一种钽表面复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钽表面复合涂层，包括钽基体，钽基体上依次设置Ta

【技术实现步骤摘要】
一种钽表面复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合涂层及其制法，具体为一种钽表面复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]钽及钽合金因良好的高温力学性能、热膨胀系数小、抗化学腐蚀性能优异等特点，在航空航天、核工业、武器装备制造等高端制造行业有着广泛应用，是1400℃
‑
1600℃环境下使用的理想结构材料，如宇宙飞船的燃烧室、导弹鼻锥以及火箭发动机燃气扰流片等。但是，金属钽的高温抗氧化性能较差，在500℃左右即出现“pest”氧化现象导致构件快速失效，极大的限制了在高温环境下的使用寿命。目前提高钽及钽合金抗高温氧化性能的途径主要有合金化法和表面涂层技术，通过添加W、Nb、Hf、V和Al等合金元素取得了一定的效果，但过度的合金化也影响了金属钽的高温力学性能及组织稳定性，且氧化性能提高有限，具有一定的局限性。抗高温氧化涂层能够在服役过程中形成表面致密的氧化膜阻止氧原子扩散进入钽基体，从而极大提高钽的抗高温氧化性能，延长使用寿命，成为解决钽及钽合金抗氧化性能问题的最佳方法。
[0003]钽合金抗高温氧化涂层主要有贵金属高温抗氧化涂层和陶瓷高温抗氧化涂层，其中硅化物涂层作为陶瓷高温抗氧化涂层中的一种因具有良好的热稳定性和成熟的制备工艺而备受关注。硅化物涂层在高温环境下形成SiO2玻璃层阻止氧向基体内部扩散，同时，SiO2具有良好的流动性，使涂层产生的缺陷自愈合，展现出了良好的抗高温氧化能力。其中MoSi2是难熔金属硅化物中抗氧化性能最为优异的一种，在1650℃以下高温有氧环境具备长时间防护能力，表现出了良好的稳定性。但是，MoSi2的热膨胀系数高于钽基体，且两者之间的弹性模量相差较大，使用过程中受到热疲劳和热冲击过程中易产生贯穿性裂纹导致涂层剥落、失效。
[0004]在钽合金和MoSi2涂层之间制备过渡层是一种有效提高两者间结合的方法，Mo元素与Ta元素在固态下完全互溶，同时与MoSi2产生合金化作用，形成良好的界面结合，提高MoSi2与Ta基体之间的结合。文献“A novel ultra
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high
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temperature oxidation protective MoSi2‑
TaSi
2 ceramic coating for tantalum substrate.Zhen Yang Cai,Da Xu Zhang,Xin Xiang Chen,et al.Journal of the European Ceramic Society.2019”公开了一种用料浆熔烧法在钽合金和MoSi2之间制备Mo中间层，形成的Mo过渡层为多孔组织，在高温氧化过程中大量孔洞聚集在扩散层形成横向裂纹，易导致涂层失效。同时，在高温氧化过程中，涂层中的Si元素在Mo和MoSi2界面处扩散形成Mo5Si3过渡层，Mo5Si3与MoSi2之间的热膨胀系数不匹配，且Mo5Si3并无快速形成完整SiO2抗氧化层的能力，削弱了MoSi2涂层的抗氧化性能。因此，如何提高MoSi2与Ta基体之间的结合力，改善涂层与基体之间的热失配以及提高高温氧化过程氧化膜的致密性，对延长Ta构件的使用寿命具体重要意义。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种提高高温氧化性能、
提高涂层界面结合、保持氧化层完整致密的钽表面复合涂层，本专利技术的另一目的是提供一种提高表面完整致密性、整体与基体结合优异的钽表面复合涂层的制备方法。
[0006]技术方案：本专利技术所述的一种钽表面复合涂层，包括钽基体，钽基体上依次设置Ta
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Mo
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W互扩散层、Mo
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W过渡层、(Mo,W)Si2防护层和修饰层，修饰层的材料为Zr改性(Mo,W)Si2或Al改性(Mo,W)Si2。
[0007]进一步地，Ta
‑
Mo
‑
W互扩散层的厚度为3～6μm，Ta
‑
Mo
‑
W互扩散层、Mo
‑
W过渡层的总厚度为9～30μm，(Mo,W)Si2防护层的厚度为20～40μm。
[0008]进一步地，Mo
‑
W过渡层包括以下质量百分数的元素：Mo 75～85wt％，W 15～25wt％。
[0009]进一步地，钽基体为钽合金或者是钽单质。
[0010]上述钽表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0011](a)在钽基体表面通过双层辉光等离子表面冶金法依次制备Ta
‑
Mo
‑
W互扩散层和Mo
‑
W过渡层；
[0012](b)在Mo
‑
W过渡层上通过粉末包埋法制备(Mo,W)Si2防护层；
[0013](c)在(Mo,W)Si2防护层的表层通过离子注入法注入Zr或Al，注入剂量1
×
10
16
～10
×
10
16
ions/cm2。
[0014]进一步地，步骤(a)中，双层辉光等离子表面冶金法的工艺参数为：工件极为钽基体，源极为Mo
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W合金靶，源极电压1000～1200V，工件极电压650～750V，工作气压40～50Pa，保温时间6～8h。钽基体经过等离子清洗，能够清洁原始表面，增大比表面，从而提高涂层的附着力。等离子清洗具体包括以下步骤：
[0015](1)将钽基体依次经过120#、400#、800#和1200#SiC砂纸逐级打磨光滑，用酒精或丙酮超声清洗20～30min，然后进行干燥处理；
[0016](2)将钽基体放入双层辉光等离子冶金炉内，抽真空至0.3Pa以下，通入氩气洗气2～3次后，使气压维持在36～38Pa；
[0017](3)启动工件极电源，保持炉内辉光稳定的情况下不断升高工件极电压至300～400V，对试样表面进行等离子清洗；
[0018](4)保温结束后，缓慢降低工件极电压至示数为零，气压抽至10
‑3Pa，关闭电源，炉内冷却5～6h后，取出试样。
[0019]双辉等离子表面冶金法制备Mo
‑
W过渡层的步骤如下：
[0020](1)将MoW合金靶材用砂纸逐级打磨并超声清洗，干燥后置于双层辉光等离子冶金炉体内作为源极，步骤(1)中的钽基体试样为工件极，其中靶材采用粉末冶金方式制备，粉末纯度为99.99％；
[0021](2)抽真空至10
‑3Pa以下，通入氩气至200～300Pa，再次抽真空至10
‑3Pa以下，如此洗气3～4次后，打开工件电源和源极电源，缓慢调整工艺参数至以下范围：源极电压450～600V，工件极电压300～500V，工作气压30～40Pa，源极与工件极间距15～18mm，保温时间0.5～1h，对MoW合金靶材和工件进行预热；
[0022](3)预热后继续本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钽表面复合涂层，其特征在于：包括钽基体(1)，所述钽基体(1)上依次设置Ta
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Mo
‑
W互扩散层(2)、Mo
‑
W过渡层(3)、(Mo,W)Si2防护层(4)和修饰层(5)，所述修饰层(5)的材料为Zr改性(Mo,W)Si2或Al改性(Mo,W)Si2。2.根据权利要求1所述的一种钽表面复合涂层，其特征在于：所述Ta
‑
Mo
‑
W互扩散层(2)的厚度为3～6μm，所述Ta
‑
Mo
‑
W互扩散层(2)、Mo
‑
W过渡层(3)的总厚度为9～30μm，所述(Mo,W)Si2防护层(4)的厚度为20～40μm。3.根据权利要求1所述的一种钽表面复合涂层，其特征在于：所述Mo
‑
W过渡层(3)包括以下质量百分数的元素：Mo 75～85wt％，W 15～25wt％。4.根据权利要求1所述的一种钽表面复合涂层，其特征在于：所述钽基体(1)为钽合金或者是钽单质。5.根据权利要求1～4任一所述的一种钽表面复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)在钽基体(1)表面通过双层辉光等离子表面冶金法依次制备Ta
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Mo
‑
W互扩散层(2)和Mo
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W过渡层(3)；(b)在M...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕绪明，张平则，杨凯，李淑琴，魏东博，党博，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：