导向器零件渗铝铬工艺优化研究

导向器零件渗铝铬工艺优化研究

张宇慧

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要: 通过对渗铝工艺过程的优化、改进渗铝防护方法，设计制造专用渗铝铬工装，摸索高温合金渗铝变形规律及渗铝工艺对高温合金基体性能的影响，解决了渗铝铬渗剂烧结、溢出，零件渗后变色，获得了零件变形规律，提高了零件加工效率，同时掌握了渗铝工艺方法对零件性能的影响规律。

关键词：高温合金渗铝、导向器

一、项目背景

航空发动机需要在极其恶劣的环境下工作，所以需要航空发动机叶片及其零部件能有较好的高温氧化性能，耐高温腐蚀性能，能有较好的高温蠕变强度以及较高的断裂强度，使其能够广泛的应用于航空发动机叶片及其零部件上，所以必须采用表面改性技术来提高热腐蚀性能以及耐高温氧化性能以达到使用要求。目前航空发动机导向器及叶片等零件主要是通过渗铝处理来提高耐高温性能，但渗铝涂层对耐腐蚀性能的提高是有限的，铝铬共渗是目前同时提高高温耐腐蚀性能和耐高温氧化性能的有效方法。

高温合金渗铝铬工艺为新研制工艺，以往无相关生产经验，经过多轮工艺试验，已研制成功高温合金渗铝铬方法，获得了渗铝铬用渗剂配方、渗铝铬温度及不同渗层深度与保温时间的关系等，可以获得零件所需渗层深度及组织要求，但还存在渗剂密封困难，易烧结，渗后零件变色，变形规律不清等问题。实际零件存在161个φ0.6mm气孔和23个精铸叶片中的宽度仅为0.35mm导流孔，若渗剂烧结将导致细小空洞堵塞，另外渗铝工艺为零件铸造表面最终工艺，若出现变形及变色，将影响导向器的正常交付。

项目通过对渗铝工艺过程的优化、改进渗铝防护方法，设计制造专用渗铝铬工装，摸索高温合金渗铝变形规律及渗铝工艺对高温合金基体性能的影响，解决了渗铝铬渗剂烧结、溢出，零件渗后变色，获得了零件变形规律，提高了零件加工效率，同时掌握了渗铝工艺方法对零件性能的影响规律。该项目效果显著并成功应用于高温合金导向器的生产交付，同时为后续等多种热端部件的顺利研制生产奠定了坚实的技术基础。

二、工艺难点及改进方法研究

2.1 工艺难点

K447合金为等轴晶铸造镍基高温合金，相当于美国的Mar-M247,合金强化机理为第二相沉淀强化，该合金适用于在航空发动机领域制造导向器等零部件。为了提高零件表面抗腐蚀性能，零部件表面需渗铝铬。导向器组件要求其流道及叶型表面渗铝铬，渗层深度0.03~0.06。公司热端部件多年来仅有甲Ⅰ一个型号，技术能力薄弱，多年来对于高温合金的渗金属工艺仅K5材料的叶片渗铝硅工艺为公司掌握成熟工艺，其余涉及热端部件渗金属工艺均为外委生产或直接采购。为保证零件的顺利交付，前期公司进行了高温合金的渗铝铬工艺方法研究，掌握了K447A材料基础的渗铝铬工艺，但存在渗剂密封困难，易烧结，渗后零件变色，变形规律不清等问题，无法保证零件的正常交付。

2.2 工艺改进方法研究

2.2.1 气体防护方式研究

前期试验过程为排除炉中空气，防止渗剂氧化烧结及零件氧化变色，根据设备功能，采用的是预抽真空的方式进行，首先将保护罐入炉后关闭所有的进排气阀门，开启真空泵抽至真空度不低于13.33Pa（0.1Torr），关闭真空阀门及真空泵后通入氩气至炉内压力略高于外部压力，流量为（10～15）L/min，此过程至少进行两次。采用该方法存在三个问题，第一个问题是渗剂混合粉末较轻，虽然对零件防护罐进行了石棉毡及黄泥密封，但仍有大量的渗剂粉末溢出，影响零件渗金属效果；第二个问题是该方法空气排除并不彻底，零件表面存在较严重的变色；第三个问题是零件存在161个φ0.6mm气孔和23个精铸叶片中的宽度仅为0.35mm导流孔，空气排除不净导致渗剂烧结导致气孔及导流孔堵塞。

经多方研讨分析，认为对于包埋方式渗金属，炉内压力应为正压，使用预抽真空方式排除空气，炉内是负压，负压导致渗包内部压力大外部压力小，气压使得颗粒度小，密度小的渗剂成分溢出渗包，而使用石棉毡和黄泥等常规密封手段，随着加热温度的升高密封效果逐渐变差，无法保证密封效果。

为了保证炉内压力为正压，需要用气体置换方式排除空气，使炉内压力始终等于或大于大气压力。我厂现有设备没有可以同时满足渗铝铬所需1030℃高温和气体置换要求的热处理炉。为此决定，简单改造现有渗铝硅炉，在室温下，使用导气管将氩气从炉膛低注入，因为氩气比空气重，因此随着氩气的注入的量逐渐增加，空气则从炉盖上方的排气空排出。同时为了保证空气排除干净，需注入至少5倍炉膛体积的氩气。炉膛直径为Φ550mm，高度1000mm。以15L/min注入量计算，需排气至少5h。排气结束后，将导气管拉出，并密封进气孔。从排气孔少量注入氩气，保持炉内压力，并开始升温加热，进行零件渗铝铬。将预抽真空改为氩气置换方式后，解决了渗剂外溢及烧结现象。

2.2.2 零件装炉方式研究

在零件试验过程中，虽然采用了氩气置换空气的方式，但是发现与工装直接接触的表面（防护工装焊点及闭合槽相对较小位置）略有变色，而直接接触渗剂表面工装防护的其余位置为正常的亮灰色，另外未防护直接暴露在氩气气氛中的零件表面也存在变色现象。这说明零件渗铝铬渗包在加热过程中需要形成一个内部密闭空间，使其形成渗铝铬气氛环境，保证零件有效渗入所需金属的同时防止空气进入。采用气体置换方式虽然使得空气大部分被排除，防止的渗计的烧结，但仍存在一定量的杂质气体，零件防护工装的边缘应有漏气现象，导致杂质气体与零件接触产生变色。为此，制作了工装外套箱，采用石英砂埋覆后进行渗铝铬处理，零件表面再无变色现象。

2.2.3 不同处理方式及零件状态对渗铝铬层深度的影响研究

为了摸索零件不同表面状态及渗剂状态对零件渗层的影响、非包埋位置是否漏渗等，在相同的工艺参数下，使用新配制渗剂、二次使用渗剂，铸造状态试片、铸造后经吹砂处理的试片、机加表面状态试片，两次进行渗铝的试片，进行试验，获得不同状态下的渗层深度。

从零件渗层检测结果，铸造并吹砂的零件表面渗铝铬效果最好，渗层均匀深度深；机加表面渗铝铬效果最差，深度浅并均匀度差。新配制渗剂渗铝铬效果更好，二次使用渗剂与新渗剂在同样条件下渗层深度相差约0.01mm。两次渗铝铬零件比一次渗渗速快，但考虑到装炉及冷却时间较长，不建议正式生产使用，可在渗层较浅补渗或零件渗层要求较深的情况下，尝试使用。零件非渗部位，通过防护工装的使用，可以很好的起到防渗的作用。

2.2.4 渗铝铬过程热处理对零件机械性能的影响研究

为掌握零件不同热处理阶段，不同高温时效温度下的性能变化规律，利用K447材料铸造试棒，随零件进行生产，检测了零件固溶处理（1185℃±10℃ 保温2h）后、固溶＋高温时效（1030℃±10℃，保温8h）后，固溶＋高温时效＋时效（870℃±10℃ 保温20h）后零件的力学性能，以及980℃和1030℃不同高温时效下零件的机械性能。

从零件高温拉伸性能检测结果可见，该K447材料随着零件经历固溶、高温时效、时效处理后的零件，900℃下的拉伸强度、屈服强度、断面收缩率指标均有大幅提高，也印证了K447A材料为时效强化高温合金，该零件标准热处理制度为一次固溶两次时效，通过试验掌握了零件不同热处理制度下的性能变化情况。

K447导向器叶片及导向器组件由于渗不同的金属，因此零件经历的高温时效的温度不同，对于导向器叶片需渗铝处理，其高温时效的制度为980℃，而导向器零件整体需进行渗铝铬，其高温时效温度为1030℃，为了获得不同高温时效制度对零件性能的影响，对980℃及1030℃温度下高温时效K447A材料的零件拉伸性能及持久性能进行了检测。

从检测结果看，除900℃高温性能中的屈服强度和断面收缩率略有降低外，其余拉伸性能及持久性能上，1030℃高温时效处理的试样检测结果均好于980℃高温时效的结果。

2.2.5 渗铝铬前后零件尺寸变形规律研究

为摸索零件渗铝铬后的变形规律，测量了零件渗前渗后关键尺寸，为保证零件最终尺寸精度及机械加工预留量提供检测依据。

从零件检测数据看，除止口位置零件的变形量略大在(+0.2~-0.1)mm之间外，其余位置的变形量较小，止口位置为零件过渡区，渗前壁厚位置预留±0.50mm可满足尺寸要求，其余位置渗后变形量均可满足尺寸精度要求。

三、结论

根据以上检测结果可以获得以下结论

1、为解决渗剂烧结及零件变色，易采用氩气置换方式排除空气，同时防渗工装外需埋覆焙烧后的石英砂。

2、渗铝铬零件表面不建议加工，其为铸造并吹砂状态渗铝铬效果最佳。渗铝铬渗剂可多次使用，但需适当调整保温时间。

3、K447材料高温性能随固溶、高温时效、时效处理逐步增加。1030℃高温时效与980℃高温时效相比室温及韧性强度增加，高温强度增加，韧性降低。