CN101117718A - 一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 - Google Patents
一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101117718A CN101117718A CNA200710139402XA CN200710139402A CN101117718A CN 101117718 A CN101117718 A CN 101117718A CN A200710139402X A CNA200710139402X A CN A200710139402XA CN 200710139402 A CN200710139402 A CN 200710139402A CN 101117718 A CN101117718 A CN 101117718A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- temperature
- matrix
- fire
- molybdenum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
一种耐高温抗氧化材料及其制备方法，属冶金材料技术领域，用于解决提高高温工作材料力学性能及抗氧化性的问题。特别之处是，它以金属Mo为基体，基体外层为Si含量逐渐升高的梯度分布层，所述材料由内向外相组成变化规律为：Mo→Mo5Si3+Mo3Si+Mo→Mo5Si3+MoSi2→MoSi2→MoSi2+Si→Si。经检验，所述材料在1600℃的高温下抗弯曲强度、抗高温蠕变强度基本与金属钼相当，在1200℃～1600℃高温空气中不氧化。本发明方法以熔盐电沉积出的硅作为渗硅的硅源，电沉积硅和硅在钼基体中扩散同时进行，具有梯度层厚度容易控制，工艺参数范围宽，易操作，材料表面结构致密、平整等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制备方法，特别是Mo-MoSi2耐高温抗氧化材料及其制备方法，属冶金材料技术领域。
背景技术
高温结构材料要求具备强度高、抗蠕变、断裂韧性好、抗氧化和组织性能稳定等特性，其种类主要有硅基陶瓷、炭材料、金属间铝化物、镍基合金、硅化物和钼金属等。
硅基陶瓷如Si3N4、SiC既具有一般陶瓷材料的坚硬、耐磨、耐腐蚀性能，又具备机械强度高、热稳定性好、摩擦系数小、有自润滑性、电绝缘性好、耐辐射及优异的抗氧化性能，可以在许多特殊的场合下使用。但是，这种材料在较高温度下二氧化硅保护膜会发生变化，并且因与陶瓷热膨胀系数不同，反复加热冷却易产生裂纹，使陶瓷的电阻率增大，使用寿命缩短。此外，该材料属脆性材料的范畴，应用范围受到一定限制。
炭材料具有优异的高温性能，如氧化温度高，较高温度下线膨胀系数很低，导热性好，强度随温度升高而增加等。目前大量高温热结构新型炭材料，特别是炭/炭复合材料用于导弹、固体火箭和航天飞机等领域，但是炭材料高温下易被氧化，氧化失重使得炭材料的力学性能明显下降。解决碳材料抗氧化问题的方法是制备出性能优越的抗氧化涂层。但是在温度升降过程中的热应力常会使涂层出现微裂纹，这些微裂纹会成为高温下氧快速扩散的通道，使抗氧化失败。
金属间铝化物因晶体中金属键和共价键共存，使其兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能，具有较大的发展潜力。然而其密度低，TiAl化合物在使用温度上并不比Ni基合金高，不能满足更高温度的应用要求。
镍是一种耐蚀性能优良、韧性好的金属。在镍中加入适量的合金成分可得到镍基合金，镍基合金具有很强的耐蚀性和抗氧化能力。但镍基高温合金的使用温度至1300℃已达极限，无法满足更高使用温度的要求。
硅化物，尤其是MoSi2作为一种金属间化合物，具有金属和陶瓷的双重特性。主要表现在：1)很高的熔点(2030℃)；2)极好的高温抗氧化性；3)适中的比重(6.24g/cm3)；4)较低的热膨胀系数(8.1×10-6K-1)；5)良好的电热传导性(电阻率为21.50×10-6Ω.cm，热传导率25W/m.K)。因而作为在大气环境中能使用1500℃以上的高温发热元件广泛地应用于玻璃、陶瓷、电子材料等材料制造工业的各个领域。但是，MoSi2作为高温结构材料应用的最大障碍是它室温脆性高和高温强度低。
金属钼具有极高的熔点(2622℃)，以及较好的耐磨性、抗腐性和电热导性，同时具有较好的机械加工性能，常作为高温发热元件。但是，在高温环境中表面容易形成易挥发的三氧化钼，对元件不能起到保护作用。
发明内容
本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种可在1600℃高温环境下工作，抗弯曲强度、抗高温蠕变强度与钼基本相当的耐高温抗氧化材料及其制备方法。
本发明所称问题是通过以下技术方案解决的：
一种耐高温抗氧化材料，其特别之处是，它以金属Mo为基体，基体外层为Si含量逐渐升高的梯度分布层，所述材料由内向外相组成变化规律为：Mo→Mo5Si3+Mo3Si+Mo→Mo5Si3+MoSi2→MoSi2→MoSi2+Si→Si。
上述耐高温抗氧化材料，所述梯度分布层厚度为80μm～110μm。
上述的耐高温抗氧化材料的制备方法，它以熔盐电沉积出的硅作为渗硅的硅源，电沉积硅和硅在钼基体中的扩散同时进行，包括如下步骤：
a.熔盐的组成：选取NaCl、KCl、NaF为介质，其中三组元的摩尔比NaCl∶KCl∶NaF为1∶1∶3，加入占上述熔盐介质质量百分数的10％～15％的粉状SiO2，将上述四种物质混均，盛入坩锅，放入电炉内升温至850℃～950℃，恒温时间10～20min；
b.电沉积硅和硅在钼基体中扩散：取钼板或铝棒基体放入坩锅，在温度850℃～950℃、脉冲电流给电且平均电流密为900A·cm-2～1200A·cm-2的条件下，电沉积渗硅120min～180min，得到在基体表层形成Si含量逐渐升高的梯度分布层；
c.材料冷却：从熔盐中取出经过上述过程处理的材料，以≤100℃/min冷却速度冷却至室温。
上述耐高温抗氧化材料的制备方法，所述步骤b中盛熔盐的坩锅为阳极，阳极材质为高纯石墨。
本发明针对现有各种高温结构材料的缺陷，研制一种新型耐高温抗氧化材料及制备方法，所述材料以金属钼为基体，经电沉积硅和硅在钼基体中扩散，得到在基体外层形成厚度为80μm～110μm的Si含量逐渐升高的梯度分布层，经检验，所述材料在1600℃的高温下抗弯曲强度、抗高温蠕变强度基本与金属钼相当，在1200℃～1600℃高温空气中不氧化。本发明的制备方法具有梯度层厚度容易控制，工艺参数控制范围宽，易操作，材料表面结构致密、平整等特点。
具体实施方式
本发明方法以金属钼为基体，以熔盐电沉积出的硅作为渗硅的硅源，电沉积硅和硅在钼基体中的扩散同时进行；盛熔盐的坩锅为阳极，材质为高纯石墨，阴极材质为Mo板或钼棒，在温度900℃～950℃、脉冲电流给电且平均电流密为900A·cm-2～1200A·cm-2的条件下，电沉积时间120min～180min，得到质量好的硅含量梯度分布层，所述梯度分布层厚度的控制，可通过调整电沉积时间、温度和电流密度参数来实现。本发明工作机理如下：由于高温、电场以及硅浓度梯度的作用，在Mo基体上沉积Si的同时，Mo、Si也在进行着固态互扩散，从而形成沿基体Mo向表层相组成变化规律为Mo(基体)→Mo5Si3+Mo3Si+Mo→Mo5Si3+MoSi2→MoSi2→MoSi2+Si→Si(表层)的组织结构。经检验此材料在1600℃的高温下抗弯曲强度、抗高温蠕变强度基本与钼相当，在1200℃～1600℃高温空气中不氧化。
以下给出具体的实施例：
实施例1
按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO2的加入量占熔盐介质质量百分数的10％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至850℃，恒温时间10min，放入Mo板阴极，脉冲给电且平均电流密度为900A·cm-2的条件下，沉积120min后，取出Mo板，经热水中煮5min～10min，并采用超声波清洗，去除试样表面的残留熔盐处理后得到耐高温抗氧化结构材料。对沉积层表面形貌、断面厚度及含量分布、断面X射线衍射分析结果表明，得到的试样表面致密平整，断面梯度层厚度约80μm。
实施例2
按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO2的加入量占熔盐介质质量百分数的15％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至950℃，恒温时间15min，放入Mo板阴极，脉冲给电且平均电流密度为1200A·cm-2的条件下，沉积180min后，取出Mo棒，经热水中煮5min～10min，并采用超声波清洗，去除试样表面的残留熔盐处理后得到耐高温抗氧化结构材料。对沉积层表面形貌、断面厚度及含量分布、断面X射线衍射分析结果表明，得到的试样表面致密平整，断面梯度扩散层厚度约110μm。
实施例3
按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO2的加入量占熔盐介质质量百分数的12％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至900℃，恒温20min，放入Mo棒阴极，脉冲给电且平均电流密度为1100A·cm-2的条件下，沉积150min后，取出Mo棒，经热水中煮5min～10min，并采用超声波清洗，去除试样表面的残留熔盐处理后得到耐高温抗氧化结构材料。对沉积层表面形貌、断面厚度及含量分布、断面X射线衍射分析结果表明，得到的试样表面致密平整，断面梯度扩散层厚度约100μm。
Claims (4)
1.一种耐高温抗氧化材料，其特征在于，它以金属Mo为基体，基体外层为Si含量逐渐升高的梯度分布层，所述材料由内向外相组成变化规律为：Mo→Mo5Si3+Mo3Si+Mo→Mo5Si3+MoSi2→MoSi2→MoSi2+Si→Si。
2.根据权利要求1所述的耐高温抗氧化材料，其特征在于：所述梯度分布层厚度为80μm～110μm。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温抗氧化材料的制备方法，其特征在于：它以熔盐电沉积出的硅作为渗硅的硅源，电沉积硅和硅在钼基体中的扩散同时进行，包括如下步骤：
a.熔盐的组成：选取NaCl、KCl、NaF为介质，其中三组元的摩尔比NaCl∶KCl∶NaF为1∶1∶3，加入占上述熔盐介质质量百分数的10％～15％的粉状SiO2，将上述四种物质混均，盛入坩锅，放入电炉内升温至850℃～950℃，恒温时间10～20min；
b.电沉积硅和硅在钼基体中扩散：取钼板或钼棒基体放入坩锅，在温度850℃～950℃、脉冲电流给电且平均电流密为900A·cm-2～1200A·cm-2的条件下，电沉积渗硅120min～180min，得到在基体表层形成Si含量逐渐升高的梯度分布层；
c.材料冷却：从熔盐中取出经过上述处理的材料，以≤100℃/min冷却速度冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的耐高温抗氧化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中盛熔盐的坩锅为阳极，阳极材质为高纯石墨。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200710139402XA CN100510189C (zh) | 2007-09-12 | 2007-09-12 | 一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200710139402XA CN100510189C (zh) | 2007-09-12 | 2007-09-12 | 一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101117718A true CN101117718A (zh) | 2008-02-06 |
| CN100510189C CN100510189C (zh) | 2009-07-08 |
Family
ID=39053974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB200710139402XA Expired - Fee Related CN100510189C (zh) | 2007-09-12 | 2007-09-12 | 一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100510189C (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103722789A (zh) * | 2013-09-11 | 2014-04-16 | 太仓派欧技术咨询服务有限公司 | 一种钼基多层防热材料及其结构 |
| CN109666886A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-23 | 河南科技大学 | 一种钼基材料表面抗氧化涂层的制备方法 |
| CN109930176A (zh) * | 2018-08-14 | 2019-06-25 | 华北理工大学 | 一种熔盐制备硅镍合金的方法 |
| CN115874232A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-03-31 | 北京科技大学 | 一种熔盐电解制备梯度高硅钢的方法 |
-
2007
- 2007-09-12 CN CNB200710139402XA patent/CN100510189C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103722789A (zh) * | 2013-09-11 | 2014-04-16 | 太仓派欧技术咨询服务有限公司 | 一种钼基多层防热材料及其结构 |
| CN103722789B (zh) * | 2013-09-11 | 2016-08-10 | 太仓派欧技术咨询服务有限公司 | 一种钼基多层防热材料及其结构 |
| CN109930176A (zh) * | 2018-08-14 | 2019-06-25 | 华北理工大学 | 一种熔盐制备硅镍合金的方法 |
| CN109666886A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-23 | 河南科技大学 | 一种钼基材料表面抗氧化涂层的制备方法 |
| CN115874232A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-03-31 | 北京科技大学 | 一种熔盐电解制备梯度高硅钢的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100510189C (zh) | 2009-07-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Improving oxidation resistance of TZM alloy by deposited Si–MoSi2 composite coating with high silicon concentration | |
| Park et al. | The effects of MoSi2 on the oxidation behavior of carbon/carbon composites | |
| Wang et al. | NiCoCrAlY coatings with and without an Al2O3/Al interlayer on an orthorhombic Ti2AlNb-based alloy: Oxidation and interdiffusion behaviors | |
| Pourasad et al. | In-situ synthesis of SiC-ZrB2 coating by a novel pack cementation technique to protect graphite against oxidation | |
| Ozturk et al. | Microstructure, wear and corrosion characteristics of multiple-reinforced (SiC–B4C–Al2O3) Al matrix composites produced by liquid metal infiltration | |
| Ran et al. | Ablation property of a C/C–Cu composite prepared by pressureless infiltration | |
| CN108517518B (zh) | 一种提高钛合金高温抗氧化性能的复合涂层的制备方法 | |
| Chen et al. | High temperature oxidation resistance of La2O3-modified ZrB2-SiC coating for SiC-coated carbon/carbon composites | |
| Fu et al. | Oxidation pre-treatment to improve the mechanical property and oxidation resistance of Si–Mo–Cr coated C/C composites | |
| Bochenek et al. | Influence of rhenium addition on microstructure, mechanical properties and oxidation resistance of NiAl obtained by powder metallurgy | |
| CN100510189C (zh) | 一种耐高温抗氧化材料及其制备方法 | |
| Fu et al. | Microstructure and oxidation behavior of Si-MoSi2 coating deposited on Mo substrate at 600° C and 900° C in static air | |
| Ren et al. | Dynamic oxidation protective ultrahigh temperature ceramic TaB2-20% wtSiC composite coating for carbon material | |
| Chen et al. | Oxidation properties of tri-layer ytterbium-disilicate/mullite/silicon-carbide environment barrier coatings for Cf/SiC composites | |
| Sun et al. | Wetting and joining of porous Si3N4 and dense Si3N4 ceramics with in-situ formed β-spodumene/spinel glass-ceramic interlayer | |
| Gao et al. | High temperature mechanical retention characteristics and oxidation behaviors of the MoSi 2 (Cr 5 Si 3)—RSiC composites prepared via a PIP—AAMI combined process | |
| Liu et al. | Oxidation behavior of Ni–Mo–Si alloy coatings fabricated on carbon steel by laser cladding | |
| JP2001518978A (ja) | 保護被覆を有する支持体 | |
| Li et al. | Structure and oxidation behavior of Zr–Y modified silicide coatings prepared on an Nb–Ti–Si–Cr based ultrahigh temperature alloy | |
| Qiao et al. | Y2O3 film as a diffusion barrier between MoSi2 coating and Nb-Si based alloy | |
| Li et al. | Wetting mechanism and bending property of Cu/Al2O3 laminated composites with pretreated CuO interlayer | |
| Huang et al. | An AlPO4/SiC coating prepared by pulse arc discharge deposition for oxidation protection of carbon/carbon composites | |
| Jimenez et al. | Joining of C f/SiC ceramics to nimonic alloys | |
| Wang et al. | Effect of YSZ-incorporated glass-based composite coating on oxidation behavior of K438G superalloy at 1000° C | |
| CN108642429A (zh) | 一种辅助汽车铸铝缸体梯度热障涂层及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090708 Termination date: 20110912 |