CN103614692A - 一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法，运用包埋渗技术以及合理的铝硼包埋渗剂的配比成功在铌基高温合金上制备出铝硼高温抗氧化涂层；其中所述的涂层厚度为30μm～70μm；这种高温抗氧化涂层包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相。本发明优点：1.本发明的工艺简单，操作方便，获得的高温抗氧化涂层均匀连续致密、结合性好，不易脱落分离，对Al2O3氧化涂层起到修补作用，有效的改善了基体的高温抗氧化性能。2.在相同的条件下，在本专利写出的温度范围内，该涂层包埋渗的温度越高，涂层的高温抗氧化性能越好。
Description
技术领域
本发明涉及合金的腐蚀与防护技术领域，具体是一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法，采用包埋渗技术在基体上制备高温抗氧化涂层，从而达到提高基体抗氧化的目的。
背景技术
随着各种工业燃气轮机、航空喷气发动机等热端部件的进一步发展，现在广泛使用的镍基高温合金的使用温度（1100～1150℃）已经不能满足技术发展的需求，亟需研发能在1200～1400℃使用的新型超高温金属结构材料及其相应的涂层制备应用技术，铌基高温合金由于其本身优异的物理与化学性能而成为重要首选材料之一。但铌合金易发生氧化，纯铌甚至在600℃就发生粉化氧化的现象。在铌基高温合金表面制备高温防护涂层是有效的解决措施，研究表明，合金表面渗铝，渗硅，渗铝硅，渗铝铪，渗铬硅等涂层能有效的改善合金抗氧化性能。例如CN101824590A发明了一种Nb/NbCr2基高温合金表面抗氧化复合涂层的制备方法，其特征是方法步骤为：(1)Si-Al涂层的制备；(2)Sol-gel方法制备Al(OH)3溶胶；(3)热压。CN102424948A发明了一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，所述CoAlNi涂层厚度为10μm～30μm，CoAlNi涂层包含Al0.9Ni1.1和AlCo两相。制得的CoAlNi涂层在1050℃高温氧化时能够形成连续、致密的Al2O3氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了基体的高温抗氧化性能。制得的CoAlNi涂层在高温900℃～950℃下具有良好的抗热腐蚀性能。然而有关用包埋渗技术制备铌基高温合金涂层的专利鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法是按以下步骤操作：
第一步：铌基高温合金的前处理
(1)依次用80#～1000#的SiC水磨砂纸将铌基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样。
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声波清洗15～20min，获得第二试样。
第二步：制作包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由10g～11g粒度为100目的铝粉、2g～4g粒度为200目的硼粉、3g～5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(2)制作100g铝包埋渗料由10g～11g粒度为100目的铝粉、3g～5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(3)制作100gAl2O3粉包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成。
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3粉包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品。
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管30min～60min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内。
(3)设置管式电阻炉的升温速率为5～7℃/min，包埋渗温度860℃～940℃，包埋渗的时间4～6h。
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样。
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗15～20min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金试样表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
上述制得的铝硼的高温抗氧化涂层包含有NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相。
上述制得的铝硼的高温抗氧化涂层厚度为30μm～70μm。
上述制得的铝硼的高温抗氧化涂层在高温1000℃氧化时能主要形成连续的AlNbO4氧化涂层，其进一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂层，并且其中AlB12可以对Al2O3氧化涂层起到修补作用。
本发明的优点：本发明的工艺简单，操作方便，所获得的高温抗氧化涂层均匀连续致密，并且与基体的结合性好，不宜脱落分离。制得的高温抗氧化涂层在1000℃高温氧化主要形成了连续的AlNbO4氧化涂层，其进一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂层，并且其中AlB12可以对Al2O3氧化涂层起到修补作用，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，有效的改善了基体的高温抗氧化性能，因而可以在铌基高温合金上得到广泛使用。在相同的条件下，在本专利写出的温度范围内，该涂层包埋渗的温度越高，涂层的高温抗氧化性能越好。
附图说明
图1是本发明包埋铌基高温合金在坩埚中的示意图。
图中，铝硼包埋渗料1，铝包埋渗料2，Al2O3粉包埋渗料3，铌基高温合金基体4，坩埚5。
图2是本发明铝硼共渗涂层XRD图谱。
图3是本发明铝硼共渗涂层表面SEM微观形貌。
图4是本发明铝硼共渗涂层1000℃高温氧化20h后其表面XRD图谱。
图5是本发明铝硼共渗涂层1000℃氧化动力曲线。
图6是本发明铌基C-103合金无涂层基体1000℃高温氧化20h后表面的形貌照片。
图7是本发明铝硼共渗涂层1000℃高温氧化20h后表面的形貌照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层
基体选用Nb-C103合金。
第一步：基体的前处理
(1)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂纸将铌基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样。
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗20min后，获得第二试样。
第二步：制作包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由10g粒度为100目的铝粉、2g粒度为200目的硼粉、3g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参与反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效的降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。
在本发明中，加入NaF粉能够与铝粉和硼粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出铝、硼的活性原子，渗入到铌基高温合金表面。
(2)制作100g铝包埋渗料由10g粒度为100目的铝粉、3g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(3)制作100g Al2O3包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成。
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品。
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管60min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内。
(3)设置管式电阻炉的升温速率为7℃/min，包埋渗温度940℃，包埋渗的时间4h。
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样。
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗20min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
将实施例1制备的高温抗氧化涂层经SEM和XRD分析表明，高温抗氧化涂层包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相，厚度约为49.8μm。
将实施例1制备的高温抗氧化涂层在温度1000℃的条件下，高温氧化20小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗法制备的高温抗氧化涂层具有很好的高温抗氧化性能。
实施例2
采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层
基体选用Nb-C103合金。
第一步：基体的前处理
(1)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂纸将Nb基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样。
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗20min后，获得第二试样。
第二步：制包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由10g粒度为100目的铝粉、2g粒度为200目的硼粉、3g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参与反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效的降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。
在本发明中，加入NaF粉能够与铝粉和硼粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出铝、硼的活性原子，渗入到铌基高温合金表面。
(2)制作100g铝包埋渗料由10g粒度为100目的铝粉、3g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(3)制作100g Al2O3包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成。
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品。
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管60min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内。
(3)设置管式电阻炉的升温速率为7℃/min，包埋渗温度860℃，包埋渗的时间4h；
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样；
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗20min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
将实施例2制备的高温抗氧化涂层经SEM和XRD分析表明，高温抗氧化涂层包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相，厚度约为29.6μm。
将实施例2制备的高温抗氧化涂层在温度1000℃的条件下，高温氧化20小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗法制备的高温抗氧化涂层具有很好的高温抗氧化性能。
实施例3
采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层
基体选用Nb-C103合金。
第一步：基体的前处理
(1)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂纸将铌基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样。
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗15min后，获得第二试样。
第二步：制包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由11g粒度为100目的铝粉、4g粒度为200目的硼粉、5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参与反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效的降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。
在本发明中，加入NaF粉能够与铝粉和硼粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出铝、硼的活性原子，渗入到铌基高温合金表面。
(2)制作100g铝包埋渗料由11g粒度为100目的铝粉、5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(3)制作100g Al2O3包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成。
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品。
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管30min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内。
(3)设置管式电阻炉的升温速率为5℃/min，包埋渗温度940℃，包埋渗的时间6h。
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样。
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗15min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
将实施例3制备的高温抗氧化涂层经SEM和XRD分析表明，高温抗氧化涂层包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相，厚度约为71.7μm。
将实施例3制备的高温抗氧化涂层在温度1000℃的条件下，高温氧化20小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗法制备的高温抗氧化涂层具有很好的高温抗氧化性能。
实施例4
采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层
基体选用Nb-C103合金。
第一步：基体的前处理
(1)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂纸将铌基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样。
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗15min后，获得第二试样。
第二步：制包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由11g粒度为100目的铝粉、3g粒度为200目的硼粉、4g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参与反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效的降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。
在本发明中，加入NaF粉能够与铝粉和硼粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出铝、硼的活性原子，渗入到铌基高温合金表面。
(2)制作100g铝包埋渗料由11g粒度为100目的铝粉、4g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成。
(3)制作100g Al2O3包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成。
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品。
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管45min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内。
(3)设置管式电阻炉的升温速率为5℃/min，包埋渗温度860℃，包埋渗的时间6h。
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样。
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗15min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
将实施例4制备的高温抗氧化涂层经SEM和XRD分析表明，高温抗氧化涂层包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相，厚度约为44.9μm。
将实施例4制备的高温抗氧化涂层在温度1000℃的条件下，高温氧化20小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗法制备的高温抗氧化涂层具有很好的高温抗氧化性能。
Claims (4)
1.一种采用铝硼共渗工艺在铌基合金上制备涂层的方法，其特征在于，按以下步骤操作：
第一步：铌基高温合金的前处理
(1)依次用80#～1000#的SiC水磨砂纸将铌基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；
(2)将第一试样放入无水乙醇中进行超声波清洗15～20min，获得第二试样；
第二步：制作包埋渗料
(1)制作100g铝硼包埋渗料由10g～11g粒度为100目的铝粉、2g～4g粒度为200目的硼粉、3g～5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；
(2)制作100g铝包埋渗料由10g～11g粒度为100目的铝粉、3g～5g粒度为100目的NaF粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；
(3)制作100g Al2O3粉包埋渗料仅由粒度为100目的Al2O3粉组成；
第三步：采用包埋铝硼共渗工艺制备高温抗氧化涂层
(1)将第二步制得的铝硼包埋渗料放入坩埚底部，大约填满坩埚六分之一，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位并置于铝硼包埋渗料表面上，并将其四周填满铝硼包埋渗料直至填满坩埚大约三分之一；再将第二步制得的铝包埋渗料放入坩埚中，又填满坩埚三分之一；接着将第二步制得的Al2O3粉包埋渗料将坩埚填满，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品；
(2)将热处理样品放入石英管的中间部位，接着将石英管密封，然后用机械真空泵抽石英管30min～60min后，再将石英管封管，最后将石英管放入管式电阻炉内；
(3)设置管式电阻炉的升温速率为5～7℃/min，包埋渗温度860℃～940℃，包埋渗的时间4～6h；
(4)开启管式电阻炉，按照规定的包埋渗时间进行加热与保温，在包埋渗时间结束时，关闭管式电阻炉，随管式电阻炉冷却至室温；从管式电阻炉中拿出石英管并且解封石英管后取出样品，即制得最终试样；
(5)将最终试样放入酒精中经超声波清洗15～20min后，冷风吹干，得到在铌基高温合金试样表面渗有铝硼的高温抗氧化涂层。
2.根据权利要求1所述的采用包埋铝硼共渗工艺在铌基高温合金上制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于:所述制得的铝硼的高温抗氧化涂层包含有NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四个相。
3.根据权利要求1所述的采用包埋铝硼共渗工艺在铌基高温合金上制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于:所述制得的铝硼的高温抗氧化涂层厚度为30μm～70μm。
4.根据权利要求1所述的采用包埋铝硼共渗工艺在铌基高温合金上制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于:所述制得的铝硼的高温抗氧化涂层在高温1000℃氧化时能形成连续的AlNbO4氧化涂层，其进一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂层，并且其中AlB12可以对Al2O3氧化涂层起到修补作用。
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