优化叶片表面性能：渗铝技术原理及应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：叶片经wAl＝5%～20%的渗铝剂渗铝后，渗铝层深度为10～20μm。3)粉末渗铝粉末渗铝是将欲渗铝的工件埋在粉末状渗铝剂内并在高温下渗铝的方法。渗铝剂由纯铝粉或铝铁合金粉或铝铁合金块与适量的活化剂混合组成。渗铝工艺根据钢种和零件服役条件而定，通常采用850～950℃保温4～8h，可获得50～400μm的渗铝层。由于活化剂的作用，铝源可以不与欲渗表面直接接触。

渗铝可以在钢件表面形成一层铝含量约为50%(质量)的铝铁化合物，这层化合物在氧化时可以在钢件表面形成一层致密的Al2O3膜，从而使钢件得到保护，大大提高其抗高温氧化和抗热蚀能力。渗铝层在大气、硫化氢、碱和海水等介质中也有良好的耐蚀性能。实践表明，渗铝后可以使零件的抗氧化工作温度提高到950～1000℃。因此，常用普通低碳钢、中碳钢渗铝作为高合金耐热钢及耐热合金的代用品，如热处理炉用的炉底板、炉罐、渗碳箱、热电偶套管、盐浴坩埚、辐射管、叶片等，可节约昂贵的Ni、Cr元素。

1.渗铝层的组织与性能

钢件渗铝时，渗铝层的组织可能是由 θ(Fe3Al)＋ η(Fe2Al5)＋ ζ(FeAl2)＋ β2(FeAl)＋过渡区组成，而外层究竟是哪种化合物相，完全取决于气氛的铝势。

零件经过渗铝后，其抗高温氧化性能和抗蚀性能都有明显提高，但渗铝层较厚时，强度、塑性、疲劳强度却有所下降。

2.渗铝工艺方法

渗铝方法很多，如固体粉末渗铝、热浸渗铝、静电喷涂渗铝、电泳沉积渗铝、气相渗铝等，其中热浸渗铝和粉末渗铝设备简单、工艺稳定、应用较广。

1)气相渗铝

气相渗铝属于化学热处理范畴，是一种非接触扩散渗铝工艺。渗剂与工件不直接接触，当加热到一定温度时，在活化剂作用下气相渗铝剂中的铝生成铝的卤素化合物，经分解、还原或置换化学反应而产生活性大的新生态铝原子，在高温下渗入工件表层。

该工艺特点是渗铝层均匀，一致性好，可解决小孔内渗铝层不均匀和小孔易堵塞的问题。

渗铝粉剂一般由三部分组成：铝粉或铝铁合金粉(块)、氧化铝和卤化物。其中，铝粉或铝铁合金粉(块)作为供铝剂，是提供渗铝过程中铝原子的原料；氧化铝是一种稀释填充剂，又兼有防止金属粉末氧化黏结的作用；卤化物是渗铝过程中的一种活化剂。

气相渗铝工艺过程为：将洁净工件装在鸟笼式夹具后装入渗铝炉中，渗剂位于下方，工件位于上方；渗前往密闭罐中通入氩气，排净空气，抽真空度至1.33kPa左右；气相渗铝；工件随炉冷至50℃以下开罐出炉。

例如，航空发动机涡轮叶片渗铝工艺：980℃×8h气相渗铝后，随炉冷却至50℃以下开炉。具体工艺流程：叶片毛坯固溶处理→机械加工→一次时效→渗铝→二次时效。叶片经wAl＝5%～20%的渗铝剂渗铝后，渗铝层深度为10～20μm。

2)热浸渗铝

热浸渗铝是将经过表面处理的工件浸入熔融的铝液中，保温一定时间后取出空冷，再经高温扩散退火的工艺方法。铝液的温度一般控制在680～800℃，保温10～20min，这时发生铝液对钢表面浸润、铁原子溶解并与铝原子的相互扩散和反应，形成Fe-Al化合物层。工件从铝液中提出时还在表面黏附一薄铝层，随后需在950～1050℃进行3～8h的扩散退火，以减少渗铝层的脆性，提高渗铝层与基体的结合力，增加渗铝层厚度，并使表面光洁美观。

3)粉末渗铝

粉末渗铝是将欲渗铝的工件埋在粉末状渗铝剂内并在高温下渗铝的方法。渗铝剂由纯铝粉或铝铁合金粉(固态粉末渗铝或料浆渗铝)或铝铁合金块(固态气相法或低压渗铝法)与适量的活化剂混合组成。渗铝工艺根据钢种和零件服役条件而定，通常采用850～950℃保温4～8h，可获得50～400μm的渗铝层。通过高温下活化剂的作用把铝原子从铝粉或铝铁合金块上转移到工件表面，再扩散到基体中，以形成渗铝层。由于活化剂的作用，铝源可以不与欲渗表面直接接触。活化剂(以NH4Cl为例)的作用如下

NH4ClNH3＋HCl

6HCl＋2Al2AlCl3＋3H2

AlCl3＋2Al3AlCl

3AlClAlCl2＋2[Al]

反应的结果在钢件表面形成活性铝原子[Al]，并立即渗入钢件表面。

优化叶片表面性能：渗铝技术原理及应用

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