝部位防护方案主要有：

1)预留余量机械去除法

零件整体进行渗铝后，对非渗面部位进行磨削等机械去除渗层以达到该部位无渗层的目的。但榫齿部位的渗层机械去除一般需采用叶片的叶身等渗铝面部位进行夹持定位，且在机加过程中零件会产生机加震动，夹持部位易于萌生裂纹，同时在铣磨加工过程中由于加工部位渗层硬且脆而很容易形成裂纹甚至剥落，故实际生产中该类零件的加工合格率低，一般不采用后续机加去除非渗面渗层的方法。

2)防护涂料法

防护涂料用于榫头防护是一种较常见方法，专利(CN107267912B)所述渗铝防护涂料，主要适用于900℃以下固体粉末包埋渗铝，采用金属镍、氧化锆和粘结剂所配置的防护涂料。每次涂覆完后需进行自然干燥6～24h，防护时间长。超过1020℃时失去防护效果，不能用温度高达1080℃的高温渗铝非渗铝面防护。

专利号CN110923621A公开的防护涂料，采用金属粉及氧化锆作为防护涂料进行铝铬共渗非渗面防护，防渗温度可达1025～1080℃，但采用单一成分多层涂料进行防护，成分配比方面很难兼顾防渗效果与去除难易程度。采用该方法进行气相渗铝防护后，涂料去除时有部分防护涂料残留难以去除，甚至局部与基体发生合金化影响零件性能；此外，该涂料涂覆后，防护层涂料强度低，在零件后续进炉前装挂过程中极易损坏。

采用涂料防护对有进气孔榫头进行防护时，若直接涂覆榫头，涂料容易进入内腔，导致内腔需要渗铝面无渗层，甚至涂料残留在内腔无法去除，导致零件报废。在非渗铝面防护涂料的专利文献中，大都只公布了针对非渗面防渗方法，未提供带进气孔榫头渗铝防护具体实施方案。

3)保护罩法

HB/Z310中推荐了金属罩保护法，采用不锈钢或高温合金片，与零件的间隙≤0.1mm间隙可填充Al2O3，但此种防护主要适用于固体包埋渗铝，气相渗铝过程中，渗铝气氛易由金属罩与榫头部位的空隙处渗入，而造成榫头部位发生反应渗铝。专利号CN102978565B中公开的防护方法，采用设计了一种氧化铝棉与金属罩组合的保护夹具，可保证叶片榫头渗层厚度在0～5μm，但无法达到完全防渗的效果。

发明内容

本发明提供了一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法及航空发动机，以解决现有防护方法在高温条件下无法完全防渗的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，包括：

S1.对涡轮转子叶片的由橼板向榫头方向的榫头的第一齿及第一齿以下部位设置底层包覆；

S2.对带有底层包覆的榫头整体涂覆底层防护涂料，并涂覆底层防护涂料至橼板下表面；

S3.对涂覆有底层防护涂料的榫头的橼板及橼板以下部位设置外层包覆；

S4.对带有外层包覆的榫头涂覆外层防护涂料；

S5.按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件；

S6.检验。

作为上述技术方案的进一步改进，底层包覆、外层包覆分别为金属箔，厚度0.4-1mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述金属箔为镍箔。

作为上述技术方案的进一步改进，底层防护涂料由体积比1∶1.2-1.2∶1的体积比的氧化锆和密封漆制备而成；外层防护涂料由体积比0.8∶1.2-1.2∶0.8的体积比的氧化锆和密封漆制备而成。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S2还包括：

底层防护涂料涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化；

步骤S4还包括：

外层防护涂料涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化。

作为上述技术方案的进一步改进，所述密封漆为乙烯基漆。

作为上述技术方案的进一步改进，按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件之前，步骤S5还包括：

检查并清理渗铝面的残留涂料。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S6包括：

对零件进行500℃-650℃预设时长的色质处理，若色质后榫头部位的非渗面呈蓝色，对零件进行剖切检验。

作为上述技术方案的进一步改进，进行检验前，步骤S6还包括：

拆除榫头外的保护层并清洗、烘干。根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，应用有以上任一所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法。

本发明具有以下有益效果：

本保护方法通过设置内层包覆贴合榫头的第一齿及以下部位，一方面物理条件上阻碍渗铝气氛与非渗面的直接接触，另一方面内层包覆能够优先与渗铝气氛发生反应，减少渗铝气氛的活跃度，避免非渗面的基体金属与铝发生扩散反应，其消耗渗铝气氛起到主要防渗作用，结合底层防护涂料的设置防止底层包覆在高温下受形应力变形从而保证了防护效果，进一步设置外层包覆对橼板及下方过渡区域至榫头进行包裹防护，并设置外层防护涂料，阻碍渗铝气氛及细小粉尘接触榫头部位，同样可反应消耗渗铝气氛起到辅助防渗作用；使用本防护方法能够在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护，防护后的非渗铝面无漏渗，且操作简单、快捷，无需使用特定的工装夹具、辅助设备，降低成本；对榫头尺寸无影响，无需进行后续机加工调整榫头尺寸，可有效避免渗后榫头加工过程中因对渗层部位的夹持而造成渗层裂纹及崩缺。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的榫头防渗面保护方法的防护结构示意图；

图2是本发明优选实施例的叶片渗铝前保护外观图；

图3是利用本发明优选实施例的保护方法加工后得到的榫头非渗面剖切金相图；

图4是利用本发明优选实施例的保护方法加工后得到的叶片渗铝面剖切金相图；

1、里层保护层2、非渗面3、外层保护层4、渗铝气氛5、橼板6、底层包覆7、底层防护涂料8、外层包覆9、外层防护涂料10、侧边11、橼板下表面13、渗铝面14、气孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1至图4，本发明的优选实施例提供了一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，榫头为涡轮转子叶片的榫头，榫头包括橼板5和气孔14，本保护方法包括：

S1.对涡轮转子叶片的由橼板5向榫头方向的榫头的第一齿及第一齿以下部位设置底层包覆6；

S2.对带有底层包覆6的榫头整体涂覆底层防护涂料7，并涂覆底层防护涂料7至橼板5下表面11，，与底层包覆6形成里层保护层1；

S3.对涂覆有底层防护涂料7的榫头的橼板5及橼板5以下部位设置外层包覆8；

S4.对带有外层包覆8的榫头涂覆外层防护涂料9，与外层包覆8形成外层保护层3；

S5.按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件；

S6.检验。

可以理解的是，本保护方法通过设置内层包覆贴合榫头的第一齿及以下部位，一方面物理条件上阻碍渗铝气氛4与非渗面2的直接接触，另一方面能够优先与渗铝气氛4发生反应，减少渗铝气氛4的活跃度，避免非渗面2的基体金属与铝发生扩散反应，其消耗渗铝气氛4起到主要防渗作用，结合底层防护涂料7的设置防止底层包覆6在高温下受形应力变形从而保证了防护效果，进一步设置外层包覆8对橼板5及下方过渡区域至榫头进行包裹防护，并设置外层防护涂料9，阻止渗铝气氛4及细小粉尘接触榫头部位，同样可反应消耗渗铝气氛4以起到辅助防渗作用；使用本防护方法能够在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护，防护后的非渗铝面13无漏渗，且操作简单、快捷，无需使用特定的工装夹具、辅助设备，降低成本；对榫头尺寸无影响，无需进行后续机加工调整榫头尺寸，可有效避免渗后榫头加工过程中因对渗层部位的夹持而造成渗层裂纹及崩缺。

本实施例中，底层包覆6、外层包覆8分别为金属箔，厚度0.4-1mm，厚度过低易破碎导致防护效果受影响，厚度过大则剪切操作困难，无法获取大小合适的金属箔使金属箔难以贴合与榫头贴合；金属箔贴附操作简单，与基体面不粘接，易去除；优选的，金属箔为镍箔，在气相渗铝过程中，其物理上阻碍渗铝气氛4与防渗面直接接触，化学上可与渗铝气氛4优先反应以减少渗铝气氛4的铝活度，从而避免防渗面的基体金属与铝发生扩散反应；本保护方法中榫头贴合金属箔，可有效防止残余涂料等多余物进入榫头部位的气孔14以保持内腔的洁净，解决了带进气孔14的榫头叶片的非渗铝面13防护问题；

进一步的，底层防护涂料7由体积比1∶1.2-1.2∶1的体积比的氧化锆和密封漆制备而成；密封漆优选采用乙烯基漆，保护涂料一方面可阻碍渗铝气氛4向非渗面2扩散，另一方面可防止镍箔因成形应力在高温释放而导致变形，起到固定镍箔的作用，使本方法制备的保护层能够在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护；若低于上述体积比范围可能导致无法达到金属箔的固定效果，若高于上述体积比范围可能导致密封效果差，防渗透效果不理想；

外层防护涂料9由体积比0.8∶1.2-1.2∶0.8的体积比的氧化锆和密封漆制备而成。密封漆优选采用乙烯基漆，保护涂料一方面可阻碍渗铝气氛4向非渗面2扩散，另一方面可防止镍箔因成形应力在高温释放而导致变形，起到固定镍箔的作用，使本方法制备的保护层能够在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护；相比内层防护，外层防护涂料9作为辅助防护，涂料配比要求相对更为宽松，但若低于上述体积比范围可能导致无法达到金属箔的固定效果，若高于上述体积比范围可能导致密封效果差、防渗透效果不理想。

具体的，步骤S2还包括：

底层防护涂料7涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化；

步骤S4还包括：

外层防护涂料9涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化；即需要在涂料固化后才可将工件入炉渗铝。

本实施例中，按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件之前，步骤S5还包括：

检查并清理渗铝面13的残留涂料，避免对渗铝面13造成影响。

本实施例中，进行检验前，步骤S6还包括：

拆除榫头外的保护层并清洗、烘干；具体的，本保护方法制备的防护层去除清理容易，渗铝后可手动拆除防护层，简单进行刷洗便可去除表面残留物，进行烘干后即获得最终零件，榫齿无涂料残留。

本实施例中，步骤S6包括：

对零件进行500℃-650℃预设时长的色质处理，即工件放置于高温空气环境中进行保温着色，若色质后榫头部位的非渗面2呈蓝色，后对零件进行剖切检验，观察渗面和非渗面2的情况；应当理解的是，色质后榫头部位的非渗面2应呈蓝色方为合格，若非蓝色则不合格，在使用本防护方法的具体实施过程中，未出现不合格工件。

另一方面，本发明优选实施例还提供一种航空发动机，应用有上述保护方法。

本防护方法已于某型航空发动机叶片气相渗铝榫头防护工艺上进行生产应用；能在900℃～1000℃温度时对高温渗铝叶片的非渗部位提供有效防护，防护后的非渗铝面13无漏渗，目前已统计的防护成功率达100％。

实施例一

本实施例的保护方法包括：

S1.设置底层包覆6，对涡轮转子叶片第一齿及第一齿以下部位进行包覆；

具体的，剪贴厚度0.6mm的镍箔，对某DZ406材料的空心涡轮叶片榫头第一齿及以下部位进行包裹，镍箔紧贴榫齿部位；

S2.涂覆底层防护涂料7至橼板5下表面11；

具体的，配制内层防护涂料：取1体积的乙烯基漆液体组分，1.1体积氧化锆粉末组分，混合搅拌10min；将搅拌均匀的涂料涂覆包裹镍箔，涂料完全没过镍箔包裹部位并涂覆至橼板5下表面11；涂覆完成后，在干燥室温下放置进行固化；

S3.设置外层包覆8，对橼板5及橼板5以下部位进行包裹；

具体的，剪切镍箔，对橼板5下方进行整体包裹，包裹镍箔稍超出橼板5部位，镍箔贴合橼板5侧边10及橼板5下表面11；

S4.涂覆外层防护涂料9；

具体的，取1体积的乙烯基漆液体组分，1.1体积氧化锆粉末，混合搅拌约10min；将搅拌均匀的涂料涂覆包裹镍箔，涂料没过镍箔包裹的橼板5部位但未完全包裹整体镍箔；涂覆完成后，在干燥室温下放置进行固化

S5.按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件；

具体的，检查并清理渗铝面13的残留涂料，按渗铝工艺进行气相渗铝，渗铝温度980℃，保温时间4h；

S6.检验；具体的，渗铝完成后取出工件，拆除保护层，刷洗零件，烘干；对零件进行580℃/1h色质处理，色质后非渗面2的榫头部位呈蓝色，对零件进行剖切检验，如图3所示，榫头非渗面2区域无渗铝层，如图4所示，其他渗铝面13有渗铝层，说明本实施例的榫头非渗面2包护方法有效。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，包括：

S1.对涡轮转子叶片的由橼板(5)向榫头方向的榫头的第一齿及第一齿以下部位设置底层包覆(6)；

S2.对带有底层包覆(6)的榫头整体涂覆底层防护涂料(7)，并涂覆底层防护涂料(7)至橼板(5)下表面(11)；

S3.对涂覆有底层防护涂料(7)的榫头的橼板(5)及橼板(5)以下部位设置外层包覆(8)，底层包覆(6)、外层包覆(8)分别为金属箔，厚度0.4-1mm；所述金属箔为镍箔；

S4.对带有外层包覆(8)的榫头涂覆外层防护涂料(9)；

S5.按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件；

S6.检验。

2.根据权利要求1所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，底层防护涂料(7)由体积比1：1.2-1.2：1的体积比的氧化锆和密封漆制备而成；外层防护涂料(9)由体积比0.8：1.2-1.2：0.8的体积比的氧化锆和密封漆制备而成。

3.根据权利要求2所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，

步骤S2还包括：

底层防护涂料(7)涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化；

步骤S4还包括：

外层防护涂料(9)涂覆完成后，在干燥室温条件下放置固化。

4.根据权利要求2所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，所述密封漆为乙烯基漆。

5.根据权利要求1所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，按渗铝工艺进行气相渗铝获得目标工件之前，步骤S5还包括：

检查并清理渗铝面(13)的残留涂料。

6.根据权利要求1所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，步骤S6包括：

对零件进行500℃-650℃预设时长的色质处理，若色质后榫头部位的非渗面(2)呈蓝色，对零件进行剖切检验。

7.根据权利要求1所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法，其特征在于，进行检验前，步骤S6还包括：

拆除榫头外的保护层并清洗、烘干。

8.一种航空发动机，其特征在于，应用有权利要求1-7任一项所述的用于渗金属过程的榫头非渗面保护方法。