[发明专利]一种铌合金表面抗高温氧化涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种铌合金表面抗高温氧化涂层的制备方法，是以55wt%～60wt%的MoSi₂粉、35wt%～45wt%的Al粉和5wt%～10wt%的Ce粉制备涂层熔覆用复合粉末，将涂层熔覆用复合粉末铺覆在铌合金基体材料表面，采用激光熔覆技术在铌合金基体材料表面形成熔覆涂层。本发明制备的铌合金表面抗高温氧化涂层与铌合金基体冶金结合，不仅硬度可以达到铌合金基体的近3倍，且在1200℃高温环境下的抗氧化性能也有显著提高。

技术领域

本发明属于金属表面涂层材料制备技术领域，涉及一种在铌合金表面制备涂层的方法，特别是涉及一种利用激光熔覆技术在铌合金表面制备耐高温氧化涂层的方法。

背景技术

铌合金具有优良的高温力学性能和可加工性，密度适中、熔点高、固溶能力强，广泛应用于火箭、飞船、导弹、高速飞行器等装备的关键部件，并有望替代镍基和钴基高温合金用于超高速飞机发动机，应用前景广阔。

但是，铌合金材料的抗氧化性能较差。纯金属铌在600℃即发生氧化，随着氧化进一步加重，氧化物与金属界面上产生的内应力会使氧化层开裂，然后发生灾难性氧化，严重影响了铌合金在高温有氧环境下的应用。因此，铌合金作为高温结构材料应用的关键性问题是提高其的抗氧化性能。

提高铌合金抗氧化性能的方式主要包括合金化和表面涂层防护两种方法。合金化虽然可以改善抗氧化性，但是会造成铌合金高温力学性能的下降，有一定的局限性。表面涂层防护既能保护基体不受高温氧气腐蚀，也不会改变基体的化学成分，可兼顾高温力学性能和抗氧化性能，近年来受到较多关注。因此，表面涂层防护技术是推进铌合金实用化进程的关键途径。

在众多的防氧化涂层防护体系中，颜建辉等(等离子喷涂工艺参数对二硅化钼涂层微观结构的影响[J]. 热加工工艺, 2012, 41(10): 136-139.)研究发现，硅化物涂层体系以其结构致密、热稳定性优异，且氧化时涂层表面生成致密且具有“自愈合”能力的SiO₂层，阻止了氧向基体的扩散，使氧化过程中形成的裂纹、孔洞等缺陷得到弥合，提高了涂层的抗高温氧化能力，被认为是铌合金表面最具潜力的高温抗氧化涂层体系。

铌合金表面硅化物涂层的制备方法多样，吕艳红等(铌合金抗高温氧化涂层研究现状及发展趋势[J]. 热喷涂技术, 2015, 7(01): 11-17.)深入研究了铌合金抗高温氧化涂层，并指出了包括料浆熔烧法、包埋渗法和热喷涂等方法的缺点。料浆熔烧法对基体热影响大，且涂覆零件尺寸受限，在高温下加剧了涂层中元素与构件之间的互扩散，对涂层与构件均产生有害作用；包埋渗法制备的涂层厚度不均，涂层质量不易保证，影响构件的强度，不适合涂覆形状复杂零件；而热喷涂制备的涂层结合强度较低，需要通过后处理技术来改善涂层的结合性能，工艺繁杂。

针对上述技术缺陷，刘晓鹏等(激光熔覆硅化物涂层强化相的研究进展[J]. 材料导报, 2015, 29(01): 72-75.)分析研究了许多激光熔覆方法制备的金属硅化物涂层，这些涂层的性能都得到了很大提升，采用激光熔覆方法来制备硅化物涂层为提高材料的性能展现了一个十分广阔的领域。

激光熔覆技术作为近年来一种先进的材料表面改性技术，由于其具有稀释率小、熔覆层组织致密、涂层与基体结合良好及工作环境无污染等优点而得到了广泛的应用。由于激光熔覆的热影响区小，工件相应的变形也较小，对铌合金基体的影响就很小，并能实现精确控制。因此，能够通过控制熔覆材料的成分就可以决定熔覆层的成分以及性能，对提高铌合金表面抗高温氧化有很大的帮助。

随着宇航技术的飞速发展，高温结构器件对于难熔金属高温防护涂层的耐超高温(≥1800℃)、耐燃气冲刷以及长服役寿命等性能的要求越来越高，因此目前传统的单一体系硅化物涂层已经无法满足越来越严苛的服役要求。