高溫合金葉片高效“綠色”滲鋁工藝在金屬所研制成功

高溫合金葉片高效“綠色”滲鋁工藝在金屬所研制成功

高性能熱擴散鋁化物涂層，包括鉑改性、活性元素改性、硅改性、鉻改性鋁化物涂層等，是先進航空發(fā)動機及燃氣輪機渦輪葉片高溫腐蝕防護的主要方法之一。然而，在傳統(tǒng)的粉末包埋、料漿擴散和氣相熱擴散鋁化物涂層制備技術(shù)中，存在著涂層有害元素摻雜和有毒氣體釋放的頑疾。為了解決有害元素摻雜影響涂層性能的問題，國外開發(fā)了化學(xué)氣相沉積鋁化物制備技術(shù)。然而在化學(xué)氣相沉積中采用的三氯化鋁等先驅(qū)體，具有很強的腐蝕性，不僅導(dǎo)致設(shè)備壽命短，而且污染環(huán)境。

針對上述兩個問題，中科院金屬所高溫防護涂層課題組沈明禮副研究員等近期研發(fā)出顛覆傳統(tǒng)的“綠色”滲鋁技術(shù)，使先進鋁化物涂層制備達到像真空鍍膜一樣的無毒氣排放、無有害元素摻雜要求，涂層抗氧化性能優(yōu)越于普通的鋁化物涂層。“綠色”滲鋁技術(shù)，基于真空高密度鋁等離子體輻照效應(yīng)，通過高密度鋁離子的沉積、注入、濺射和輻照增強擴散機制，可實現(xiàn)無有害元素摻雜的高性能鋁化物涂層的高效可控、無毒氣排放制備。例如，以純鎳為基體，可通過調(diào)節(jié)等離子體能量分別獲得δ-Ni2Al3和β-NiAl涂層，鋁化物涂層生長模式近乎線性，與鍍膜生長類似，明顯不同于傳統(tǒng)熱擴散滲鋁涂層的拋物線生長模式。借助該方法還可獲得亞微米級超細晶β-NiAl滲層，這是傳統(tǒng)熱擴散滲鋁難以做到的。“綠色”滲鋁涂層抗氧化性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱擴散滲鋁涂層，以鑄造高溫合金K438G為例，對比“綠色”滲鋁與傳統(tǒng)包埋法獲得的β-NiAl滲層1000 ℃氧化行為，可見“綠色”滲鋁涂層氧化動力學(xué)拋物線常數(shù)可降低一個數(shù)量級，達到PtAl涂層水平。

該工藝具有以下特點：（1）滲鋁在真空中進行，采用高純鋁靶材供給鋁等離子體，結(jié)合離子濺射清洗作用，最大限度抑制有害元素在鋁化物涂層內(nèi)夾雜；（2）由于輻照增強擴散效應(yīng)，鋁化物涂層生長速率高，并且生長速率和厚度可通過等離子體密度和能量進行靈活調(diào)控，生長速率5～50 m/h可調(diào)；（3） 可在多孔葉片高效制備鋁化物涂層，而不會發(fā)生像粉末包埋法導(dǎo)致粉末堵孔的現(xiàn)象；（4）可通過改變靶材成分，制備出稀土及多元素改性鋁化物涂層；（5）滲層生長速率滿足線性模式，利于控制厚度，便于滿足工程化應(yīng)用的批次穩(wěn)定性要求；（6）易于局部制備滲鋁層，如渦輪葉片僅需在葉身制備滲鋁層，往往在葉根和葉尖要避免滲鋁，通過對葉根和葉尖簡單遮擋可僅針對葉身進行滲鋁；（7）制備工藝綠色環(huán)保，不存在毒性氣體釋放問題，符合《中國制造2025》規(guī)劃綱要提出的制造業(yè)高端化、綠色化發(fā)展思路。

值得一提的是所研發(fā)的等離子輻照滲鋁技術(shù)裝備完全為自主設(shè)計研發(fā)，金屬所具備完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，已申報國家發(fā)明專利，為高溫合金葉片滲鋁工藝升級換代提供了保障和基礎(chǔ)，相關(guān)機理研究已公開發(fā)表在Scientific Reports。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、973計劃和863計劃的資助。

（中科院金屬所）