扩散性铝化物涂层及制备工艺

1、扩散性铝化物涂层及制备工艺高温铝化物扩散涂层是在 20 世纪 50 年代发展起来的，到目前仍被广泛应用，并占整个高温防护涂层的 90%。制备铝化物涂层的扩散渗铝工艺成熟，方法多样化。在镍基合金上应用最广的渗铝方法有: 固体粉末渗铝，料浆法渗铝。下面简要介绍固体粉末渗铝、料浆渗铝、气相渗铝三种工艺的原理。1 固体粉末渗铝 11在耐热钢容器中，将样品包装于扩散剂之中，渗剂由金属铝粉末或富al 的feal 合金粉末，活化物质 ( 如卤族化合物 ) 及填料 ( 氧化铝 ) 混合组成，用氢或氢气作保护气体，按规定的时间进行热扩散处理。以钢的渗铝为例来说明渗铝的原理。渗铝过程中发生如下系列反应:2nh4c

2、l=2hcl+n 2+3h26hcl+2al=2alcl 3+3h2fe+alcl 3=fec13+al即在高温下， nh 4cl 分解释放出 hcl 气体、 hcl 和铝粉或 feal 粉中的铝反应形成气态 alcl 3。alcl 3 扩散向渗件表面， 并和基体元素铁反应， 铝原子被置换出来 . 反应式在通常情况下几乎不会发生，但在金属表面有催渗剂的条件是有可能发生的。一般常见的渗铝温度为850 1050。温度太低，渗铝速度会急剧下降；温度太高，则渗铝件的晶粒急剧长大而使材料的机械性能变差。渗铝层的厚度可通过调整渗铝时间和温度来控制。但是，为获得较厚的渗层，延长渗铝时间远没有提高温度那样效果

3、显著，因为在保温一定时间后，合金表面的铝己达到饱和状态，此后渗铝层的厚度将完全取决于铝的扩散速度，即使再延长时间，渗铝层厚度也不会有很大的增加12 。固体粉末渗铝的优点是 : 设备简单，操作方便，特别适用于机械的零部件；其缺点是 : 渗剂容易被氧化，工件尺寸受限制，对工件表面粗糙度有一定影响。2 料桨法渗铝1314料浆法 ( slurry process) 将渗铝剂和粘结剂配制成料浆，涂在工件表面，烘干后在真空或氢气保护下进行高温扩散处理。高温扩散处理温度一般在10001200。用铝活度高的料浆得到向里扩散型涂层，铝活度低时得到向外扩散型1铝化物涂层。机理与固体粉末法类似，但因其有不受工件尺寸

4、限制，可以在形状复杂的工件表面涂覆铝化物涂层 . 根据渗层形成的原理，料浆渗铝可分为熔烧型和扩散型两种。熔烧型的料浆只用铝粉作渗剂，不加活化剂，其渗铝原理与液体法相同。扩散型的渗铝剂中需有氧化铝粉及活化剂，其渗铝原理与固体法相同。此次在 k4l7 合金表面制备的渗 al 涂层属于无机盐料浆涂层，属于熔烧型，渗剂中无活化剂 . 无机盐料浆涂层是二十世纪七十年代发展起来的一种较新型涂层，它具有优越的耐腐蚀性能，而且工艺简便，成本低廉 . 我国制备此涂层一般工艺流程是 :待渗工件除油称量或测厚涂覆烘干固化称量或测厚扩散处理清理称量或测厚成品在按上述流程操作时，首先必须保证除油的质量，还可以用 120

5、 220 目 al 203 砂轻吹，除去工件表面污物和造成一定的粗糙度，以增强料浆与工件表面的结合力 . 对料浆的厚度以称量法较为准确，用测厚法也可行。料浆层的厚度以采用反复喷涂的方法来达到要求为好。与一次喷涂达到厚度要求相比，多次喷涂可以改善料浆的均匀度及致密性。采用反复喷涂的方法时，在每次喷涂后应予以烘干，烘干温度80。如料浆层过厚，可用碱的水溶液除去后再重新喷涂。固化在 370左右进行， 在扩散处理后应进行清理。 清理后的工件表面呈黑色；用轻吹砂的方法清理后，表面为带玫瑰红的乳白色。影响工件质量工艺参数 :(1) 粘结剂成分的影响粘结剂成分的变化，直接影响涂层的表面光洁度和渗入量。(2)

6、 金属粉末的影响料浆中的铝粉含量一般控制在 50%( 质量百分数 ) 。含量过高会使料浆太稠而不易涂覆均匀，影响表面质量和涂层均匀性，含量过低涂覆时容易流淌，导致渗层铝浓度低。(3) 不同料浆量对渗入量的影响根据实践经验，一般来说，渗入量随料浆量的增加而增加，因此，正确地选择喷涂料浆量是控制渗层厚度的关键。(4) 扩散温度对渗入量的影响根据有关测试表明，扩散温度对渗入量的影响小。因此，可在较宽的温度范围内选择扩散温度。3 气相渗铝 10气相渗铝 ( vapour phase aluminizing) 与粉末包装法相似，故也称非接触包装2渗铝 (out-of-contact aluminizin

7、g ) ，或者称为 over aluminizing 或 above pack。工艺步骤 : 在密封的反应器中，将样品悬挂于盛渗剂的浅盘之上，通入氢气。当加热到预定温度，渗剂中含欲渗元素如al 或 cr 的合金 (me)与活化剂卤族元素 (x)的化合物 ax(a 为 nh4、 y、 zr 或 hf) 反应，生成挥发性金属卤化物mexx:me(合金 )十 axx=mexx(g)+a当渗铝时，铝源用 feal 合金与 cl 反应，可形成 alcl 、alcl 2 和 alcl 3，它们以气态扩散到镍基合金工件表面进行反应，扩散形成涂层，从而避免渗剂颗粒镶人涂层表层，便于做面罩，使工件局部如叶片根部

8、不渗铝，并使叶片冷却孔内部渗铝。4 渗铝涂层相与结构以镍基合金为例来说明渗铝层的相与结构。 在 ni-al 二元体系中 ( 见图 1.1) ，随铝含量升高可形成 4 种化合物相 : -ni 3al 、-nial 、-ni 2al 3 以及 nial 3。其中， nial 3 熔点仅为 854，通常情况下涂层中不形成该相。图 1.1 ni-al二元相图3-ni 3al : 铝的质量分数为13.2%14.9%，属面心立方结构。它的熔点为1400，是镍基高温合金的强化相。-nial : 铝的质量分数为 23.5%36%，属体心立方结构。符合化学计量的 相的熔点为 1638。当铝的原子分数大于 50%

9、时，为富铝的 相；当镍的原子分数大于 50%时，为富镍的 相。-ni 2al 3: 铝的质量分数为55%60%，晶胞呈棱方点阵。它的熔点为855-1133 。常温下，该相组成的涂层极脆，受外力时易碎。因而在使用中不希望涂层中存在 ni 2al 3 相。采用高温扩散，可将其转变为 nial 相。当铝含量很低时，铝固溶到镍中，形成 -ni 的固溶体。在所有 ni-al 形成的固溶体和化合物相中， -nial 抗氧化性最好。 -ni3al 抗氧化性能介于 -nial 和 固溶体之间。铝化物涂层的结构 15 取决于渗剂中铝的活度、渗铝温度、基体合金成分、涂层厚度、涂层中其他元素的浓度及后处理工艺。根据

10、扩散方式可将渗铝分为向外生长型与向内生长型两种工艺 16 。 goward 等人将这两种工艺称为低活度渗铝和高活度渗铝，这种分法在概念上是含混不清的。渗铝徐层的类型与多种因素有关，当渗剂中的铝活度固定时，改变活性剂的含量就可获得不同类型的涂层。以涂层的生长方式来分类则可避免种种误解。(1) 向内生长型。在较低温度 (700 850 ) 下进行，反应扩散形成富 al 的ni 2al 3 相组成的涂层，因为 ni 2al 3 相很脆，需经渗后退火 (1000 1100) 后处理。涂层的生长机制为渗剂中铝向内扩散。ni 2al 3 层中 al 向基体扩散，由于al 在ni 2al 3 相中互扩散系数较高， ni 2al 3 最终完全转变为-nial ，并形成外层，外层保留了 ni 2al 3 相中原有碳化物及富合金元素析出相质点；中间层为纯净的 -nial相；内层又复含有基体中的沉淀相。高活度渗铝需要两次加热，不仅操作步骤多，成本高，而且表层含碳化物，相对抗高温氧化不利。因为碳化物氧化有气态氧化物，加速氧化膜的破坏。(2) 向外生长型。在较高温度 (1000 1100 ) 下进行 al 与 ni 反应生成 nial相涂层，涂层长大由 ni 向外扩散。同时 nial 层下合