CN106282911A - 一种在金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法 - Google Patents

一种在金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法 Download PDF

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卢公昊
张亦行
宁佳林
郑继波
巨东英
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张志强
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/18—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
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Abstract

一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：(1)将金属钼表面进行抛光处理；(2)浸入盛放Al‑Si熔体的坩埚中，将坩埚放入电阻加热炉中加热至850±10℃保温至少10小时取出；(3)置于氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗，将获得的清洗后钼块取出；(4)置于无水酒精中，在超声波条件下清洗，取出干燥。本发明与现有高温材料相比具有成本低，方法可操作性强，设备简单的特点，制成的高温抗氧化覆层具有很好的高温抗氧化性，可以在1200℃的空气中表现出优异的抗氧化性。

Description

一种在金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种在金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法。
背景技术
由于航天航空、原子能等高新技术的飞速发展，对于耐高温材料的要求也在不断的提高。高熔点金属的硅化物，高温抗氧化方面有着很大的应用潜力。
金属钼(Mo)具有2610℃的高熔点，适合在高温环境中使用而不变形，但其在高温环境中工作时仍需要惰性气体保护，这就使金属Mo的应用受到了极大的限制；金属Mo在实际应用中面临的最大困难是空气中430℃以上容易发生氧化，900℃以上生成的氧化物(MoO3)升华，导致内部金属Mo被进一步氧化。如果可以在金属Mo表面制备一种高温抗氧化层，就可能实现金属Mo作为高温材料使用的目的；MoSi2和Mo(Si，Al)2作为候选材料受到了极大的关注；MoSi2在700～1700℃表现出的抗氧化性主要归因于材料表面形成了连续SiO2层，但是在500℃以下的低温环境中发生SiO2层不连续的现象；因此，在高温大气的环境下工作，很容易造成内部材料的破坏。
化合物Mo(Si，Al)2的氧化速率要高于MoSi2，但是其氧化后的产物能够牢固的附着在样品外表面，起到保护作用；；目前有关Mo(Si，Al)2抗氧化层的制备与操作都比较复杂，深入研究Mo(Si，A1)2抗氧化能力的报道也较少。
发明内容
本发明针对现有的金属钼抗氧化层技术存在的上述问题，提供一种在金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，采用简单的熔融金属浸渍法，利用高温扩散原理，在金属Mo表面制备Mo(Si，Al)2抗氧化层，并对其在大气中1000℃以上的抗氧化能力进行研究，为高温抗氧化材料领域的研究提供新的方法和理论依据
本发明的金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法包括以下步骤：
1、将金属钼表面进行抛光处理，去除表面杂质；
2、将抛光后的金属钼浸入盛放Al-Si熔体的坩埚中，再将坩埚放入电阻加热炉中加热至850±10℃保温至少10小时，再将获得的反应后钼块取出；
3、将反应后钼块置于氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗，以去除表面残留的Al-Si熔液，再将获得的清洗后钼块取出；
4、将清洗后钼块置于无水酒精中，在超声波条件下清洗，然后取出干燥，获得表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼。
上述的高温抗氧化覆层的厚度为40～110μm。
上述方法中，Al-Si熔体的成分按重量百分比含Si 10～30％，其余为Al。
上述方法中，氢氧化钠熔液的质量浓度为20～40％。
上述方法中，步骤3在超声波条件下清洗的时间为20～60min。
上述方法中，步骤4在超声波条件下清洗的时间为5～20min。
本发明基于对各种元素组合进行大量实验研究，发现该复合材料，与现有高温材料相比具有成本低，方法可操作性强，设备简单的特点，制成的高温抗氧化覆层具有很好的高温抗氧化性，可以在1200℃的空气中表现出优异的抗氧化性。
附图说明
图1是本发明实施例2中获得的表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼的断面X射线衍射照片图；
图2是本发明实施例2中获得的表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼进行高温氧化试验后的断面SEM照片图，图中白色圈内的白色线条为氧化铝层；
图3为本发明实施例2中获得的表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼进行高温氧化试验前的断面SEM照片图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的扫描设备为Zeiss-∑IGMA HD型场发射扫描电子显微镜；扫描时将样品固定在树脂内，附图2和3中上部黑色部分为树脂。
本发明实施例中采用的超声波设备型号为JP-020型台式实验室用超声波清洗机。
本发明实施例中超声波条件的超声波频率为40000Hz。
本发明实施例中采用的金属钼为市购产品，纯度为99.95％。
本发明实施例中采用的X射线衍射装置为X′pert Powder型X射线衍射仪。
实施例1
将金属钼表面进行抛光处理，去除表面杂质；
将抛光后的尺寸Φ10mm×3mm金属钼浸入盛放Al-Si熔体的坩埚中，再将坩埚放入电阻加热炉中加热至850±10℃保温10小时，再将获得的反应后钼块取出；Al-Si熔体的成分按重量百分比含Si10％，其余为Al；
将反应后钼块置于质量浓度为20％的氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗20min，以去除表面残留的Al-Si熔体，再将获得的清洗后钼块取出；
将清洗后钼块置于无水酒精中，在超声波条件下清洗5min，然后取出干燥，获得表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼，高温抗氧化覆层的厚度为40μm。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)在电阻加热炉中加热至850±10℃保温12小时；Al-Si熔体的成分按重量百分比含Si 20％；
(2)将反应后钼块置于质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗40min；
(3)将清洗后钼块置于无水酒精中，在超声波条件下清洗10min；高温抗氧化覆层的厚度为80μm；
利用电子探针(EPMA)和X射线衍射装置(XRD)对得到的化合物层断面进行各元素扫描，确认所得到的化合物层为Mo(Si，Al)2层，如图1所示；将得到的样品在空气中加热到1200℃，并保持10h；氧化试验后对样品的断面进行观察和成分分析，确认样品的最外层致密薄层为Al2O3，而Mo(Si，Al)2层仍然致密、牢固的附着在基体上，如图2所示(加热实验前的SEM照片如图3所示)；由于样品的最外层产生了致密Al2O3层，保护了样品内部免于被进一步遭到氧化破坏，使该材料可以在大气中1200℃的高温下长时间使用。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)在电阻加热炉中加热至850±10℃保温11小时；Al-Si熔体的成分按重量百分比含Si 30％；
(2)将反应后钼块置于质量浓度为40％的氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗60min；
(3)将清洗后钼块置于无水酒精中，在超声波条件下清洗20min；高温抗氧化覆层的厚度为110μm。

Claims (6)

1.一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)将金属钼表面进行抛光处理，去除表面杂质；
(2)将抛光后的金属钼浸入盛放Al-Si熔体的坩埚中，再将坩埚放入电阻加热炉中加热至850±10℃保温至少10小时，再将获得的反应后钼块取出；
(3)将反应后钼块置于氢氧化钠溶液中，在超声波条件下清洗，以去除表面残留的Al-Si熔液，再将获得的清洗后钼块取出；
(4)将清洗后钼块置于无水酒精中，在超声波条件下清洗，然后取出干燥，获得表面涂覆有高温抗氧化覆层的金属钼。
2.根据权利要求1所述的一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于所述的高温抗氧化覆层的厚度为40～110μm。
3.根据权利要求1所述的一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于所述的Al-Si熔体的成分按重量百分比含Si 10～30％，其余为Al。
4.根据权利要求1所述的一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于所述的氢氧化钠熔液的质量浓度为20～40％。
5.根据权利要求1所述的一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于步骤(3)在超声波条件下清洗的时间为20～60min。
6.根据权利要求1所述的一种金属钼表面制备高温抗氧化覆层的方法，其特征在于步骤(4)在超声波条件下清洗的时间为5～20min。
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