一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法，以硅粉为原料，采用等离子体喷涂技术在钼或钼合金基体表面制备硅涂层，然后置于惰性气氛中在1000～1500℃下热处理1～10小时，从而在钼或钼合金基体表面形成硅化钼涂层。该制备方法具有工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

A method of preparation of molybdenum silicide coating on the surface of molybdenum or molybdenum alloy

The invention relates to a method for preparing molybdenum silicide coatings on molybdenum or molybdenum alloy surface, with silicon powder as raw material, using the technology of preparation of silicon coating on the surface of molybdenum or molybdenum alloy substrate by plasma spraying, and then placed in an inert atmosphere at 1000~1500 DEG C for 1~10 hours of heat treatment, thus molybdenum silicide coating is formed on molybdenum or molybdenum alloy the surface of the substrate. The preparation method has the advantages of simple process, low cost, high efficiency, good repeatability and suitable for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法
本专利技术涉及一种硅化物涂层的制备方法，特别涉及一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法，属于高温防护涂层

技术介绍
钼(Mo)及其合金是重要的高温结构材料之一。但在有氧环境温度为500℃左右时，Mo就发生氧化，并且随着温度的升高，氧化程度加剧，生成的氧化物(MoO3)容易挥发，导致Mo的结构疏松，最终导致材料失效，极大地限制了Mo作为高温材料的应用。为了改善其高温抗氧化性能，较为可行的方法是在其表面制备耐高温抗氧化涂层。二硅化钼(MoSi2)具有较高的熔点(2030℃)、适中的密度(6.24g/cm3)和优异的高温抗氧化性能，在涂层领域得到广泛研究。在高温(大于1000℃)有氧环境中，MoSi2表面能够形成一层连续致密的SiO2保护层，阻止氧气的向内扩散，表现出优异的高温抗氧化性能【1.R.Mitra,Mechanicalbehaviourandoxidationresistanceofstructuralsilicides,InternationalMaterialsReviews,51(2006)13-64】。目前在钼与钼合金表面制备MoSi2涂层的常用方法有包埋法、熔盐法和等离子体喷涂技术等。田晓东等采用包埋法在Mo金属表面制备了MoSi2涂层，将Mo基体埋于硅粉、NaF为活化剂和Al2O3为填充剂的混合粉末中，在1300℃高温热处理5小时形成了外层为MoSi2和过渡层为Mo5Si3的硅化钼涂层【2.X.Tian,X.Guo,Z.Sun,J.Qu,L.Wang,OxidationresistancecomparisonofMoSi2andB-modifiedMoSi2coatingsonpureMopreparedthroughpackcementation,MaterialsandCorrosion,66(2015)681-687】。该方法存在一些不足，包括：粉末混合物受重力影响会导致涂层厚度和结构不均匀；硅含量无法控制导致表面难清理、存在残余硅；而且难以实现在部件局部区域制备硅化钼涂层。Suzuki等在含有NaCl、KCl、NaF和NaSiF6的熔盐中加入一定含量的硅粉在Mo基体表面亦制备了MoSi2涂层，同时形成了Mo5Si3过渡层。但是该熔盐体系复杂，涂层结构受熔盐成分影响亦较大【3.R.Suzuki,M.Ishikawa,K.Ono,MoSi2coatingonmolybdenumusingmoltensalt,JournalofAlloysandCompounds,306(2000)285-291】。等离子体喷涂技术是制备涂层的常用方法，具有沉积效率高、厚度可控、易于实现工业化生产等特点。汪异等采用等离子体喷涂技术以MoSi2粉体为原料，在Mo基体表面直接制备了MoSi2涂层，涂层结构较致密，厚度均匀【4.Y.Wang,D.Wang,J.Yan,A.Sun,Preparationandcharacterizationofmolybdenumdisilicidecoatingonmolybdenumsubstratebyairplasmaspraying,AppliedSurfaceScience,284(2013)881-888】。但是单一的等离子体喷涂技术制备的MoSi2涂层与Mo基体间的结合方式主要为机械咬合，存在较明显的界面，由于热膨胀系数相差较大(Mo：5.2×10-6·K-1，MoSi2：8.8×10-6·K-1)，使涂层与基体间的结合性能以及抗热冲击性能有待进一步改善。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法，以硅粉为原料，采用等离子喷涂技术在钼或钼合金基体表面制备硅涂层，然后置于惰性气氛中在1000～1500℃下热处理1～10小时，从而在钼或钼合金基体表面形成硅化钼涂层。本专利技术采用等离子体喷涂和热处理相结合的方法制备硅化钼涂层。以钼或钼合金为基体，硅粉为喷涂原料，采用等离子体喷涂技术制备一定厚度的硅涂层，然后经过惰性气氛保护热处理(1000～1500℃下热处理1～10小时)，基体中Mo元素和硅涂层中的Si元素发生互扩散作用形成硅化钼涂层，得到具有外层为MoSi2和过渡层为Mo5Si3-Mo3Si的梯度结构。采用该制备方法获得的硅化钼涂层致密且厚度均匀，同时与基体间实现了牢固的化学冶金结合，在高温有氧及气流冲刷的苛刻环境中，具有良好的抗氧化及抗热冲击性能，能有效地保护钼与钼合金材料。本专利技术同时具有工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、涂层厚度可控、适合规模化生产等优点。较佳地，所述硅粉的粒径为10～120μm，纯度大于98wt.％。较佳地，所述钼或钼合金基体经过表面喷砂预处理，所述喷砂预处理的压强为0.1～0.5MPa。较佳地，所述等离子体喷涂技术的工艺参数包括：等离子体气体Ar：30～50slpm；等离子体气体H2：6～15slpm；粉末载气Ar：2～7slpm；喷涂距离：100～200mm；喷涂功率：30～50kW；送粉速率：10～30rpm。较佳地，所述硅涂层的厚度为30～300μm。较佳地，所述惰性气氛为氩气。另一方面，本专利技术还得到了一种根据上述方法在基体表面制备的硅化钼涂层，包括MoSi2外层、以及位于所述基体和MoSi2外层之间的过渡层。较佳地，所述过渡层为Mo5Si3-Mo3Si，厚度为5～30μm。较佳地，所述MoSi2外层的厚度为20～100μm。本专利技术的有益效果：(1)该专利技术获得的硅化钼涂层具有外层为MoSi2和过渡层为Mo5Si3-Mo3Si的梯度结构，外层提供了良好的高温抗氧化性能，过渡层与基体之间形成冶金结合，降低了外层与Mo基体材料的热膨胀系数失配问题；(2)由于硅涂层的厚度可精确控制，即可以精确控制硅源的量，从而较容易实现硅化物涂层厚度的控制，且不存在残余硅、表面难以清理等问题，同时可以实现部件表面局部区域硅化钼涂层的制备；(3)该方法制备的硅化钼涂层在高温有氧及气流冲刷的苛刻环境中具有较低的质量损失率，明显改善钼与钼合金在高温有氧及气流冲刷环境中的抗氧化、抗气流冲刷和抗热冲击性能；(4)该制备方法具有工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。附图说明图1为实施例1中等离子体喷涂硅涂层的XRD图谱，表明等离子体喷涂硅涂层主要由立方相的Si组成；图2为实施例1中Mo基体表面硅涂层经氩气保护热处理的XRD图谱，热处理温度为1300℃，时间为3小时；从图2中表明硅涂层与Mo基体发生扩散反应，形成的涂层以四方相MoSi2为主；图3为实施例1中Mo基体表面硅涂层经氩气保护热处理的截面形貌(左图)及EDS图谱(右图)，热处理温度为1300℃，时间为3小时；从图3中表明热处理过程中Si元素与Mo元素发生互扩散作用，形成硅化钼涂层，外层为MoSi2层，同时在Mo基体与MoSi2层之间形成了Mo5Si3-Mo3Si过渡层，涂层与基体间实现了良好的冶金结合；图4为纯钼金属和钼金属表面硅化钼涂层的原始表面宏观照片和烧蚀后的表面宏观照片，其中(a)为纯钼金属原始表面宏观照片、(b)为纯钼金属火焰烧蚀5个循环后表面宏观照片；(c)为钼金属表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法，其特征在于，以硅粉为原料，采用等离子体喷涂技术在钼或钼合金基体表面制备硅涂层，然后置于惰性气氛中在1000～1500℃下热处理1～10小时，从而在钼或钼合金基体表面形成硅化钼涂层。

【技术特征摘要】
1.一种在钼或钼合金表面制备硅化钼涂层的方法，其特征在于，以硅粉为原料，采用等离子体喷涂技术在钼或钼合金基体表面制备硅涂层，然后置于惰性气氛中在1000～1500℃下热处理1～10小时，从而在钼或钼合金基体表面形成硅化钼涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉的粒径为10～120μm，纯度大于98wt.%。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基体经过表面喷砂预处理，所述喷砂预处理的压强为0.1～0.5MPa。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述等离子体喷涂技术的工艺参数包括：等离子体气体Ar：30～50slpm；等离子体气体H2：6～15slpm；粉末载气Ar：2...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，翟翠红，赵君，李红，郑学斌，孙晋良，丁传贤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31