用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備的製作方法
2023-07-14 16:03:21 6
用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，包括真空爐體、氣體供給控制系統以及真空與尾氣處理系統。氣體供給控制系統精確控制反應氣、載氣和保護氣流量，反應氣體通過導氣座進入葉片內部冷卻孔道反應生成塗層，實現葉片內孔道表面塗層全覆蓋；保護氣通過輸氣管道覆蓋葉片外表面，防止葉片外表面與內孔道流出的反應氣體長時間接觸而反應生成有害厚度的塗層；採用鹼液循環真空泵系統維持反應室給定的真空度並中和尾氣中的HCl氣體，通入氣態反應物與尾氣中的氯化鋁氣體反應生成固態顆粒物。本實用新型結構簡單，操作方便，尾氣處理能力強，生產效率高，能夠滿足葉片內孔道表面防護塗層的性能以及工業生產和環保要求。
【專利說明】用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於化學氣相沉積設備【技術領域】，具體涉及一種用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備。
【背景技術】
[0002]大量燃氣輪機燃氣透平葉片長期服役結果表明:在高溫燃氣、內孔道氣流衝刷和熱應力循環作用下，葉片內部冷卻孔道引起的氧化、蠕變、熱腐蝕、開裂等是影響燃氣透平葉片壽命的關鍵因素。因此，在燃氣透平葉片內孔道表面(以下簡稱葉片內表面)施加保護塗層，提高合金的抗高溫氧化、抗含硫燃氣腐蝕、抗高溫腐蝕速率能力，延長燃氣透平葉片的使用壽命。目前，國外燃氣輪機燃氣透平葉片內表面普遍採用鋁化物塗層材料，製備工藝主要為化學氣相沉積(CVD)法。CVD法能有效避免傳統固體粉末滲鋁法和料漿滲鋁法存在的易堵塞冷卻孔、易燒結、滲層不均勻等缺點，不僅能夠有效控制擴散塗層厚度、鋁含量及結構，而且低活性和高活性鋁化物均能沉積於形狀複雜的工件表面。然而，應用CVD工藝製備燃氣透平葉片內表面塗層仍存在以下不足:(I)在燃氣透平葉片內表面氣相滲鋁過程中，葉片外表面同時形成一定厚度的鋁化物塗層，而葉片外表面的MCrAlY塗層或熱障塗層表面或底部(即葉片基體表面)存在鋁化物塗層時將降低熱障塗層的抗熱疲勞性能。再者，現代燃氣輪機燃氣透平葉片內表面塗層覆蓋率要求達到100 %，而塗層覆蓋率決定於金屬滷化物氣體在葉片內部冷卻孔道的流通與沉積狀況。目前，在燃氣透平葉片冷卻孔均無堵塞的前提下，國內尚未研製出一種可行的CVD設備及工藝可有效避免使金屬滷化物在葉片外表面的沉積，同時使內表面塗層覆蓋率達到100%。(2)CVD工藝塗層過程中排放出的尾氣包括未反應的HCl氣體、載氣(氫氣或氬氣)、未反應或反應中間產物氣體(A1C13、A1C12和A1C1)等，其中，A1C13、AlCl2和AlCl等氯化鋁氣體冷凝後固化，在管道中沉積而堵塞排氣管道，未反應氣體的HCl氣體遇水易生成腐蝕性極強的酸，對設備硬體造成侵蝕，嚴重威脅設備運行的安全性。再者，這些沉積物不易清洗，增加了設備清洗時間與資金投入。(3)含有Cl離子的有害氣體排放於大氣中，造成環境汙染。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是提供一種用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，以實現葉片內孔道表面塗層全覆蓋，同時葉片外表面無有害厚度的塗層生成，並且有效控制尾氣對設備的損壞與環境的汙染，滿足塗層性能和工業生產以及環保要求。
[0004]為達到上述目的，本實用新型採用如下的技術方案予以實現:
[0005]用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，包括真空爐體、氣體供給控制系統和真空與尾氣處理系統；其中，真空爐體的周向及頂端由外至內依次為爐外保溫材料層、外爐殼、耐火材料襯裡和加熱器，真空爐體內設置有不鏽鋼內膽，不鏽鋼內膽通過設置在真空爐體底端的反應室底座密封至真空爐體內，不鏽鋼內膽的腔室分為塗層反應室和尾氣排放區，塗層反應室配置有與氣體供給控制系統相連接的中心處輸氣管道、若干Ar氣輸氣管道，中心處輸氣管道的周向設置有若干支架，每個支架上均設置有一個導氣座，每個導氣座均通過水平導管與中心處輸氣管道相連通，每個導氣座的底端為多孔氣體分散板，多孔氣體分散板內放置了若干Al-Cr合金顆粒，葉片的葉根設置在導氣座的頂端，且葉片的葉根完全掩埋在其周向設置的耐高溫惰性填料中；
[0006]氣體供給控制系統分別設置有Ar氣出口、反應氣體SI出口和氣態反應物S2出口，Ar氣出口分別與若干Ar氣輸氣管道的入口相連，反應氣體SI出口與中心處輸氣管道的入口相連；
[0007]反應室底座上設置有排氣管道，排氣管道通過水平尾氣導管與真空與尾氣處理系統中的鹼液循環真空泵相連，電動機用於為鹼液循環真空泵提供動力，鹼液循環真空泵上設置有排氣管，且鹼液循環真空泵分別通過一級導管和二級導管與NaOH溶液池相連；氣態反應物S2出口與水平尾氣導管相連。
[0008]本實用新型進一步的改進在於:不鏽鋼內膽的材質選用牌號為lCr25Ni20Si2的不鏽鋼。
[0009]本實用新型進一步的改進在於:真空爐體和反應室底座的底部通過若干地面支撐支撐。
[0010]本實用新型進一步的改進在於:氣體供給控制系統包括Ar氣高壓儲氣罐、氣態反應物S2高壓儲氣罐、H2氣高壓儲氣罐以及HCl高壓儲氣罐；其中，Ar氣高壓儲氣罐的Ar氣出口設置有氣體減壓閥，該氣體減壓閥的出口通過若干數顯流量調節閥與若干Ar氣輸氣管道的入口相連；氣態反應物S2高壓儲氣罐的氣態反應物S2出口依次通過氣體減壓閥、質量流量計與水平尾氣導管相連；H2氣高壓儲氣罐和HCl高壓儲氣罐分別通過氣體減壓閥、質量流量計進入混合罐，混合罐的出口通過電磁開關連接低溫金屬滷化物生成器的入口，低溫金屬滷化物生成器內設置有Al金屬顆粒床，低溫金屬滷化物生成器的出口通過數顯流量調節閥連接反應氣體SI入口。
[0011]本實用新型進一步的改進在於:排氣管道中心處安裝有軸向燃氣預熱器，用於防止尾氣在進入水平尾氣導管前發生冷凝。
[0012]本實用新型進一步的改進在於:反應室底座與真空爐體之間通過第一 O形密封圈和第二 O形密封圈密封。
[0013]與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果:
[0014]1、本實用新型提供的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，實現葉片內孔道表面塗層全覆蓋，同時保證葉片外表面無有害厚度的塗層生成。
[0015]2、本實用新型提供的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，結構簡單、運行操作方便，可有效控制尾氣中有害氣體對設備的損壞和環境的汙染，縮短批量生產周期，滿足工業化生產和環保的要求。
[0016]綜上所述，本實用新型氣體供給控制系統精確控制反應氣體、保護氣和其他工作氣體通入真空爐體及尾氣處理裝置，而真空爐體內的塗層反應區配置有與氣體供給控制系統相連接的輸氣管道，反應氣體通過反應室中心處輸氣管道並藉助導氣座進入葉片內孔道，與葉片內表面合金基體反應形成塗層，保護氣通過反應室兩側輸氣管道覆蓋葉片外表面，防止外表面與內孔道流出的反應氣體長時間接觸而反應生成有害厚度的塗層，採用鹼液循環真空泵及其配套設備，維持反應室真空狀態並中和尾氣中的HCl氣體，C02、C0、N0x等氣體與尾氣中未反應的氯化鋁氣體反應生成固態顆粒物，固態顆粒物可輕鬆水衝洗掉，有效縮短連續作業時設備的清洗時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的整體結構示意圖。
[0018]圖2為葉片導氣座的結構示意圖。
[0019]圖3為氣體供給控制系統流程圖。
[0020]其中:1.真空爐體；2.耐火材料襯裡；3.加熱器；4.不鏽鋼內膽；5a.中心處輸氣管道；5b.Ar氣輸氣管道；6.短管；7.導氣座；8.支架；9.軸向熱輻射屏蔽板；10.反應室底座；11.排氣管道；12.軸向燃氣預熱器；13.第一 O形密封圈、14.第二 O形密封圈；15.氣體供給控制系統；16a.Ar氣高壓儲氣罐；16b.氣態反應物S2高壓儲氣罐；16c.H2氣高壓儲氣罐；16d.HCl高壓儲氣罐；17.氣體減壓閥；18.質量流量計；19.數顯流量調節閥；20.混氣罐；21.電磁閥開關；22.低溫金屬滷化物生成器；23.Al金屬顆粒床；24.導氣裝置；25.水平尾氣導管；26.鹼液循環真空泵；27.電動機；28.排氣管；29.—級導管；30.二級導管；31.NaOH溶液池；32.多孔氣體分散板；33.Al-Cr合金顆粒；34.耐高溫惰性填料；B.地面支撐座；s.葉片；S1.反應氣體，即H2+A1C13氣體；S2.氣態反應物，即C02、CO或NOx氣體。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0022]參照圖1，本實用新型一種製備燃氣輪機燃氣透平葉片內孔道表面塗層的化學氣相沉積設備，包括一個可抽成真空的真空爐體1，其採用升降式雙層結構，由傳統液壓機構或其他機械(圖中未顯示，不屬於本實用新型內容)提升，真空爐體由爐膛耐火材料、爐外保溫材料層、外爐殼等組成，以保證爐體外表處於較低溫度水平；一個氣體供給控制系統15，可將低溫金屬滷化物氣體、載氣和其他工作氣體一起通入所述真空爐體內；以及一個鹼液循環真空泵及尾氣處理系統。
[0023]本實用新型的真空爐體I的立式方形爐膛耐火材料襯裡2周圍均勻分布有加熱器3，加熱器3與真空爐體I聯體安裝，為待處理葉片S加熱，同時可保證爐內加熱的均勻性。爐膛內襯不鏽鋼內膽4，不鏽鋼內膽呈倒扣杯子形狀，下部邊緣密封依靠壓緊O形密封圈13，由不鏽鋼內膽4界定的高溫反應室依靠爐體自重密封。配置的熱電偶(圖中未顯示)由真空爐體I底部進入反應室與葉片S柔性接觸，將實測溫度傳遞給加熱及溫度控制系統(圖中未顯示，不屬於本實用新型內容)，據此改變加熱頻率，或進行恆溫調節。工作氣體由中心輸氣管道5a進入反應室內，輸氣管道根據工藝需要分別布置在反應室的中心與周邊，且與氣體供給控制系統15連通，從而實現氣體的定量供給。葉片S通過導氣座7固定於支架8上，支架8緊固或焊接在反應室中心處輸氣管道5a上。導氣座7與中心處輸氣管道5a通過一短管6相連通，反應氣體依次通過中心處輸氣管道5a、短管6、導氣座7進入葉片S的內部冷卻孔道，保護氣氬氣則通過反應室兩側的Ar氣輸氣管道5b到達葉片S外表面。支架8最底端布置有由高溫合金板構成的軸向熱輻射屏蔽板9，這可減少對反應室底座10的熱輻射，反應室底座10安裝在真空爐體I和地面支撐座B上，支撐座B垂直置於水平地面上，反應室底座10對不鏽鋼內膽4與支架8起支撐作用。尾氣由反應室下端排氣管道11排出，排氣管道11上端開口位於軸向熱輻射屏蔽板9下，下端延伸至反應室底座10外，並與水平尾氣導管25連通。排氣管道11的中心處安裝有軸向燃氣預熱器12，可保證尾氣在進入水平尾氣導管25前始終保持氣體狀態，尾氣中有害氣體通過尾氣處理裝置進行處理。爐體I外界密封依靠壓緊O型密封圈14。
[0024]本實用新型設備的真空及尾氣處理系統中，水平尾氣導管25 —端與爐體I下端的排氣管道11連通，另一端與鹼液循環真空泵系統連通，採用傳統加熱元件(圖中未顯示)確保水平尾氣導管25內的A1C1、A1C12、A1C13等物質始終維持氣體狀態。鹼液循環真空泵系統包括鹼液循環真空泵26、電動機27、排氣管28以及NaOH溶液池31，尾氣中的H2與Ar氣體經過液環真空泵的氣液分離器由排氣管28進入大氣環境，HCl氣體與真空泵內的NaOH溶液發生中和反應，降低酸性氣體對設備的腐蝕率。真空泵一端通過一級導管29、二級導管30與NaOH溶液池31連通，以便NaOH溶液的循環更新，另一端與反應室連通，維持反應室給定的真空度。反應氣體S2通過導氣裝置24與水平尾氣導管25連通，可與尾氣中的氯化鋁氣體(A1C1、AlCl2和AlCl3)反應生成穩定的固態顆粒物(反應溫度為800°C左右，此處加熱器圖中未顯示)，此固態顆粒物易用水清洗。
[0025]參照圖2，本實用新型中葉片導氣座7的底端有一多孔氣體分散板32，此板上的篩網(圖中未顯示)上放置了許多Al-Cr合金顆粒33，其尺寸分布為0.95cm?1.27cm之間。八1(:13氣體通過高溫的Al-Cr合金顆粒33，將轉化為高活性氯化鋁氣體，如A1C1、A1C12，此種氣體可形成高活性Al原子，從而優化了化學氣相沉積過程。導氣座7頂部分布有出氣口，出氣口的分布與尺寸依據實際葉片底部冷卻空氣進氣口制定。除葉身暴露於反應室中，葉片S的葉根完全掩埋在耐高溫惰性填料34中，可避免葉根外表面與反應氣體的直接接觸。
[0026]參照圖3，本實用新型的氣體供給控制系統15中，氣路(Sl、S2、Ar)上分別分布有氣體減壓閥17、質量流量計18以及數顯流量調節閥19。氣體減壓閥17與高壓儲氣罐16連通，另一端與質量流量計18相連通，而質量流量計18的另一端與混氣罐20連通。由氣體減壓閥17分別打開裝有氣體HCl與載氣H2的高壓儲氣罐16，調節氣體減壓閥17控制氣體HCl與H2的流量，質量流量計18分別顯示HCl與H2氣體流量值，HCl與H2氣體進入混氣罐20以適當比例混合均勻後，由電磁閥開關21控制進入低溫(100?600°C )金屬滷化物氣體生成器22 (其加熱元件圖中未顯示)，其中氣體HCl流經300°C的Al金屬顆粒床23生成AlCl3氣體。其後，通過數顯流量調節閥19，載氣H2攜帶AlCl3氣體進入爐體I內的中心輸氣管道5a。同時，打開氣體減壓調節閥17，通過調節氣體減壓調節閥17與數顯流量調節閥19控制氬氣流量，氬氣進入爐體I內的Ar氣輸氣管道5b ;打開氣體減壓調節閥17，通過氣體減壓調節閥17與質量流量計18控制反應氣體S2以一定的流量通過水平尾氣導管25上的導氣裝置24進入尾氣處理系統，尾氣處理系統通過導氣裝置(24)引入C02、C0或N0x氣體進入水平尾氣導管(25)，與未反應的氯化鋁氣體反應生成固態顆粒物。
[0027]現以基體為Ni基合金的葉片S內表面製備NiAl塗層為例闡述本實用新型設備的工作原理:
[0028]將待處理葉片S固定在反應室內的導氣座7上，裝爐密封，加熱前預抽真空，然後通入氬氣排空爐體內的空氣，然後抽真空至1.33Pa左右，在氬氣保護下加熱葉片S至1010°C，保持溫度恆定，打開氣體供給控制系統15中的H2、HC1以及S2氣體，HCl氣體進入低溫金屬滷化物生成器22，與300°C的Al金屬小球反應生成AlCl3氣體，隨後按適當比例，H2攜帶AlCl3 (即氣流SI)以一定流速進入反應室中心輸氣管道5a，反應氣體S2進入水平尾氣導管25。其中，高溫反應過程中Ar氣輸氣管道5b內的氬氣流速保持在14.16?28.32L/min範圍內，此處氬氣流速控制範圍根據葉片外表面形成的塗層厚度制定，一定厚度塗層的存在對葉片表面熱障塗層的抗熱疲勞性能無影響。氣體S2的流速根據排氣管道11中尾氣的流速制定，氣體S2與尾氣的流速比例為0.012:1。設備運行一定時間，運行時間根據實際塗層要求制定，關閉真空爐體I加熱及溫控系統，隨爐冷卻至60(TC左右後，停止供給反應氣體SI，當爐體溫度降低至100°C左右時，停止所有氣體供給、加熱元件工作和真空系統工作，處理好的燃氣透平葉片出爐。
【權利要求】
1.用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:包括真空爐體(I)、氣體供給控制系統(15)和真空與尾氣處理系統；其中，真空爐體(I)的周向及頂端由外至內依次為爐外保溫材料層、外爐殼、耐火材料襯裡(2)和加熱器(3)，真空爐體(I)內設置有不鏽鋼內膽(4)，不鏽鋼內膽(4)通過設置在真空爐體(I)底端的反應室底座(10)密封至真空爐體(I)內，不鏽鋼內膽(4)的腔室分為塗層反應室和尾氣排放區，塗層反應室配置有與氣體供給控制系統(15)相連接的中心處輸氣管道(5a)、若干Ar氣輸氣管道(5b)，中心處輸氣管道(5a)的周向設置有若干支架(8)，每個支架(8)上均設置有一個導氣座(7)，每個導氣座(7)均通過水平導管￠)與中心處輸氣管道(5a)相連通，每個導氣座(7)的底端為多孔氣體分散板(32)，多孔氣體分散板(32)內放置了若干Al-Cr合金顆粒(33)，葉片(S)的葉根設置在導氣座(7)的頂端，且葉片(S)的葉根完全掩埋在其周向設置的耐高溫惰性填料(34)中； 氣體供給控制系統(15)分別設置有Ar氣出口、反應氣體SI出口和氣態反應物S2出口，Ar氣出口分別與若干Ar氣輸氣管道(5b)的入口相連，反應氣體SI出口與中心處輸氣管道(5a)的入口相連； 反應室底座(10)上設置有排氣管道(11)，排氣管道(11)通過水平尾氣導管(25)與真空與尾氣處理系統中的鹼液循環真空泵(26)相連，電動機(27)用於為鹼液循環真空泵(26)提供動力，鹼液循環真空泵(26)上設置有排氣管(28)，且鹼液循環真空泵(26)分別通過一級導管(29)和二級導管(30)與NaOH溶液池相連；氣態反應物S2出口與水平尾氣導管(25)相連。
2.根據權利要求1所述的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:不鏽鋼內膽(4)的材質選用牌號為lCr25Ni20Si2的不鏽鋼。
3.根據權利要求1所述的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:真空爐體(I)和反應室底座(10)的底部通過若干地面支撐(B)支撐。
4.根據權利要求1所述的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:氣體供給控制系統(15)包括Ar氣高壓儲氣罐(16a)、氣態反應物S2高壓儲氣罐(16b)、H2氣高壓儲氣罐(16c)以及HCl高壓儲氣罐(16d);其中，Ar氣高壓儲氣罐(16a)的Ar氣出口設置有氣體減壓閥(17)，該氣體減壓閥(17)的出口通過若干數顯流量調節閥(19)與若干Ar氣輸氣管道(5b)的入口相連；氣態反應物S2高壓儲氣罐(16b)的氣態反應物S2出口依次通過氣體減壓閥(17)、質量流量計(18)與水平尾氣導管(25)相連；H2氣高壓儲氣罐(16c)和HCl高壓儲氣罐(16d)分別通過氣體減壓閥(17)、質量流量計(18)進入混合罐(20)，混合罐(20)的出口通過電磁開關(21)連接低溫金屬滷化物生成器(22)的入口，低溫金屬滷化物生成器(22)內設置有Al金屬顆粒床(23)，低溫金屬滷化物生成器(22)的出口通過數顯流量調節閥(19)連接反應氣體SI入口。
5.根據權利要求1所述的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:排氣管道(11)中心處安裝有軸向燃氣預熱器(12)，用於防止尾氣在進入水平尾氣導管(25)前發生冷凝。
6.根據權利要求1所述的用於製備燃氣透平葉片內表面塗層的化學氣相沉積設備，其特徵在於:反應室底座(10)與真空爐體(I)之間通過第一 O形密封圈(13)和第二 O形密封圈(14)密封。
【文檔編號】C23C16/455GK204174276SQ201420622491
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】南晴, 肖俊峰, 唐文書, 高斯峰, 上官博, 李永君, 張炯 申請人:西安熱工研究院有限公司