一種鈮合金表面高溫抗氧化涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱噴涂領(lǐng)域，涉及一種鈮合金表面高溫抗氧化涂層，特別是適用于火 箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈、核反應(yīng)堆飛行器翼與舵等關(guān)鍵部件鈮合金基材表面的高溫抗氧化防護(hù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈮合金具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、高熔點(diǎn)、固溶能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于制備火箭發(fā) 動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈、核反應(yīng)堆、飛行器翼與舵等關(guān)鍵部件。但是，鈮合金的抗氧化性能較差，純金屬 鈮在600°C即發(fā)生氧化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其在高溫有氧環(huán)境下的應(yīng)用。因此，必須提高鈮合 金的高溫抗氧化性能，以拓展其應(yīng)用空間。提高鈮合金抗高溫氧化能力的主要途徑有合金 化和表面涂層保護(hù)。合金化是指在鈮及其合金中添加 Si、Cr、Al、Ti、V等元素，使其在高溫 應(yīng)用時(shí)表面生成氧化物保護(hù)膜，從而提高其抗氧化性。合金的加入雖能改善抗氧化性能，但 同時(shí)也會(huì)造成材料高溫力學(xué)性能的下降，有其自身的局限性。表面涂層不僅可以保護(hù)基體 不受高溫腐蝕，也能最大程度地保留材料的高溫力學(xué)性能，是兼顧高溫力學(xué)性能與抗氧化 性能切實(shí)有效的途徑。
[0003] 鈮合金抗高溫氧化涂層體系分為耐熱合金涂層、貴金屬涂層、鋁化物涂層及硅化 物涂層。硅化物涂層是目前應(yīng)用最為廣泛的涂層，包括Nb (Ti)-Si涂層體系、Si-Cr-Ti (Fe) 涂層體系和Mo-Si涂層體系。Nb(Ti)-Si涂層體系可用于1300°C以下鈮合金零部件表面的 氧化防護(hù)。Si-Cr-Ti(Fe)涂層體系開發(fā)較早，已成功應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的飛船和火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 鈮合金零部件的表面防護(hù)，但其使用溫度也不超過1400°C。隨著新型雙組元軌道姿控發(fā)動(dòng) 機(jī)的應(yīng)用，鈮合金部件需要在超高溫環(huán)境下長期使用，金屬間化合物MoSiJ#層在高溫下能 氧化生成揮發(fā)性的MoO 3和具有自愈合能力的SiO2保護(hù)膜，有效阻止氧向基材方向的擴(kuò)散， 是硅化物涂層中最有前途的涂層材料。但是MoSi 2室溫下很脆，低溫下（300?700°C)有 氧化現(xiàn)象，高溫（1250°C以上）強(qiáng)度低。上述現(xiàn)有技術(shù)中得到的鈮合金抗高溫氧化涂層均 為單層涂層，且無法用于溫度高于1400°C的有氧環(huán)境，因此需要對(duì)MoSi 2進(jìn)行改性以便滿足 其在高溫有氧環(huán)境下的使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種鈮合金表面高溫抗氧化涂層，對(duì)Mo-Si系涂層進(jìn)行了改 進(jìn)，可提高涂層的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，以便滿足其在高溫有氧環(huán)境下的使用要求。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的，是得到上述鈮合金表面高溫抗氧化涂層的制備方法，采用 高能等離子噴涂工藝在鈮合金表面直接作業(yè)，工藝簡單，便于操作和實(shí)現(xiàn)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：
[0007] -種鈮合金表面高溫抗氧化涂層，鈮合金基體1上為以下成分的底涂層2和面涂 層 3 :底涂層 2 為 McvxWx(Si1TzAlyB z)2，面涂層 3 為 HfSi210-20wt %，其余為 M〇1_xWx (Sii_y_z AlyBz)2;式中X，y和z分別表示對(duì)應(yīng)元素的摩爾數(shù)，并且0 < X彡0. 5, 0. 1彡y < 0. 5, 0 < z ^ 0. 4?0. I < y+z ^ 0. 5〇
[0008] 式中x，y和z的摩爾數(shù)可以是：0· 1彡x彡0· 5, 0· 1彡y彡0· 4, 0· 1彡z彡0· 4， 0. 2 y+z 0. 5〇
[0009] 該涂層的總厚度為0· 2?0· 3mm，底涂層占總厚度的40?60%。
[0010] 該涂層在高溫工作狀態(tài)下，B元素可形成硼硅酸鹽保護(hù)層，面涂層中的!1巧12可經(jīng) 高溫氧化下生成HfO2和具有自愈合能力的SiO 2。
[0011] 其中的底涂層2和面涂層3采用高能等離子噴涂工藝制備，其中的MOhWjSi^A IyBz) 2噴涂粉末材料采用自蔓延工藝制備。
[0012] 一種鈮合金表面高溫抗氧化涂層的制備方法，該方法采用高能等離子噴涂工藝， 包括如下步驟：
[0013] (1)將原料Mo、W、Si、Al和B粉末按化學(xué)式McvxWx(SimAl yBz)2中的摩爾比配料， 其中0 < X彡0· 5, 0· 1彡y < 0· 5, 0 < z彡0· 4,0· I < y+z彡0· 5 ;然后用高能球磨機(jī)球 磨，使粉末材料混合均勻；
[0014] (2)將上述混勻粉末材料低溫烘干壓坯成形；
[0015] (3)將成形塊料放入自蔓延反應(yīng)爐中進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)得到M〇1_ xWx (Sim AlyBJ2 產(chǎn)物；
[0016] (4)用顎式破碎機(jī)將充分自蔓延反應(yīng)后的材料破碎成粉末；
[0017] (5)篩分選取粒度40?80 μ m的混合粉末進(jìn)行感應(yīng)等離子球化處理，得到球形粉 末顆粒，篩取粒徑40?80 μ m范圍內(nèi)的粉末，得到高溫抗氧化涂層底層材料；
[0018] (6)將等離子球化后的粉末和10%?20wt%的HfSi2粉末采用機(jī)械混合的方式混 勻，得到高溫抗氧化涂層面層材料；
[0019] (7)將噴涂基體材料鈮合金表面進(jìn)行凈化處理和噴砂粗化處理；
[0020] (8)采用高能等離子噴涂工藝在鈮合金表面制備底層和面層。
[0021] 所述步驟（1)中原料粉末為純度^ 99. 9%，粒度1?3 μπι的粉末，在高能球磨過 程中放入酒精和ZrO2磨球，球料質(zhì)量比為3:1，高能球磨機(jī)球磨時(shí)間14?18小時(shí)。
[0022] 所述步驟⑵的壓實(shí)密度> 40 %。
[0023] 所述步驟（3)中，將連接點(diǎn)火開關(guān)的兩段電線置于壓縮粉末的一端，電線之 間用鎢絲連接，以Ti-Si粉為引燃劑，質(zhì)量比為Ti:Si = 3:1 ;反應(yīng)前自蔓延爐內(nèi)真空 度-0. IMPa，充入氬氣保護(hù)，至氬氣壓力值0. 6MPa，然后按下點(diǎn)火開關(guān)，點(diǎn)燃鎢絲，開始反 應(yīng)。
[0024] 所述步驟（7)中噴砂粗化處理至鈮合金表面粗糙度6?12 μ m。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)中的鈮合金表面抗氧化涂層相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0026] 1)在Mo-Si系涂層里面加入了 W，A1，B等元素，改善了涂層高溫下的強(qiáng)度和韌性， 提高了涂層的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性。
[0027] 2)采用雙層結(jié)構(gòu)，降低了涂層與基體材料之間熱物理性能的不匹配，細(xì)化了涂層 組織，有利于提高涂層的熱循環(huán)壽命。
[0028] 3)采用自蔓延燃燒合成反應(yīng)制備復(fù)合粉末，并應(yīng)用感應(yīng)等離子球化工藝得到適 應(yīng)噴涂工藝需求的球形粉末，應(yīng)用高能等離子噴涂工藝制備涂層，工藝簡單，便于操作和實(shí) 現(xiàn)。
【附圖說明】：
[0029] 圖1為涂層結(jié)構(gòu)示意圖
[0030] 其中的附圖標(biāo)記為：1鈮合金，2底涂層，3面涂層
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0032] 本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于，1)對(duì)Mo-Si系涂層的成分進(jìn)行改進(jìn)，添加 W，A1，B等元素； 2)對(duì)該涂層的結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行了改進(jìn)。
[0033] 在成分改進(jìn)方面
[0034] 本發(fā)明的涂層包含兩層結(jié)構(gòu)：底層為McvxWx(Si 1IzAlyBz)2涂層，面層為Mo ^xWx (Si1 _y_zAlyBz)2-(10-20) % WtHfSi2涂層，（其中 0 <