抗高温氧化的铬改性硅化物涂层及其涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗高温氧化的铬改性硅化物涂层及其涂层的制备方法，所述铬改性硅化物涂层具有两层结构，其涂层内层的成分为Ｎｂ↓［Ｘ］Ｓｉ↓［１～Ｘ］，Ｘ的原子用量为２８～３５；其涂层外层为两相铬硅共渗层，第一相铬硅共渗层的成分为Ｃｒ↓［５６－６０］Ｓｉ↓［３５～４１］Ａｌ↓［２～５］，第二相铬硅共渗层的成分为Ｃｒ↓［７１～７６］Ｓｉ↓［２１～２７］Ｎｂ↓［１～５］。本发明专利技术涂层的制备先采用熔盐法在基体合金表面形成一定厚度的ＮｂＳｉ↓［２］涂层内层，然后采用包埋渗法在具有ＮｂＳｉ↓［２］涂层的基体合金上形成两相铬硅共渗层涂层外层。制备有铬改性硅化物涂层的Ｎｂ↓［３８～５０］Ｔｉ↓［２２～２６］Ｓｉ↓［１４～１８］Ｃｒ↓［４～８］Ａｌ↓［４～６］Ｈｆ↓［２～８］基体合金在１２５０℃恒温氧化１００小时后，其氧化增重为３．５～４．５ｍｇ／ｃｍ↑［２］，比未经涂层处理的基体合金在抗氧化性能上提高了８０倍左右。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种抗高温氧化的硅化物涂层材料，更特别地说，是指一种适用于Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，及其铬改性硅化物涂层的制备方法。
技术介绍
Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf(Nb基共溶体)合金具有熔点高、密度低以及高温强度和抗蠕变性能优良等优点，是未来高性能燃气涡轮发动机理想的候选材料之一，但该材料目前存在的主要问题是在高温环境的抗氧化性能较差，在高温1250℃大气环境下20～80h后的氧化增重为37.5～129.7mg/cm2(氧化增重曲线参见图2所示)。采用合金化方法制备Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf合金，虽然对Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf合金的抗氧化性能有所改善，但有很大的局限性。为了提高Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf合金的高温抗氧化性能，本专利技术人提出一种先采用熔盐法在基体合金表面形成一定厚度的NbSi2涂层，然后采用包埋渗法在具有NbSi2涂层的基体合金上形成铬硅共渗层来克服基体合金的氧化性能。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种提高Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金表面在高温条件下的抗氧化的铬改性硅化物涂层材料。本专利技术的另一目的是提出一种提高Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金高温抗氧化的铬改性硅化物涂层材料的制备工艺。本专利技术的一种抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，其铬改性硅化物涂层是制备在Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金表面上，且为双层结构，其涂层内层的成分为NbXSi1～X，X的原子用量为28～35，其涂层外层为两相铬硅共渗层，第一相铬硅共渗层的成分为Cr56～60Si35～41Al2～5，第二相铬硅共渗层的成分为Cr71～76Si21～27Nb1～5，所述Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金的化学成分为38～50wt％的Nb，22～26wt％的Ti，14～18wt％的Si，4～8wt％的Cr，4～6wt％的Al和2～8wt％的Hf组成。所述的抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，涂层内层的成分为Nb67Si33，涂层外层的第一相铬硅共渗层的成分为Cr58Si39Al3，第二相铬硅共渗层的成分为Cr74Si24Nb2。所述的抗高温氧化的铬改性硅化物涂层的制备方法有下列步骤第一步采用熔盐法在基体合金表面制备涂层内层将基体合金埋入坩埚中的熔盐中，并将所述坩埚放入加热炉内，加热至800℃～1000℃，且保温5～9小时后，随炉冷却，即制备得到在Nb38～50Ti22～26Si14～18Cr4～8Al4～6Hf2～8基体合金上的涂层内层；所述熔盐由180～240目的硅Si粉和180～240目的盐组成，所述硅Si粉的用量占所述盐用量的1/10～1/8，所述盐为NaCl+KCl+NaF+Na2SiF6组成的混合盐，所述混合盐成分为30～36wt％NaCl、30～36wt％KCl、20～22wt％NaF和余量的Na2SiF6；第二步采用包埋渗法制备涂层外层将经第一步处理后的基体合金埋入坩埚中的渗铬改性涂层渗剂中，并将所述坩埚置于高温电阻炉内，通入0.5～3.0L/min的保护气体氩气，加热电阻炉至1100℃～1500℃，且保温1.5～3小时后，随炉冷却，即制备得到在涂层内层上的铬改性硅化物涂层；所述渗铬改性涂层渗剂是由180～240目的4.5～6.5wt％Si、180～240目的20～30wt％Cr、80～120目的2～4wt％NH4Cl和余量80～120目的Al2O3组成。本专利技术铬改性硅化物涂层材料的优点在于由于铬改性硅化物涂层为双层结构，在高温环境下涂层形成连续致密的SiO2阻止了基体合金被氧化。其硅化物层(即涂层内层2)为单相NbSi2很脆，其表面出现很多裂纹，通过在硅化物层上包埋渗铬改性涂层渗剂使基体合金的表面平滑无裂纹。制备有铬改性硅化物涂层的Nb38～50Ti22～26Si14～18Cr4～8Al4～6Hf2～8基体合金在1250℃恒温氧化100小时后，其氧化增重为2.5～4.5mg/cm2，比未经涂层处理的基体合金在抗氧化性能上提高了15～80倍左右。本专利技术制备铬改性硅化物涂层材料的优点在于采用熔盐法+包埋渗法复合制备工艺在基体合金表面上制备一定厚度的铬改性硅化物涂层，其表面平滑无裂纹，高温氧化时基体合金表面的涂层可以形成连续致密的SiO2有效地阻止氧向基体合金内部的扩散，有效地提高了Nb38～50Ti22～26Si14～18Cr4～8Al4～6Hf2～8基体合金高温抗氧化的性能。附图说明图1是本专利技术铬改性硅化物涂层的结构示意图。图2是Nb基共溶体合金在1250℃大气环境下的氧化增重曲线。图3是本专利技术的具有铬改性硅化物涂层的Nb40Ti24Si16Cr6Al6Hf8基体合金在1250℃大气环境下的氧化增重曲线。图4是本专利技术制备的涂层内层的扫描电镜图。图5是本专利技术制备的涂层外层的扫描电镜图。图中1.基体合金 2.涂层内层 3.涂层外层具体实施方式下面将结合实施例和附图对本专利技术作进一步的详细说明。请参见图1所示，本专利技术是一种在Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金1表面采用熔盐法+包埋渗法复合制备抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，所述铬改性硅化物涂层为双层结构，其涂层内层2的成分为NbXSi1～X，X的原子用量为28～35；其涂层外层3为两相铬硅共渗层，第一相铬硅共渗层的成分为Cr56～60Si35～41Al2～5，第二相铬硅共渗层的成分为Cr71～76Si21～27Nb1～5。本专利技术是一种在Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金1表面采用熔盐法加包埋渗法复合制备抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，其制备工艺为第一步采用熔盐法在基体合金1表面制备涂层内层2(即硅化物涂层)将基体合金1埋入坩埚中的熔盐中，并将所述坩埚放入加热炉(北京电炉厂生产的型号SK-6-12管式电阻)内；加热至800℃～1000℃的温度条件下保温5～9小时后，随炉冷却，即制备得到在Nb38～50Ti22～26Si14～18Cr4～8Al4～6Hf2～8基体合金1上的涂层内层2；所述熔盐由180～240目的硅Si粉和180～240目的盐组成，所述硅Si粉的用量占所述盐用量的1/10～1/8，所述盐为NaCl+KCl+NaF+Na2SiF6组成的混合盐，所述混合盐成分为30～36wt％NaCl、30～36wt％KCl、20～22wt％NaF和余量的Na2SiF6；第二步采用包埋渗法制备涂层外层3(即铬改性涂层)将经第一步处理后的基体合金1埋入坩埚中的渗铬改性涂层渗剂中，并将所述坩埚置于高温电阻炉(北京电炉厂生产的型号SK2-2.5-13S型管式炉)内；通入0.5～3.0L/min的保护气体氩气，加热电阻炉至1100℃～1500℃的温度条件下保温1.5～3小时后，随炉冷却，即制备得到在涂层内层2上的铬改性硅化物涂层；所述渗铬改性涂层渗剂是由180～240目的4.5～6.5wt％Si、180～240目的20～30wt％Cr、80～120目的2～4wt％NH4Cl和余量80～120目的Al2O3组成。将经上述熔盐法+包埋渗法复合工艺制备得到的具有高温抗氧化的铬改性硅化物涂层的Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf基体合金在1250℃恒温氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗高温氧化的铬改性硅化物涂层，其特征在于：所述铬改性硅化物涂层是制备在Ｎｂ－Ｔｉ－Ｓｉ－Ｃｒ－Ａｌ－Ｈｆ基体合金（１）表面上，且为双层结构，其涂层内层（２）的成分为Ｎｂ↓［Ｘ］Ｓｉ↓［１～Ｘ］，Ｘ的原子用量为２８～３５，其涂层外层（３）为两相铬硅共渗层，第一相铬硅共渗层的成分为Ｃｒ↓［５６～６０］Ｓｉ↓［３５～４１］Ａｌ↓［２～５］，第二相铬硅共渗层的成分为Ｃｒ↓［７１～７６］Ｓｉ↓［２１～２７］Ｎｂ↓［１～５］，所述Ｎｂ－Ｔｉ－Ｓｉ－Ｃｒ－Ａｌ－Ｈｆ基体合金（１）的化学成分为３８～５０ｗｔ％的Ｎｂ，２２～２６ｗｔ％的Ｔｉ，１４～１８ｗｔ％的Ｓｉ，４～８ｗｔ％的Ｃｒ，４～６ｗｔ％的Ａｌ和２～８ｗｔ％的Ｈｆ组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李树索，周春根，王永平，韩雅芳，宫声凯，徐惠彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]