[发明专利]Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的两步法制备方法

说明书

本发明涉及一种Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的两步法制备方法，首先通过合金靶的成分控制优化改性元素的种类及含量，其次通过控制磁控溅射Ti‑Al‑Nb‑Zr合金膜的沉积厚度及扩散渗工艺参数，实现在Nb基超高温合金表面制备出Zr，Ti，Al改性元素含量可控、合金膜厚度可控、涂层厚度可控、组织致密的多元改性硅化物渗层。该技术具有工艺简单、操作方便、成本低廉、便于实现渗层优化等优势，适于推广和应用。

技术领域

本发明属于高温合金热防护技术领域，涉及一种采用两步法在Nb基超高温合金表面制备Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的方法。

背景技术

Nb基超高温合金因其熔点高、密度适中、高温性能优异，被认为是最重要的新型高温结构材料之一用于航空航天领域。然而，该合金较差的高温抗氧化性能限制了其实际使用，尽管合金化元素的添加能有效提高高温抗氧化性能，但仍不足以满足实际需要。因此，在Nb基超高温合金表面制备防护涂层是非常有必要的。

硅化物涂层的熔点高，密度低，热稳定性好，且具有良好的自愈能力，适合用于Nb基超高温合金的高温防护。然而，单一的硅化物涂层抗氧化性能有限，需添加其他元素进行改性。Ti与氧具有较强的亲和力，能显著降低氧的扩散速率；Al被选择性氧化后可生成的Al₂O₃，与SiO₂结合生成的SiO₂-Al₂O₃能提高SiO₂的粘性，有效弥合裂纹；Zr和Y等活性元素不仅能细化涂层晶粒，降低氧化速率，而且氧化产生的ZrO₂“pegs”可以有效提高氧化膜与涂层的结合力。但由于Zr原子半径较大，熔点较高，难以通过扩散渗法渗入。因此，采用在Nb基超高温合金表面先磁控溅射Ti-Al-Nb-Zr合金膜，然后Si-Y共渗的方法制备出Zr，Ti，Al多元改性的硅化物渗层，该渗层组织致密、Zr，Ti，Al含量可控、界面结合紧密、有优异的抗氧化性能。迄今为止，采用复合工艺在Nb基超高温合金表面制备Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的技术还未见报道。因此，研发Nb基超高温合金表面Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的制备技术，将促进该合金在航天航空领域的实际工程应用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用两步法在Nb基超高温合金表面制备Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的方法

技术方案

一种采用两步法在Nb基超高温合金表面制备Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用水冷铜坩埚高频感应熔炼法制备Ti-Al-Nb-Zr合金，然后用线切割方法制备出适用于磁控溅射的靶材；

步骤2：采用磁控溅射法在Nb基超高温合金表面沉积Ti-Al-Nb-Zr合金膜，为待渗材料；所述膜厚度为1～30μm；

步骤3：按质量百分比将5～30％的Si粉、0.5～5％的Y₂O₃粉、3～10％的NaF粉和余量为填充剂的Al₂O₃粉配置渗剂，并将渗剂和磨球混合，在球磨机中混合均匀；所述各组分的质量百分比之和为100％；

所述球磨机转速为400r/min，球磨时间为4h；

步骤4：将步骤2的待渗材料埋入装有渗剂的Al₂O₃坩埚中并压实，待渗材料表面所覆盖的渗剂厚度不少于10mm；将坩埚加盖并采用硅溶胶和Al₂O₃粉调配成的料浆进行密封，然后置于高温高真空可控气氛扩散渗炉中，在900～1400℃、Ar保护气氛下、热处理0.5～10h，得到Zr，Ti，Al多元改性硅化物渗层。