用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，包括真空炉体、气体供给控制系统以及真空与尾气处理系统。气体供给控制系统精确控制反应气、载气和保护气流量，反应气体通过导气座进入叶片内部冷却孔道反应生成涂层，实现叶片内孔道表面涂层全覆盖；保护气通过输气管道覆盖叶片外表面，防止叶片外表面与内孔道流出的反应气体长时间接触而反应生成有害厚度的涂层；采用碱液循环真空泵系统维持反应室给定的真空度并中和尾气中的HCl气体，通入气态反应物与尾气中的氯化铝气体反应生成固态颗粒物。本实用新型结构简单，操作方便，尾气处理能力强，生产效率高，能够满足叶片内孔道表面防护涂层的性能以及工业生产和环保要求。
【专利说明】用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备
【技术领域】
[0001]本实用新型属于化学气相沉积设备【技术领域】，具体涉及一种用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备。
【背景技术】
[0002]大量燃气轮机燃气透平叶片长期服役结果表明:在高温燃气、内孔道气流冲刷和热应力循环作用下，叶片内部冷却孔道引起的氧化、蠕变、热腐蚀、开裂等是影响燃气透平叶片寿命的关键因素。因此，在燃气透平叶片内孔道表面(以下简称叶片内表面)施加保护涂层，提高合金的抗高温氧化、抗含硫燃气腐蚀、抗高温腐蚀速率能力，延长燃气透平叶片的使用寿命。目前，国外燃气轮机燃气透平叶片内表面普遍采用铝化物涂层材料，制备工艺主要为化学气相沉积(CVD)法。CVD法能有效避免传统固体粉末渗铝法和料浆渗铝法存在的易堵塞冷却孔、易烧结、渗层不均匀等缺点，不仅能够有效控制扩散涂层厚度、铝含量及结构，而且低活性和高活性铝化物均能沉积于形状复杂的工件表面。然而，应用CVD工艺制备燃气透平叶片内表面涂层仍存在以下不足:(I)在燃气透平叶片内表面气相渗铝过程中，叶片外表面同时形成一定厚度的铝化物涂层，而叶片外表面的MCrAlY涂层或热障涂层表面或底部(即叶片基体表面)存在铝化物涂层时将降低热障涂层的抗热疲劳性能。再者，现代燃气轮机燃气透平叶片内表面涂层覆盖率要求达到100 %，而涂层覆盖率决定于金属卤化物气体在叶片内部冷却孔道的流通与沉积状况。目前，在燃气透平叶片冷却孔均无堵塞的前提下，国内尚未研制出一种可行的CVD设备及工艺可有效避免使金属卤化物在叶片外表面的沉积，同时使内表面涂层覆盖率达到100%。(2)CVD工艺涂层过程中排放出的尾气包括未反应的HCl气体、载气(氢气或氩气)、未反应或反应中间产物气体(A1C13、A1C12和A1C1)等，其中，A1C13、AlCl2和AlCl等氯化铝气体冷凝后固化，在管道中沉积而堵塞排气管道，未反应气体的HCl气体遇水易生成腐蚀性极强的酸，对设备硬件造成侵蚀，严重威胁设备运行的安全性。再者，这些沉积物不易清洗，增加了设备清洗时间与资金投入。(3)含有Cl离子的有害气体排放于大气中，造成环境污染。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是提供一种用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，以实现叶片内孔道表面涂层全覆盖，同时叶片外表面无有害厚度的涂层生成，并且有效控制尾气对设备的损坏与环境的污染，满足涂层性能和工业生产以及环保要求。
[0004]为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案予以实现:
[0005]用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，包括真空炉体、气体供给控制系统和真空与尾气处理系统；其中，真空炉体的周向及顶端由外至内依次为炉外保温材料层、外炉壳、耐火材料衬里和加热器，真空炉体内设置有不锈钢内胆，不锈钢内胆通过设置在真空炉体底端的反应室底座密封至真空炉体内，不锈钢内胆的腔室分为涂层反应室和尾气排放区，涂层反应室配置有与气体供给控制系统相连接的中心处输气管道、若干Ar气输气管道，中心处输气管道的周向设置有若干支架，每个支架上均设置有一个导气座，每个导气座均通过水平导管与中心处输气管道相连通，每个导气座的底端为多孔气体分散板，多孔气体分散板内放置了若干Al-Cr合金颗粒，叶片的叶根设置在导气座的顶端，且叶片的叶根完全掩埋在其周向设置的耐高温惰性填料中；
[0006]气体供给控制系统分别设置有Ar气出口、反应气体SI出口和气态反应物S2出口，Ar气出口分别与若干Ar气输气管道的入口相连，反应气体SI出口与中心处输气管道的入口相连；
[0007]反应室底座上设置有排气管道，排气管道通过水平尾气导管与真空与尾气处理系统中的碱液循环真空泵相连，电动机用于为碱液循环真空泵提供动力，碱液循环真空泵上设置有排气管，且碱液循环真空泵分别通过一级导管和二级导管与NaOH溶液池相连；气态反应物S2出口与水平尾气导管相连。
[0008]本实用新型进一步的改进在于:不锈钢内胆的材质选用牌号为lCr25Ni20Si2的不锈钢。
[0009]本实用新型进一步的改进在于:真空炉体和反应室底座的底部通过若干地面支撑支撑。
[0010]本实用新型进一步的改进在于:气体供给控制系统包括Ar气高压储气罐、气态反应物S2高压储气罐、H2气高压储气罐以及HCl高压储气罐；其中，Ar气高压储气罐的Ar气出口设置有气体减压阀，该气体减压阀的出口通过若干数显流量调节阀与若干Ar气输气管道的入口相连；气态反应物S2高压储气罐的气态反应物S2出口依次通过气体减压阀、质量流量计与水平尾气导管相连；H2气高压储气罐和HCl高压储气罐分别通过气体减压阀、质量流量计进入混合罐，混合罐的出口通过电磁开关连接低温金属卤化物生成器的入口，低温金属卤化物生成器内设置有Al金属颗粒床，低温金属卤化物生成器的出口通过数显流量调节阀连接反应气体SI入口。
[0011]本实用新型进一步的改进在于:排气管道中心处安装有轴向燃气预热器，用于防止尾气在进入水平尾气导管前发生冷凝。
[0012]本实用新型进一步的改进在于:反应室底座与真空炉体之间通过第一 O形密封圈和第二 O形密封圈密封。
[0013]与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:
[0014]1、本实用新型提供的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，实现叶片内孔道表面涂层全覆盖，同时保证叶片外表面无有害厚度的涂层生成。
[0015]2、本实用新型提供的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，结构简单、运行操作方便，可有效控制尾气中有害气体对设备的损坏和环境的污染，缩短批量生产周期，满足工业化生产和环保的要求。
[0016]综上所述，本实用新型气体供给控制系统精确控制反应气体、保护气和其他工作气体通入真空炉体及尾气处理装置，而真空炉体内的涂层反应区配置有与气体供给控制系统相连接的输气管道，反应气体通过反应室中心处输气管道并借助导气座进入叶片内孔道，与叶片内表面合金基体反应形成涂层，保护气通过反应室两侧输气管道覆盖叶片外表面，防止外表面与内孔道流出的反应气体长时间接触而反应生成有害厚度的涂层，采用碱液循环真空泵及其配套设备，维持反应室真空状态并中和尾气中的HCl气体，C02、C0、N0x等气体与尾气中未反应的氯化铝气体反应生成固态颗粒物，固态颗粒物可轻松水冲洗掉，有效缩短连续作业时设备的清洗时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的整体结构示意图。
[0018]图2为叶片导气座的结构示意图。
[0019]图3为气体供给控制系统流程图。
[0020]其中:1.真空炉体；2.耐火材料衬里；3.加热器；4.不锈钢内胆；5a.中心处输气管道；5b.Ar气输气管道；6.短管；7.导气座；8.支架；9.轴向热辐射屏蔽板；10.反应室底座；11.排气管道；12.轴向燃气预热器；13.第一 O形密封圈、14.第二 O形密封圈；15.气体供给控制系统；16a.Ar气高压储气罐；16b.气态反应物S2高压储气罐；16c.H2气高压储气罐；16d.HCl高压储气罐；17.气体减压阀；18.质量流量计；19.数显流量调节阀；20.混气罐；21.电磁阀开关；22.低温金属卤化物生成器；23.Al金属颗粒床；24.导气装置；25.水平尾气导管；26.碱液循环真空泵；27.电动机；28.排气管；29.—级导管；30.二级导管；31.NaOH溶液池；32.多孔气体分散板；33.Al-Cr合金颗粒；34.耐高温惰性填料；B.地面支撑座；s.叶片；S1.反应气体，即H2+A1C13气体；S2.气态反应物，即C02、CO或NOx气体。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0022]参照图1，本实用新型一种制备燃气轮机燃气透平叶片内孔道表面涂层的化学气相沉积设备，包括一个可抽成真空的真空炉体1，其采用升降式双层结构，由传统液压机构或其他机械(图中未显示，不属于本实用新型内容)提升，真空炉体由炉膛耐火材料、炉外保温材料层、外炉壳等组成，以保证炉体外表处于较低温度水平；一个气体供给控制系统15，可将低温金属卤化物气体、载气和其他工作气体一起通入所述真空炉体内；以及一个碱液循环真空泵及尾气处理系统。
[0023]本实用新型的真空炉体I的立式方形炉膛耐火材料衬里2周围均匀分布有加热器3，加热器3与真空炉体I联体安装，为待处理叶片S加热，同时可保证炉内加热的均匀性。炉膛内衬不锈钢内胆4，不锈钢内胆呈倒扣杯子形状，下部边缘密封依靠压紧O形密封圈13，由不锈钢内胆4界定的高温反应室依靠炉体自重密封。配置的热电偶(图中未显示)由真空炉体I底部进入反应室与叶片S柔性接触，将实测温度传递给加热及温度控制系统(图中未显示，不属于本实用新型内容)，据此改变加热频率，或进行恒温调节。工作气体由中心输气管道5a进入反应室内，输气管道根据工艺需要分别布置在反应室的中心与周边，且与气体供给控制系统15连通，从而实现气体的定量供给。叶片S通过导气座7固定于支架8上，支架8紧固或焊接在反应室中心处输气管道5a上。导气座7与中心处输气管道5a通过一短管6相连通，反应气体依次通过中心处输气管道5a、短管6、导气座7进入叶片S的内部冷却孔道，保护气氩气则通过反应室两侧的Ar气输气管道5b到达叶片S外表面。支架8最底端布置有由高温合金板构成的轴向热辐射屏蔽板9，这可减少对反应室底座10的热辐射，反应室底座10安装在真空炉体I和地面支撑座B上，支撑座B垂直置于水平地面上，反应室底座10对不锈钢内胆4与支架8起支撑作用。尾气由反应室下端排气管道11排出，排气管道11上端开口位于轴向热辐射屏蔽板9下，下端延伸至反应室底座10外，并与水平尾气导管25连通。排气管道11的中心处安装有轴向燃气预热器12，可保证尾气在进入水平尾气导管25前始终保持气体状态，尾气中有害气体通过尾气处理装置进行处理。炉体I外界密封依靠压紧O型密封圈14。
[0024]本实用新型设备的真空及尾气处理系统中，水平尾气导管25 —端与炉体I下端的排气管道11连通，另一端与碱液循环真空泵系统连通，采用传统加热元件(图中未显示)确保水平尾气导管25内的A1C1、A1C12、A1C13等物质始终维持气体状态。碱液循环真空泵系统包括碱液循环真空泵26、电动机27、排气管28以及NaOH溶液池31，尾气中的H2与Ar气体经过液环真空泵的气液分离器由排气管28进入大气环境，HCl气体与真空泵内的NaOH溶液发生中和反应，降低酸性气体对设备的腐蚀率。真空泵一端通过一级导管29、二级导管30与NaOH溶液池31连通，以便NaOH溶液的循环更新，另一端与反应室连通，维持反应室给定的真空度。反应气体S2通过导气装置24与水平尾气导管25连通，可与尾气中的氯化铝气体(A1C1、AlCl2和AlCl3)反应生成稳定的固态颗粒物(反应温度为800°C左右，此处加热器图中未显示)，此固态颗粒物易用水清洗。
[0025]参照图2，本实用新型中叶片导气座7的底端有一多孔气体分散板32，此板上的筛网(图中未显示)上放置了许多Al-Cr合金颗粒33，其尺寸分布为0.95cm?1.27cm之间。八1(:13气体通过高温的Al-Cr合金颗粒33，将转化为高活性氯化铝气体，如A1C1、A1C12，此种气体可形成高活性Al原子，从而优化了化学气相沉积过程。导气座7顶部分布有出气口，出气口的分布与尺寸依据实际叶片底部冷却空气进气口制定。除叶身暴露于反应室中，叶片S的叶根完全掩埋在耐高温惰性填料34中，可避免叶根外表面与反应气体的直接接触。
[0026]参照图3，本实用新型的气体供给控制系统15中，气路(Sl、S2、Ar)上分别分布有气体减压阀17、质量流量计18以及数显流量调节阀19。气体减压阀17与高压储气罐16连通，另一端与质量流量计18相连通，而质量流量计18的另一端与混气罐20连通。由气体减压阀17分别打开装有气体HCl与载气H2的高压储气罐16，调节气体减压阀17控制气体HCl与H2的流量，质量流量计18分别显示HCl与H2气体流量值，HCl与H2气体进入混气罐20以适当比例混合均匀后，由电磁阀开关21控制进入低温(100?600°C )金属卤化物气体生成器22 (其加热元件图中未显示)，其中气体HCl流经300°C的Al金属颗粒床23生成AlCl3气体。其后，通过数显流量调节阀19，载气H2携带AlCl3气体进入炉体I内的中心输气管道5a。同时，打开气体减压调节阀17，通过调节气体减压调节阀17与数显流量调节阀19控制氩气流量，氩气进入炉体I内的Ar气输气管道5b ;打开气体减压调节阀17，通过气体减压调节阀17与质量流量计18控制反应气体S2以一定的流量通过水平尾气导管25上的导气装置24进入尾气处理系统，尾气处理系统通过导气装置(24)引入C02、C0或N0x气体进入水平尾气导管(25)，与未反应的氯化铝气体反应生成固态颗粒物。
[0027]现以基体为Ni基合金的叶片S内表面制备NiAl涂层为例阐述本实用新型设备的工作原理:
[0028]将待处理叶片S固定在反应室内的导气座7上，装炉密封，加热前预抽真空，然后通入氩气排空炉体内的空气，然后抽真空至1.33Pa左右，在氩气保护下加热叶片S至1010°C，保持温度恒定，打开气体供给控制系统15中的H2、HC1以及S2气体，HCl气体进入低温金属卤化物生成器22，与300°C的Al金属小球反应生成AlCl3气体，随后按适当比例，H2携带AlCl3 (即气流SI)以一定流速进入反应室中心输气管道5a，反应气体S2进入水平尾气导管25。其中，高温反应过程中Ar气输气管道5b内的氩气流速保持在14.16?28.32L/min范围内，此处氩气流速控制范围根据叶片外表面形成的涂层厚度制定，一定厚度涂层的存在对叶片表面热障涂层的抗热疲劳性能无影响。气体S2的流速根据排气管道11中尾气的流速制定，气体S2与尾气的流速比例为0.012:1。设备运行一定时间，运行时间根据实际涂层要求制定，关闭真空炉体I加热及温控系统，随炉冷却至60(TC左右后，停止供给反应气体SI，当炉体温度降低至100°C左右时，停止所有气体供给、加热元件工作和真空系统工作，处理好的燃气透平叶片出炉。
【权利要求】
1.用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:包括真空炉体(I)、气体供给控制系统(15)和真空与尾气处理系统；其中，真空炉体(I)的周向及顶端由外至内依次为炉外保温材料层、外炉壳、耐火材料衬里(2)和加热器(3)，真空炉体(I)内设置有不锈钢内胆(4)，不锈钢内胆(4)通过设置在真空炉体(I)底端的反应室底座(10)密封至真空炉体(I)内，不锈钢内胆(4)的腔室分为涂层反应室和尾气排放区，涂层反应室配置有与气体供给控制系统(15)相连接的中心处输气管道(5a)、若干Ar气输气管道(5b)，中心处输气管道(5a)的周向设置有若干支架(8)，每个支架(8)上均设置有一个导气座(7)，每个导气座(7)均通过水平导管￠)与中心处输气管道(5a)相连通，每个导气座(7)的底端为多孔气体分散板(32)，多孔气体分散板(32)内放置了若干Al-Cr合金颗粒(33)，叶片(S)的叶根设置在导气座(7)的顶端，且叶片(S)的叶根完全掩埋在其周向设置的耐高温惰性填料(34)中； 气体供给控制系统(15)分别设置有Ar气出口、反应气体SI出口和气态反应物S2出口，Ar气出口分别与若干Ar气输气管道(5b)的入口相连，反应气体SI出口与中心处输气管道(5a)的入口相连； 反应室底座(10)上设置有排气管道(11)，排气管道(11)通过水平尾气导管(25)与真空与尾气处理系统中的碱液循环真空泵(26)相连，电动机(27)用于为碱液循环真空泵(26)提供动力，碱液循环真空泵(26)上设置有排气管(28)，且碱液循环真空泵(26)分别通过一级导管(29)和二级导管(30)与NaOH溶液池相连；气态反应物S2出口与水平尾气导管(25)相连。
2.根据权利要求1所述的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:不锈钢内胆(4)的材质选用牌号为lCr25Ni20Si2的不锈钢。
3.根据权利要求1所述的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:真空炉体(I)和反应室底座(10)的底部通过若干地面支撑(B)支撑。
4.根据权利要求1所述的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:气体供给控制系统(15)包括Ar气高压储气罐(16a)、气态反应物S2高压储气罐(16b)、H2气高压储气罐(16c)以及HCl高压储气罐(16d);其中，Ar气高压储气罐(16a)的Ar气出口设置有气体减压阀(17)，该气体减压阀(17)的出口通过若干数显流量调节阀(19)与若干Ar气输气管道(5b)的入口相连；气态反应物S2高压储气罐(16b)的气态反应物S2出口依次通过气体减压阀(17)、质量流量计(18)与水平尾气导管(25)相连；H2气高压储气罐(16c)和HCl高压储气罐(16d)分别通过气体减压阀(17)、质量流量计(18)进入混合罐(20)，混合罐(20)的出口通过电磁开关(21)连接低温金属卤化物生成器(22)的入口，低温金属卤化物生成器(22)内设置有Al金属颗粒床(23)，低温金属卤化物生成器(22)的出口通过数显流量调节阀(19)连接反应气体SI入口。
5.根据权利要求1所述的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:排气管道(11)中心处安装有轴向燃气预热器(12)，用于防止尾气在进入水平尾气导管(25)前发生冷凝。
6.根据权利要求1所述的用于制备燃气透平叶片内表面涂层的化学气相沉积设备，其特征在于:反应室底座(10)与真空炉体(I)之间通过第一 O形密封圈(13)和第二 O形密封圈(14)密封。
【文档编号】C23C16/455GK204174276SQ201420622491
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】南晴, 肖俊峰, 唐文书, 高斯峰, 上官博, 李永君, 张炯 申请人:西安热工研究院有限公司