CN108660411A - 一种抗热蚀性渗层的k002合金持久夹具的制备方法 - Google Patents

一种抗热蚀性渗层的k002合金持久夹具的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，首先设计高温持久夹具结构形式：根据高温持久试验机拉杆结构和试样类型确定夹具结构形式；其次绘制夹具形状尺寸图：根据高温加热炉均热带要求设计夹具尺寸并绘制夹具形状尺寸图；再次加工高温持久夹具：根据夹具尺寸图铸造加工K002合金持久夹具；最后对高温持久夹具进行渗铝工艺处理。本发明能够提高K002合金夹具在高温下的抗氧化性，防止夹具与试样发生粘结，依此提高持久试验夹具使用寿命，使K002合金持久夹具在1040℃长时使用时间提高到1000小时。

Description

一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法
技术领域
本发明属于金属高温持久性能试验领域，具体涉及一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，用于高温持久性能检测中试样与试验机连接装配。
背景技术
持久性能检测作为航空发动机高温部件的必检项目，其试验周期长、温度高等均影响着试验辅助装备(持久夹具)的使用寿命；高温长时持久试验易造成夹具出现严重氧化现象或与试样粘结现象，影响试验加载过程同轴度不满足试验要求，同时试样与夹具粘接紧密，无法拆卸，最终造成试验失效、夹具报废。目前在850～1040℃条件下进行高温持久试验，其夹具的有效使用寿命约为500小时，不能满足航空发动机用材料日益发展的需要，造成科研持久试验的不连续性或影响生产持久性能检验的时效性。
发明内容
本发明提供了一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，以克服现有技术存在的问题，本发明能够提高K002合金夹具在高温下的抗氧化性，防止夹具与试样发生粘结，依此提高持久试验夹具使用寿命，使K002合金持久夹具在1040℃长时使用时间提高到1000小时。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：设计高温持久夹具结构形式：根据高温持久试验机拉杆结构和试样类型确定夹具结构形式；
步骤2：绘制夹具形状尺寸图：根据高温加热炉均热带要求设计夹具尺寸并绘制夹具形状尺寸图；
步骤3：加工高温持久夹具：根据夹具尺寸图铸造加工K002合金持久夹具；
步骤4：对高温持久夹具进行渗铝工艺处理。
进一步地，步骤2中夹具尺寸保证试样安装至高温炉内中部均热区。
进一步地，步骤4中采用非接触式扩散气相渗铝工艺对高温夹具进行处理。
进一步地，所述渗铝工艺具体包括以下步骤：
步骤4.1：配制渗剂并混合均匀，同时清理高温夹具表面及螺纹孔和气孔；
步骤4.2：将高温夹具装炉，使渗剂在下，高温夹具在上；
步骤4.3：对炉内进行抽真空；
步骤4.4：进行气相渗铝；
步骤4.5：随炉冷却至设定温度，随后排气空冷出炉。
进一步地，步骤4.1中渗剂采用铁铝粉和氯化铵的混合物，且铁铝粉和氯化铵的质量比为50:1。
进一步地，步骤4.1中采用吹砂处理清理高温夹具表面及螺纹孔和气孔，具体工艺如下：将夹具安装在除砂箱内，采用120-220目氧化铝，在风压≤0.3MPa条件下撞击夹具表面及螺纹孔和气孔，除去其表面油污和残留物。
进一步地，步骤4.3中抽真空至炉内压力达到-0.1MPa。
进一步地，步骤4.4中气相渗铝温度为980℃，保温时间为8h。
进一步地，还包括步骤5：对夹具经高温氧化后的渗铝试验片进行渗层组织分析，若经氧化试验后α-Al2O3氧化膜仍保持致密完整或脱落后仍能够新生，则能够用于高温持久性能检测；若经氧化试验后生成θ-Al2O3氧化膜或θ-Al2O3氧化膜大量脱落至影响到夹具装配同轴度时则重复渗铝工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明可使高温持久试验夹具重复利用，减少高温持久试验用夹具的批量采购，降低使用成本，提升经济效益。其次，减少试样与夹具间的粘结，使持久试验的装置过程快捷、方便，同时减少因试样装配过程防高温粘合剂的使用而对人体所造成的伤害(重金属粉末)。此外，热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备可减少夹具因高温氧化而造成氧化层脱落，进而保证了试验加载过程同轴度满足试验要求，确保了试验测试结果的可靠性。通过该渗铝工艺获得渗层组织可保证夹具经高温氧化试验后形成完整致密的α-Al2O3氧化膜，该膜层能有效阻止高温条件下氧在基体中的渗入，同时具有较强的自修复能力，降低了渗层的退化速度，也提高了渗层的抗高温氧化性。
附图说明
图1是RC1230高温持久蠕变试验机用酒瓶M10螺纹夹具结构示意图；
图2是应用于RC1230高温持久蠕变试验机的大头悬挂式拉杆示意图，其中(a)为主视图，(b)为(a)的A-A向视图；
图3是高温持久夹具气相渗铝示意图。
其中，11、试样夹持端；12、拉杆连接端；13、渗铝排气孔；22、夹具连接端；1、渗铝剂；2、高温持久夹具；3、鸟笼式支架；4、循环风机5、导风筒；6、马弗炉；7、进气管；8、过滤装置；9、机械泵；10、监控热电偶。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：设计高温持久夹具结构形式：根据高温持久试验机拉杆结构和试样类型确定夹具结构形式；
步骤2：绘制夹具形状尺寸图：根据高温加热炉均热带要求设计夹具尺寸并绘制夹具形状尺寸图，保证试样安装至高温炉内中部均热区；
步骤3：加工高温持久夹具：根据夹具尺寸图铸造加工K002合金持久夹具；
步骤4：采用非接触式扩散气相渗铝工艺对高温持久夹具进行渗铝工艺处理，所述渗铝工艺具体包括以下步骤：
步骤4.1：配制渗剂并混合均匀，所述渗剂采用铁铝粉和氯化铵的混合物，且铁铝粉和氯化铵的质量比为50:1，采用吹砂处理清理高温夹具表面及螺纹孔和气孔，具体工艺参数：氧化铝、120-220目、风压≤0.3MPa；即就是将夹具安装在除砂箱内，采用120-220目氧化铝，保持风压≤0.3MPa条件下撞击夹具表面及螺纹孔和气孔，除去其表面油污和残留物；
步骤4.2：将高温夹具装炉，使渗剂在下，高温夹具在上；
步骤4.3：对炉内进行抽真空后充氩气保护，重复操作直至炉内压力达到-0.1MPa；
步骤4.4：进行气相渗铝，气相渗铝温度为980℃，时间为8h；
步骤4.5：随炉冷却至设定温度，随后排气空冷出炉。
下面结合附图对本发明实施例做详细描述：
一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具制备方法：
(1)设计高温持久夹具结构形式：根据高温持久试验机拉杆结构(大头悬挂式)和试样类型(如M10、M12螺纹连接圆形光滑试样或悬挂式台阶试样)确定夹具结构形式；
(2)绘制夹具形状尺寸图：根据高温加热炉均热带要求设计夹具尺寸并绘制，夹具尺寸保证试样安装至高温炉内中部均热区，满足试验方法要求；
(3)加工高温持久夹具：根据夹具尺寸图铸造加工K002酒瓶状持久模型，根据试样尺寸形状，在其底部加工试样夹持端螺纹；
(4)制定渗铝工艺：由于固体渗铝和料浆渗铝均容易造成螺纹孔内渗层不均匀，因此选用非接触式扩散气相渗铝工艺；
(5)对高温夹具进行渗铝工艺处理：配制渗剂——清理夹具表面及螺纹孔、气孔(吹砂处理，工艺参数：氧化铝、120-220目、风压≤0.3MPa)——装炉(渗剂在下，持久夹具在上)——抽真空(氩气填充排除炉内空气，避免夹具表面氧化)——气相渗铝——随炉冷却后排气出炉；
(6)对渗层进行评定：为了保持夹具使用完整性，对经高温氧化后的夹具渗铝试验片进行渗层组织分析。
以RC1230高温持久蠕变试验机用酒瓶M10螺纹夹具为例：常用于K002合金1040℃下持久性能检测，一般完成约500h检测任务时便会发生夹具与拉杆或试样的粘结和夹具表面、螺纹孔氧化等现象，防高温粘合剂的使用也未能避免夹具粘结现象的发生，造成高温夹具大量报废。因此，采用渗铝工艺强化夹具表层及螺纹孔，防止因高温氧化夹具粘结、氧化皮大量脱落。其步骤是：
根据试验机拉杆结构(大头悬挂式)和M10螺纹光滑圆形横截面试样，确定夹具结构如图1所示，夹具与拉杆之间通过双半环衔接，将图1拉杆连接端12穿过图2夹具连接端22位置下孔，通过半环固定于拉杆上，在图1试样夹持端11位置开制M10螺纹孔，同时于螺纹底部侧面开制渗铝排气孔13，为后续渗铝工艺实施做准备；根据高温炉均匀加热区位置和大小确定夹具具体尺寸并绘制加工；采用气相渗铝工艺进行渗铝强化，配制渗剂(铁铝粉5kg/炉+氯化铵100g/炉，搅拌均匀)——清理夹具表面及螺纹孔、气孔(吹砂处理)——装炉(如图3所示，渗铝剂1放置在下，高温持久夹具2和试验片在上，两者通过鸟笼式支架3隔开)——抽真空(采用机械泵9和过滤装置8对渗罐进行抽真空，时间不少于1h，然后通过进气管7充氩气至压力表指针指示约0.1MPa，保持30+5min后检查是否漏气，随后放气至0.02MPa。再次抽气至-0.1MPa，再充氩气至约0.02MPa，重复置换氩气不少于3次。)——气相渗铝(通过马弗炉6进行加热升温，同时打开循环风机4，炉内气流通过导风筒5进行循环流动。在抽真空状态下，通过监控热电偶10使炉内温度稳定上升至200±10℃，关闭机械泵9，随炉升温到980℃，并进行保温8h)——随炉冷却到680℃后，排气出炉空冷；在1040℃高温氧化试验后，为了保持夹具使用完整性，对经高温氧化后的夹具渗铝试验片进行切片渗层组织分析，评定α-Al2O3氧化膜的致密性随时间的变化程度是否满足强化要求，若经氧化试验后α-Al2O3氧化膜仍保持致密完整或脱落后仍新生成均可强化夹具高温使用寿命，可用于高温持久性能检测；若经氧化试验后生成θ-Al2O3氧化膜或θ-Al2O3氧化膜大量脱落且影响到夹具装配同轴度时则应重复渗铝工艺。
用此方法可对RD系列试验机装配使用夹具进行抗热蚀性渗层制备，该设备若用于1000℃以上高温持久试验，需对其制备相应的抗热蚀性渗层K002合金夹具，夹具形状不同于图1，但渗层制备工艺仍选用气相渗铝。该夹具的使用可缩短试样的拆卸时间，重复同一试验条件持久试验时也不需要更换夹具，提高装机效率，同时也避免了夹具的批量采购，降低使用成本，提升经济效益。

Claims (9)

1.一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计高温持久夹具结构形式：根据高温持久试验机拉杆结构和试样类型确定夹具结构形式；
步骤2：绘制夹具形状尺寸图：根据高温加热炉均热带要求设计夹具尺寸并绘制夹具形状尺寸图；
步骤3：加工高温持久夹具：根据夹具形状尺寸图铸造加工K002合金持久夹具；
步骤4：对高温持久夹具进行渗铝工艺处理。
2.根据权利要求1所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤2中夹具尺寸保证试样安装至高温炉内中部均热区。
3.根据权利要求1所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤4中采用非接触式扩散气相渗铝工艺对高温夹具进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，所述渗铝工艺具体包括以下步骤：
步骤4.1：配制渗剂并混合均匀，同时清理高温夹具表面及螺纹孔和气孔；
步骤4.2：将高温夹具装炉，使渗剂在下，高温夹具在上；
步骤4.3：对炉内进行抽真空；
步骤4.4：进行气相渗铝；
步骤4.5：随炉冷却至设定温度，随后排气空冷出炉。
5.根据权利要求4所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤4.1中渗剂采用铁铝粉和氯化铵的混合物，且铁铝粉和氯化铵的质量比为50:1。
6.根据权利要求4所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤4.1中采用吹砂处理清理高温夹具表面及螺纹孔和气孔，具体工艺如下：将夹具安装在除砂箱内，采用120-220目氧化铝，在风压≤0.3MPa条件下撞击夹具表面及螺纹孔和气孔，除去其表面油污和残留物。
7.根据权利要求4所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤4.3中抽真空至炉内压力达到-0.1MPa。
8.根据权利要求4所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，步骤4.4中气相渗铝温度为980℃，保温时间为8h。
9.根据权利要求1所述的一种抗热蚀性渗层的K002合金持久夹具的制备方法，其特征在于，还包括步骤5：对夹具经高温氧化后的渗铝试验片进行渗层组织分析，若经氧化试验后α-Al2O3氧化膜仍保持致密完整或脱落后仍能够新生，则能够用于高温持久性能检测；若经氧化试验后生成θ-Al2O3氧化膜或θ-Al2O3氧化膜大量脱落至影响到夹具装配同轴度时则重复渗铝工艺。
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