CN106048488B - 一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法,采用等离子弧喷焊技术在难熔金属表面制备Mo‑Si‑B合金涂层。本发明采用所需成分的Mo‑Si‑B合金粉末，通过控制稀释率，可以保证涂层成分可控，为涂层成分的灵活设计奠定了基础；采用等离子弧喷焊技术，与传统的埋渗法、热喷涂法、磁控溅射法相比，明显提高了涂层结合强度、涂层厚度及涂层致密性，为获得长使用寿命的高温抗氧化涂层提供了保证；本发明所制备的Mo‑Si‑B合金高温抗氧化涂层，有效提高了难熔金属钼、铌、钽及其合金在高温下的抗氧化性能，明显延长了难熔金属零部件的使用寿命。

Description

一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，涉及一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法。
背景技术
难熔金属钼、铌、钽及其合金由于具有高的熔点、良好的高温力学性能和蠕变强度、耐磨损等优点，被广泛用于航空、航天、能源及运输等领域的高温零部件上。作为高温环境下使用的结构材料，不仅要求材料具有较高的高温强度和断裂韧性，而且还能满足高温环境下对抗氧化性能的需求。然而难熔金属钼、铌、钽及其合金在氧化性气氛中，600℃以上便开始发生严重的氧化现象，且随着温度的升高，氧化程度加剧，最终导致合金的脆化及高温使用性能的失效，这一缺点严重限制了难熔金属及其合金作为高温材料的应用。因此，改善难熔金属及其合金的高温抗氧化性是提高其使用性能的必然要求。
目前提高难熔金属钼、铌、钽及其合金的高温抗氧化性的途径主要有合金化和表面涂层技术。合金化主要是通过向合金中添加一定量的Si、Cr、Al、Ti等元素，使其在高温下能够在合金表面形成一层致密的氧化物保护膜层，阻止氧的进一步扩散腐蚀，从而达到改善合金抗氧化性能的目的，然而合金化通常是以损失合金塑韧性和加工性能为代价的，且制备成本昂贵，有其自身的局限性。在难熔金属钼、铌、钽及其合金材料表面制备高温抗氧化涂层，不仅能够提高其高温抗氧化性能，同时对其高温力学性能没有太大影响，能够在尽量不损失材料高温力学性能的同时提高其高温抗氧化性能。因此，表面涂层技术是一个解决难熔金属钼、铌、钽及其合金材料高温抗氧化性差的有效途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，在难熔金属钼、铌、钽及其合金的表面制备Mo-Si-B合金涂层，以提高难熔金属钼、铌、钽及其合金的高温抗氧化性能，延长其使用寿命。
本发明所采用的技术方案是，一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，采用等离子弧喷焊技术在难熔金属表面制备Mo-Si-B合金涂层。
本发明的特点还在于，
具体按以下步骤实施：
步骤1，清洗难熔金属工件，去除工件表面的污染物；
步骤2，在氩气保护气氛下，利用原位加热平台对步骤1清洗后的工件进行预热；
步骤3，在氩气气氛下，以微米级Mo-Si-B合金粉末作为喷焊涂层原料，采用等离子弧喷焊技术在步骤2预热后的工件表面喷焊涂层；
步骤4，在氩气保护下，将喷焊后的工件，加热平台上原位冷却至室温，即完成高温抗氧化涂层的制备。
步骤1中清洗具体为：采用无水乙醇对工件进行超声清洗。
步骤1中难熔金属为钼、铌、钽及其合金。
步骤2预热温度为900～1000℃。
步骤3中Mo-Si-B合金粉末按照原子百分比的组成为：Si：5～35at％，B：5～35at％，余量为Mo，以上元素原子百分比之和为100％。
步骤3中Mo-Si-B合金粉末采用纯Mo、Si、B元素粉末，经球磨混粉后等离子弧球化造粒或粉末冶金造粒得到，合金粉末尺寸在30～150μm之间。
步骤3中等离子弧喷焊参数具体为：非转移弧电流为30～60A、电压为25～40V，转移弧电流为160～320A、电压为170～250V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为20～80mm/min，送粉速率为10～50g/min，喷焊宽度为5～30mm。
步骤3中涂层厚度为1～7mm。
本发明的有益效果是，
(1)采用所需成分的Mo-Si-B合金粉末，通过控制稀释率，可以保证涂层成分可控，为涂层成分的灵活设计奠定了基础。
(2)采用等离子弧喷焊技术，与传统的埋渗法、热喷涂法、磁控溅射法相比，明显提高了涂层结合强度、涂层厚度及涂层致密性，为获得长使用寿命的高温抗氧化涂层提供了保证。
(3)本发明所制备的Mo-Si-B合金高温抗氧化涂层，有效提高了难熔金属钼、铌、钽及其合金在高温下的抗氧化性能，且同时具有较高的硬度，明显延长了难熔金属零部件的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，用无水乙醇对基体进行超声清洗，去除工件表面油渍等污染物，并干燥备用。
工件为钼、铌、钽及钼、铌、钽的合金等难熔金属材料。
步骤2，在氩气保护气氛下，利用原位加热平台对工件预热至900～1000℃并保温5min。
步骤3，将微米级Mo-Si-B合金粉末装入送粉器，采用纯度大于99.9％的氩气作为离子气、保护气、送粉气，点燃等离子弧，调节非转移弧电流为30～60A、电压为25～40V，调节转移弧电流为160～320A、电压为170～250V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为20～80mm/min，送粉速率为10～50g/min，喷焊宽度为5～30mm，得到厚度为1～7mm的高温抗氧化涂层。
Mo-Si-B合金粉末按照原子百分比的成分为：Si：5～35at％，B：5～35at％，余量为Mo，以上元素的原子百分比为100％，元素粉末纯度均大于99.7％。Mo-Si-B合金粉末制备采用纯Mo、Si、B元素粉末，经球磨混粉后等离子弧球化造粒或粉末冶金造粒，造粒后选择尺寸在30～150μm之间流动性较好的粉末作为喷焊粉末。
步骤4，喷焊结束后，继续在氩气保护下，工件在加热平台上原位冷却至室温，即完成涂层的制备。
本发明采用等离子弧喷焊技术在难熔金属钼、铌、钽及其合金的表面制备Mo-Si-B合金涂层，通过工艺参数的控制可以实现对涂层厚度、稀释率的控制，采取原位预热及喷焊后缓冷可以有效控制涂层裂纹的产生，可以根据实际需要制备一定成分、一定厚度的Mo-Si-B合金高温抗氧化涂层。
本发明的优点和积极效果体现在：
(1)采用所需成分的Mo-Si-B合金粉末，通过控制稀释率，可以保证涂层成分可控，为涂层成分的灵活设计奠定了基础。
(2)采用等离子弧喷焊技术，与传统的埋渗法、热喷涂法、磁控溅射法相比，明显提高了涂层结合强度、涂层厚度及涂层致密性，为获得长使用寿命的高温抗氧化涂层提供了保证。
(3)本发明所制备的Mo-Si-B合金高温抗氧化涂层，有效提高了难熔金属钼、铌、钽及其合金在高温下的抗氧化性能，明显延长了难熔金属零部件的使用寿命。
实施例1
选择Mo-35Si-10B的合金成分为喷焊粉末，粉末尺寸为30μm，以纯钼板材为基体，将无水乙醇超声清洗后的工件在氩气保护下，利用原位加热平台预热至900℃，调节非转移弧电流为30A、电压为25V，调节转移弧电流为160A、电压为170V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为20mm/min，送粉速率为10g/min，喷焊宽度为5mm，喷焊完成后缓冷。所制备涂层厚度为1mm，在1200℃大气环境下静态氧化测试，经150h长时间氧化后，涂层氧化失重率为15mg/cm2。
实施例2
选择Mo-12Si-16B的合金成分为喷焊粉末，粉末尺寸为60μm，以铌合金板材为基体，将无水乙醇超声清洗后的工件在氩气保护下，利用原位加热平台预热至930℃，调节非转移弧电流为40A、电压为30V，调节转移弧电流为230A、电压为190V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为40mm/min，送粉速率为20g/min，喷焊宽度为15mm，喷焊完成后缓冷。所制备涂层厚度为2.8mm，在1300℃大气环境下静态氧化测试，经250h长时间氧化后，涂层氧化失重率为22mg/cm2。
实施例3
选择Mo-25Si-5B的合金成分为喷焊粉末，粉末尺寸为100μm，以钽合金板材为基体，将无水乙醇超声清洗后的工件在氩气保护下，利用原位加热平台预热至960℃，调节非转移弧电流为50A、电压为35V，调节转移弧电流为280A、电压为220V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为60mm/min，送粉速率为40g/min，喷焊宽度为23mm，喷焊完成后缓冷。所制备涂层厚度为4.8mm，在1600℃大气环境下静态氧化测试，经200h长时间氧化后，涂层氧化失重率为30mg/cm2。
实施例4
选择Mo-5Si-35B的合金成分为喷焊粉末，以钼合金板材为基体，预热1000℃，调节非转移弧电流为60A、电压为40V，调节转移弧电流为320A、电压为250V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为80mm/min，送粉速率为50g/min，喷焊宽度为30mm，喷焊完成后缓冷。所制备涂层厚度为7mm，在1500℃大气环境下静态氧化测试，经300h长时间氧化后，涂层氧化失重率为50mg/cm2。

Claims (4)

1.一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于，采用等离子弧喷焊技术在难熔金属表面制备Mo-Si-B合金涂层；
具体按以下步骤实施：
步骤1，清洗难熔金属工件，去除工件表面的污染物；
步骤2，在氩气保护气氛下，利用原位加热平台对步骤1清洗后的工件在900～1000℃的温度下进行预热；
步骤3，在氩气气氛下，以微米级Mo-Si-B合金粉末作为喷焊涂层原料，采用等离子弧喷焊技术在步骤2预热后的工件表面喷焊涂层；
所述Mo-Si-B合金粉末按照原子百分比的组成为：Si：5～35at％，B：5～35at％，余量为Mo，以上元素原子百分比之和为100％；
所述Mo-Si-B合金粉末采用纯Mo、Si、B元素粉末，经球磨混粉后等离子弧球化造粒或粉末冶金造粒得到，合金粉末尺寸在30～150μm之间；
所述等离子弧喷焊参数具体为：非转移弧电流为30～60A、电压为25～40V，转移弧电流为160～320A、电压为170～250V，待电弧稳定后开始同步送粉喷焊，喷焊速度为20～80mm/min，送粉速率为10～50g/min，喷焊宽度为5～30mm；
步骤4，在氩气保护下，将喷焊后的工件，在加热平台上原位冷却至室温，即完成高温抗氧化涂层的制备。
2.根据权利要求1所述的一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于，步骤1中所述清洗具体为：采用无水乙醇对工件进行超声清洗。
3.根据权利要求1所述的一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于，步骤1中所述难熔金属为钼、铌、钽及其合金。
4.根据权利要求1所述的一种在难熔金属材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，其特征在于，步骤3中所述涂层厚度为1～7mm。
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