[发明专利]Mo-C-N-Si-Nb梯度涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种梯度涂层材料及其制备方法，尤其是一种Mo-C-N-Si-Nb梯度涂层材料及其制备方法。

背景技术

晶向为 < 111 >Mo-Nb合金（钼铌合金）具有十分高的耐热性，可以应用于工作温度为1600℃的结构件，在各种介质中的耐腐性、抗震性、导热性和导电性能高，同时具有较好的机械加工性能。在1500℃，10MPa时，Mo-3Nb（3为质量百分数） 合金单晶的稳态蠕变率较纯Mo单晶降低了3个数量级，大大提高了材料的高温抗蠕变性能，具有很高的高温强度。被广泛用作空间热离子反应堆中的发射极、导弹尾喷管、卫星火箭推进器以及进气口温度超过1400℃的发动机叶片材料等领域。但是，当它在氧化介质中温度超过500℃时，制品表面容易形成高挥发性的三氧化钼，起不到防护作用，不能在氧化介使用。

Mo-C-N-Si-Nb梯度涂层的制备研究目前国内外尚无报道，但在钼及其钼合金的纯MoSi₂涂层材料的制备方面国内有较少的报道。目前，国内外钼及其合金涂层的制备方法主要有等离子体喷涂法、化学气相沉积法（CVD）、激光熔覆法和熔盐电沉积法等。

等离子体喷涂法制备钼及其合金的MoSi₂涂层，是将金属Si粉在高温下受热熔化，高速撞击到钼及其钼合金基材表面形成Si层，然后在真空下包渗硅化制备 MoSi₂涂层。采用这种方法制备的MoSi₂涂层疏松多孔，涂层表面粗糙，力学性能和抗氧化性能都比较差。主要原因是喷涂的Si层是由无数变形粒子相互交错堆叠在一起的层状组织结构，颗粒之间不可避免地存在孔隙或空洞；另外，喷涂过程中涂层表面的部分气体来不及排出，导致Si层多孔不致密。由此进行真空包渗硅化制备的MoSi₂涂层也不致密，因为 Si只能和Mo存在的区域反应形成MoSi₂，而孔隙、空洞等缺陷仍将成为氧气向内扩散的直接通道，严重影响涂层的力学性能和抗氧化性能。

化学气相沉积法（CVD）制备钼及其合金的MoSi₂涂层，是以CVD还原反应在金属Mo及其合金基体上沉积硅，再通过硅在钼基体内的扩散而形成MoSi₂。气相渗硅制备 MoSi₂涂层主要要是发生硅的固态扩散和界面化学反应（2SiCl₄+Mo+2H₂→MoSi₂+4 HCl）。

Yoon Jin-Kook等利用这种方法成功在Mo基体上制备了MoSi₂涂层。研究表明，该涂层从外至内其生成物都会有变化，表层为MoSi₂，内层为低硅含量的Mo-Si化合物，如Mo₅Si、Mo₃Si等，这种成分的变化在一定程度上减小了基体与涂层的热应力作用。但是，气相渗硅法由于受硅固态扩散的影响，不同区域涂层由外向内的成分相差较大，容易引起较大的内应力，并且由于与基体材料热膨胀的不匹配，加上涂层常为柱状晶结构，很易导致涂层产生破落和穿透型的裂纹，影响涂层的力学性能和抗氧化性能。

激光熔覆法制备MoSi₂涂层，是利用高能激光束熔覆Mo、Si粉末在合金基体上制备了耐高温结构用MoSi₂涂层。采用激光熔覆法在钼及其合金上制备MoSi₂涂层是完全可行的，根据MoSi₂涂层结构可以发现，涂层表面相对致密平整，表面成分主要由MoSi₂和Mo₅Si₃组成。主要缺点是工艺设备复杂昂贵，工艺复杂，涂层表面的Mo₅Si₃对其高温抗氧化性有不利影响。