CVD法滲鋁設(shè)備及工藝研究.pdf

1、先進燃氣輪機為追求高“推重比”，不斷提高渦輪進口溫度，使得燃氣輪機葉片的工作條件越來越苛刻，對其用材的性能要求越來越高。目前廣泛用于制造燃氣輪機葉片的鎳基合金，受自身熔點的限制，依然無法滿足此要求?？招娜~片的出現(xiàn)，雖然在一定程度上達到了氣冷效果，但同時也使葉片內(nèi)孔道的溫度越來越高，內(nèi)腔表面腐蝕越來越嚴重?，F(xiàn)在葉片內(nèi)孔道防護工藝一般是包埋法滲鋁、氣相滲鋁（VPA）和化學(xué)氣相沉積（CVD）滲鋁。然而包埋法存在著粉末易燒結(jié)、堵孔和滲后難清理的

2、問題；VPA工藝依然使用粉末，不環(huán)保且工藝可控性有限；CVD法使用HCl氣體作活化劑，滲后無滲劑的清理問題，無燒結(jié)、堵孔的危險，且涂層的抗高溫氧化/耐熱腐蝕性能優(yōu)于前兩者的，涂層也“最潔凈”。
　　本課題首先借助計算機軟件HSC-chemistry5對CVD滲鋁體系中滲鋁劑及滲鋁反應(yīng)機理進行熱力學(xué)研究。Al與HCl反應(yīng)主要形成 AlCl3(g)，以及少量 AlCl2(g)和AlCl(g)。在520K以上，Al與HCl反應(yīng)才可生成A

3、lCl(g)。生成的AlCl和AlCl2可能主要以 AlClH2、AlCl2H的形式存在，而 AlCl和 AlCl2單獨存在卻很少，這是緣于化學(xué)鍵成鍵原理，AlClx中Al外層3個電子需全部成對，該物質(zhì)才可穩(wěn)定存在。溫度升高、壓強降低會使AlCl2(g)和AlCl(g)的生成量增加。只有低價氯化物AlCl2(g)和 AlCl(g)才能在基體表面釋放出 Al，且 AlCl(g)釋放出 Al比 AlCl2(g)更容易，而AlCl3(g)則難

4、以反應(yīng)。
　　本課題在了解了滲鋁劑及滲鋁反應(yīng)機理的基礎(chǔ)上，進行了CVD滲鋁設(shè)備及工藝設(shè)計。CVD滲鋁設(shè)備設(shè)計成雙室結(jié)構(gòu)——氣體鋁化物發(fā)生爐和高溫滲鋁爐。CVD滲鋁體系采用N2-HCl-H2供氣體系供氣；CVD滲鋁系統(tǒng)由反應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)組成。反應(yīng)系統(tǒng)用以形成氣相鋁化物AlClx和AlClx發(fā)生滲鋁反應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)又分為溫度、壓強及流量控制系統(tǒng)。尾氣處理系統(tǒng)則采用真空泵抽出尾氣—冷卻—除塵—尾氣處理。CVD滲鋁爐由反應(yīng)罐

5、、加熱元件、保溫體、密封系統(tǒng)組成。反應(yīng)罐采用低鐵含量的高鎳鉻合金制造，加熱功率為30kW，保溫體采用300mm厚的硅酸鋁纖維制造。
　　本課題完成了Inconel718和AISI304在1000℃時4h的CVD滲鋁試驗以及滲鋁樣品在1100℃的氧化試驗。Inconel718和AISI304表面的CVD滲鋁層均有三層結(jié)構(gòu)（外層、中間層、互擴散層），滲鋁層總厚度分別117.8μm、560.2μm；滲鋁層外層 Al含量均較高，Al含量分