先进燃气轮机为追求高“推重比”，不断提高涡轮进口温度，使得燃气轮机叶片的工作条件越来越苛刻，对其用材的性能要求越来越高。目前广泛用于制造燃气轮机叶片的镍基合金，受自身熔点的限制，依然无法满足此要求。空心叶片的出现，虽然在一定程度上达到了气冷效果，但同时也使叶片内孔道的温度越来越高，内腔表面腐蚀越来越严重。现在叶片内孔道防护工艺一般是包埋法渗铝、气相渗铝（VPA）和化学气相沉积（CVD）渗铝。然而包埋法存在着粉末易烧结、堵孔和渗后难清理的问题；VPA工艺依然使用粉末，不环保且工艺可控性有限；CVD法使用HCl气体作活化剂，渗后无渗剂的清理问题，无烧结、堵孔的危险，且涂层的抗高温氧化/耐热腐蚀性能优于前两者的，涂层也“最洁净”。
本课题首先借助计算机软件HSC-chemistry5对CVD渗铝体系中渗铝剂及渗铝反应机理进行热力学研究。Al与HCl反应主要形成 AlCl3(g)，以及少量 AlCl2(g)和AlCl(g)。在520K以上，Al与HCl反应才可生成AlCl(g)。生成的AlCl和AlCl2可能主要以 AlClH2、AlCl2H的形式存在，而 AlCl和 AlCl2单独存在却很少，这是缘于化学键成键原理，AlClx中Al外层3个电子需全部成对，该物质才可稳定存在。温度升高、压强降低会使AlCl2(g)和AlCl(g)的生成量增加。只有低价氯化物AlCl2(g)和 AlCl(g)才能在基体表面释放出 Al，且 AlCl(g)释放出 Al比 AlCl2(g)更容易，而AlCl3(g)则难以反应。
本课题在了解了渗铝剂及渗铝反应机理的基础上，进行了CVD渗铝设备及工艺设计。CVD渗铝设备设计成双室结构——气体铝化物发生炉和高温渗铝炉。CVD渗铝体系采用N2-HCl-H2供气体系供气；CVD渗铝系统由反应系统、控制系统、尾气处理系统组成。反应系统用以形成气相铝化物AlClx和AlClx发生渗铝反应。控制系统又分为温度、压强及流量控制系统。尾气处理系统则采用真空泵抽出尾气—冷却—除尘—尾气处理。CVD渗铝炉由反应罐、加热元件、保温体、密封系统组成。反应罐采用低铁含量的高镍铬合金制造，加热功率为30kW，保温体采用300mm厚的硅酸铝纤维制造。
本课题完成了Inconel718和AISI304在1000℃时4h的CVD渗铝试验以及渗铝样品在1100℃的氧化试验。Inconel718和AISI304表面的CVD渗铝层均有三层结构（外层、中间层、互扩散层），渗铝层总厚度分别117.8μm、560.2μm；渗铝层外层 Al含量均较高，Al含量分别高达46.84at.％、32at.%。在1100℃高温氧化时，Inconel718和AISI304渗铝样品均拥有明显优于基体（未渗铝样品）的抗高温氧化性能；AISI304渗铝样品的抗高温氧化性能优于Inconel718未渗铝样品的，这为AISI304不锈钢渗铝后代替高档不锈钢甚至镍基合金的使用提供了可能性。
- 作 者：
- 范凯平
- 学科专业：
- 材料学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 机械科学研究总院
- 导师姓名：
- 吴勇
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
