一種高溫抗氧化復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫防護(hù)涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種高溫抗氧化復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫防護(hù)涂層主要應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)及燃?xì)廨啓C(jī)等工業(yè)制造的熱端部件。金屬鈮具有熔點(diǎn)高、密度小及高溫比強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力代替現(xiàn)有鎳基合金的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是鈮及鈮合金的抗氧化性較差，純金屬Nb在600°C下發(fā)生災(zāi)難性“粉化”氧化現(xiàn)象，其氧化屬于具有明顯氧化物層裂紋的體系，隨著氧化層的增厚，氧化物與金屬界面上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使氧化層開裂，隨后發(fā)生災(zāi)難性氧化。因此，提高鈮及鈮合金的抗高溫氧化性，在其表面形成保護(hù)性氧化膜，是拓寬其應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]合金化和表面涂層保護(hù)能有效提高金屬的抗氧化性，合金化通常以損失強(qiáng)度和加工性能為代價(jià)，而表面加涂層保護(hù)對(duì)金屬的力學(xué)性能影響很小，并能顯著提高抗氧化性，實(shí)驗(yàn)證明是切實(shí)可行的途徑。相關(guān)應(yīng)用的文獻(xiàn)如:①申請(qǐng)?zhí)枮?01210237037.7的中國專利，公開了一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其制備高溫抗氧化涂層的方法，該專利采用表面涂覆方法，將按重量計(jì)組分為“B為0.5wt%，SiSl0wt%，T i為2wt%，Ge為1.5wt%,Mo為Iwt %，HfO2^ 0.8wt %，W為0.7wt %，S為0.25wt %，余量為Al ”的材料涂覆在基材表面，有效解決了低密度鈮合金在800°C以上，尤其是在1100°C上下大氣環(huán)境中劇烈氧化問題，最大程度的保留合金的高溫力學(xué)性能，同時(shí)擴(kuò)大低密度鈮合金適用范圍并延長其使用壽命。②申請(qǐng)?zhí)枮?01110024937.9的中國專利，公開了一種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，該專利主要是通過用冷噴涂和激光熔覆技術(shù)在鈮鎢合金(Nb521)表面制備高溫抗氧化納米復(fù)合涂層，該方法令涂層粉體間組織緊密，大大提高了涂層的致密性；③申請(qǐng)?zhí)枮?00610137224.2的中國專利，公開了一種高溫抗氧化材料及由其制備的高溫抗氧化涂層，該專利主要是通過將高溫抗氧化材料制成粉末，加入其他涂料混合后涂覆于基體后進(jìn)行熔燒制備涂層進(jìn)行熔燒，該涂層具有抗氧化腐蝕、抗沖刷等性能，并能夠廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、渦輪葉片、燃燒室以及其他高溫結(jié)構(gòu)部件上；④申請(qǐng)?zhí)枮?00710192652.X的中國專利，公開了一種鈮合金高溫抗氧化硅化物涂層及其制備方法，該專利首先在鈮合金基體表層通過真空燒結(jié)粒度鉬層，然后在氬氣保護(hù)下，通過包滲硅化制備涂層，該方法制備的涂層組分和厚度較均勻，致密度較料漿反應(yīng)燒結(jié)法有較大提高，且工藝簡單，對(duì)設(shè)備要求低。本發(fā)明采用包埋滲鋁技術(shù)及化學(xué)鍍技術(shù)，能明顯提高鈮及鈮合金的高溫抗氧化和抗腐蝕性能，目前，未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)鈮及鈮合金高溫抗氧性差的缺點(diǎn)，利用化學(xué)鍍技術(shù)和包埋滲技術(shù)，提供一種新型的高溫抗氧化復(fù)合涂層及其制備方法，較大幅度的提高了復(fù)合涂層的高溫抗氧化效果，延長鈮及鈮合金的使用壽命。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種高溫抗氧化復(fù)合涂層，先通過包埋滲鋁技術(shù)，在基材上滲入鋁，形成滲鋁層，再通過化學(xué)鍍技術(shù)，在滲鋁層上沉積N1-P鍍層，形成高溫抗氧化復(fù)合涂層；
[0007]所述包埋滲鋁技術(shù)的滲劑組分按重量百分比為！Al2O3粉85?89%、Al粉9?11%、NaF 粉 2 ?4% ；
[0008]所述化學(xué)鍍技術(shù)的鍍液配方為:硫酸鎳25?35g/L、次亞磷酸鈉15?25g/L、檸檬酸三鈉15?20g/L、氯化銨10?25g/L、乙酸鈉15?25g/L。
[0009]以上所述的高溫抗氧化復(fù)合涂層，所述基材優(yōu)選為鈮或鈮合金，也可為其他的耐高溫的材料。
[0010]一種以上所述高溫抗氧化復(fù)合涂層的制備方法，包括前處理、包埋滲鋁、化學(xué)鍍預(yù)處理、制備N1-P鍍層步驟:
[0011]1.前處理:將基材先后在丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗各lOmin，吹干；
[0012]2.包埋滲鋁:按如下重量百分比配制滲劑！Al2O3粉85?89%、Al粉9?11%、NaF粉2?4%，混勻研磨，將充分混勻的滲劑及前處理好的基材置管式爐中，抽真空至2 X KT1?3 X 10-1Pa,管式爐升溫速率為6?7°C /min，在溫度為850?950°C的爐溫下保溫3?4小時(shí)，保溫完成后，隨爐冷卻到室溫，得到滲鋁層；
[0013]3.化學(xué)鍍預(yù)處理:將前處理好的基材放入配方為“15?20g/LSnCl2、3.5?4%鹽酸(體積比，其中鹽酸濃度為36?38% ) ”的水溶液中進(jìn)行敏化，敏化時(shí)間為2min，水洗，再放入配方為“0.002?0.003g/L PbCl2、3.5?4%鹽酸(體積比，其中鹽酸濃度為36?38% ) ”的水溶液中進(jìn)行活化，活化時(shí)間為5min，水洗；
[0014]4.制備N1-P鍍層:按如下配方配制鍍液:硫酸鎳25?35g/L、次亞磷酸鈉15?25g/L、檸檬酸三鈉15?20g/L、氯化銨10?25g/L、乙酸鈉15?25g/L，用氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH值至7.5?9.0，將經(jīng)包埋滲鋁并預(yù)處理好的基材懸掛于鍍液中，置溫度為70?85°C的水浴鍋中反應(yīng)0.5?1.5小時(shí)，得到高溫抗氧化復(fù)合涂層。
[0015]以上所述的高溫抗氧化復(fù)合涂層，所述基材優(yōu)選為鈮或鈮合金，也可為其他的耐高溫的材料，如金屬、合金等。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1.本發(fā)明采用包埋滲技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)制備的復(fù)合涂層，利用掃描電鏡(SEM)觀察:表面呈胞狀物結(jié)構(gòu)，胞狀物之間結(jié)合緊密，無裂紋、孔洞現(xiàn)象，涂層表明結(jié)構(gòu)致密。
[0018]2.該復(fù)合涂層是在基材表面滲入鋁再鍍N1-P鍍層，區(qū)別于其他直接將Al、Ni等元素添加到鈮及鈮合金的方法，本發(fā)明在滲鋁過程中將Al滲透至基材內(nèi)層，發(fā)生明顯的擴(kuò)散，再鍍N1-P鍍層，復(fù)合涂層截面主要含滲Al涂層、N1-P鍍層，涂層與鍍層、基材之間結(jié)合力均緊密、良好，是一種新型合金化手段，具有良好的抗腐蝕性和耐磨性。
[0019]3.該復(fù)合涂層能有效延長鈮及鈮合金的使用壽命。涂層表面富Al、Ni，在高溫環(huán)境中生成連續(xù)致密的Al2OJ莫、AlNi相、N1相等，從而延緩?fù)繉拥耐嘶?，表現(xiàn)出良好的抗高溫氧化性能，高溫氧化增重試驗(yàn)表明，1000°C的高溫抗氧化性能比基材提高25?59倍。
[0020]4.通過控制沉積參數(shù)可獲得不同成分和厚度的涂層，工藝簡單且重復(fù)性好，可用于工業(yè)大面積制備。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合涂層XRD圖譜
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合涂層表面形貌
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合涂層截面形貌
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合涂層在1000°C氧化20h的XRD圖譜
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合涂層在1000 °C氧化20h的截面形貌
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2復(fù)合涂層截面形貌
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2復(fù)合涂層在1000°C氧化20h的XRD圖譜
[0028]圖8為本發(fā)明基材與實(shí)施例1、實(shí)施例2復(fù)合涂層的樣品在1000°C氧化20h的氧化增重曲線
[0029]圖9為本發(fā)明實(shí)施例3復(fù)合涂層在1000 °C氧化20h的表面形貌
[0030]圖3、5、7、8中的序號(hào)分別為:
[0031]1.N1-P鍍層;2.滲鋁層;3.基材;4.Al2O3膜;5.復(fù)合涂層；
[0032](a)實(shí)施例2樣品(b)實(shí)施例1樣品(C)鈮合金基材
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍和應(yīng)用范圍。
[0034]一、抗高溫氧化復(fù)合涂層的制備方法
[0035]實(shí)施例1
[0036]一種高溫抗氧化復(fù)合涂層的制備方法，包括以下操作步驟:
[0037]1.前處理:將鈮合金基材(其元素含量為:Hf 10.0%, Ti 1.30%, Zr 0.34%, W0.31%, Ta 0.30%, C < 0.005%, N < 0.014%, O < 0.013%，余量為 Nb)先后在丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗各lOmin，吹干；
[0038]2.包埋滲鋁:按如下重量百分比配制滲劑！Al2O3粉87%、A1粉10%、NaF粉3%，混勻研磨，將充分研磨的滲劑及前處理好的鈮合金基材置管式爐中，抽真空至3 X KT1Pa,管式爐升溫速率為7°C /min,在溫度為950°C的爐溫下保