CN106591773A - 一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法。首先在金属表面通过高温化学扩渗制备厚度为30～200微米的硅化物或者铝化物的抗高温氧化过渡层；然后通过微弧氧化将过渡层表面原位转化为3～30微米且含高发射率物相强化的耐冲刷辐射热防护的陶瓷外层，使其得到的复合涂层兼具抗高温氧化、耐冲刷及高发射率的多重功能。本发明制备的复合涂层，其基材/过渡层/陶瓷外层的界面均为高强度的冶金结合，过渡层使复合涂层具有优异的抗高温氧化性能；高发射率陶瓷外层使基体金属发射率由0.2～0.35提高到0.8以上，强化辐射散热使金属热防护系统表面降温10％～20％，且陶瓷层抗强气流冲刷；复合涂层在航空航天热结构与外防热领域有很好应用潜力。

Description

一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，属于复合涂层制备方法技术领域。
背景技术
航空航天用的高温结构件的材料主要包括Ti、TiAl、Ni、Ta、Nb等合金及其增强型复合材料，应用在喷气式发动机、航天飞行器、导弹热防护等以气动加热为主的结构件上。虽然合金化改善了原有金属基材的抗氧化行为，但一般很难在更高温度、氧化与冲刷环境中应用。例如，Nb合金在900℃以上氧化失效仍十分严重。飞行器热防护金属壳体或热结构部件除要求具有高温抗氧化性能外，在高速飞行过程中还经受高温气体摩擦和粒子冲刷等恶劣环境，基体金属或其扩渗改性合金化层表面耐冲刷性能差，且金属表面发射率均较低(约0.1～0.3)，使高温辐射散热防护能力差。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，
(1)：在高温用金属表面制备含稀土成分的硅化物或者铝化物过渡层。
步骤一、对基材表面预处理：800#或800#以上砂纸抛光，清除基材表面的氧化皮及污垢，冲洗。
步骤二、高温化学渗剂配制：8～20wt％Si粉或Al粉、0.1～20wt％稀土或其氧化物，5～10wt％卤化物活化剂(氯化铵或氟化钠)以及余量的Al2O3粉末。粉体球磨1～4小时混合均匀。
步骤三、将步骤一处理后的基材工件埋置于装有步骤二制得渗剂的容器中，并将其整体密封后置于高温化学扩渗炉中。
步骤四、以3～8℃/min的速率将高温化学扩渗炉升温至700～1300℃，保温5～10h后，随炉冷却至室温，该过程在氩气气氛下进行。
步骤五、将步骤四得到的金属工件取出，清洗，得到基材表面为含稀土成分的硅化物或者铝化物合金化过渡层。
(2)通过微弧氧化技术将含稀土成分的硅化物或铝化物合金化过渡层，直接氧化转变为具有高发射率性质的基材氧化物/稀土氧化物/SiO2的陶瓷涂层或基材氧化物/稀土氧化物/Al2O3的陶瓷涂层。
步骤六、电解液制备：将3～10g/L氢氧化钠、5～20g/L硅酸钠、0.1～15g/L六偏磷酸钠，3～15g/L偏铝酸钠中的任意二种或二种以上混合试剂溶于去离子水中，充分溶解。
步骤七、微弧氧化外层制备：将步骤五中得到的工件作为阳极，放置于步骤六配置的电解液中，加载交流脉冲电压，电压范围在200～700V之间，时间为2～60min。
步骤八、将步骤七得到的工件取出并清洗表面，得到基材表面抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层。
所述步骤二中，粉体球磨2.5小时。
所述步骤四中，将高温化学扩渗炉升温至900℃，保温6h。
所述步骤四中，升温速率为7℃/min。
所述步骤七中，电压范围在220～600V之间，时间为20～40min。
所述步骤七中，电压范围为440V，时间为30min。
采用本发明方法制备的抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层的优点在于：
1、采用含有稀土的高温化学扩渗工艺对工件基材表面进行表面处理，渗剂原子在高温作用下的扩散迁移，形成稀土改性的基体合金元素硅化合物或铝化合物涂层。该高温化学扩渗层做为复合涂层的底层具有抑制氧原子的迁移扩散，有效提高合金基体的高温抗氧化行为的作用。
2、高温化学扩渗形成的含有稀土硅化合物或铝化合物底层做为过渡层，通过微弧氧化将该过渡层表面转化为陶瓷外层，其物相和表面形貌可以通过控制电解液成分和电参数来有效控制。采用的电解液不含对人体和环境有害成分，可重复利用。
3、高温化学扩渗含有稀土的硅化合物或铝化合物底层经过微弧氧化处理后，形成含有基材氧化物/稀土氧化物/SiO2或基材氧化物/稀土氧化物/Al2O3的高发射率组元强化的辐射散热陶瓷涂层，使金属表面的发射率由0.1～0.3提高到0.8以上，强化了辐射散热性能，使金属热防护系统表面降温10％～20％，降低对金属热结构件的热冲击负荷。
4、该复合涂层的制备方法工艺简单，得到的复合涂层内外层厚度均匀且可控，与基体的结合性能好，并且适用于形状复杂工件表面。
附图说明
图1为采用本发明方法在基材上制备抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层的示意图。
图2为采用实施例1制得复合涂层的表面与截面形貌(SEM)图。其中，a为复合涂层截面形貌，b为复合涂层表面形貌。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1：
金属基体选用Nb-10Hf-1Zr(牌号C103)，具体操作步骤为：
步骤一：高温化学扩渗方法制备渗Si层：1、用800#SiC砂纸对Nb-10Hf-1Zr基材表面进行抛光，清除表面氧化皮及污垢，清洗；2、渗剂制备：16wt％Si，5wt％NaF和5wt％Y2O5，以及余量Al2O3粉末。配置后球磨4小时；3、将清洗完的工件完全埋覆于装有渗剂的容器中，密封后置于高温化学扩渗炉中；4、向炉内通入高纯氩气，以8℃/min速率将炉升温至1300℃，保温8h后，随炉冷却至室温，取出工件，清洗，得到90μm的渗Si的阻氧过渡层。
步骤二：原位生成微弧氧化涂层：1、将3g/L氢氧化钠、12g/L硅酸钠、3g/L六偏磷酸钠和3g/L偏铝酸钠溶于去离子水中，充分溶解；2、微弧氧化涂层制备：将步骤一得到的带有NbSi2过渡层工件与正极连接，放置于已溶电解液中，加载电压为500V，处理时间为5min；3、将上述得到的工件清洗，得到Nb-10Hf-1Zr表面的抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层。
实施例1制备的复合涂层内层为90μm厚度的含Y掺杂NbSi2层，外层为厚4μm的Nb2O5/Y2O3/SiO2微弧氧化陶瓷层。
实施例1制备的高温抗氧化涂层在1250℃高温氧化80h，工件表面完整、无剥落，而无涂层工件高温氧化1h就粉化失效，说明经本发明复合涂层的高温抗氧化性能优异。
实施例1制备的复合涂层在发射率由0.30提高到0.80以上。
实施例2：
金属基体选用SiC增强Nb合金复合材料，具体操作步骤为：
步骤一：高温化学扩渗方法制备渗Si层：1、用800#SiC砂纸对基材表面进行抛光，清除表面氧化皮及污垢，清洗；2、渗剂制备：16wt％Si，5wt％NH4Cl，5wt％CeO2以及余量Al2O3粉末，配置后球磨4小时；3、将清洗完的工件完全埋覆于装有渗剂的容器后，密封，置于高温化学扩渗炉中；4、向炉内通入高纯氩气，以8℃/min速率将炉内温度升至1300℃，保温8h后，随炉冷却至室温，取出工件，清洗，得到厚度为220μm的渗Si阻氧层。
步骤二：原位生成微弧氧化涂层：1、将5g/L氢氧化钠、12g/L硅酸钠、10g/L六偏磷酸钠和3g/L偏铝酸钠溶于去离子水中，充分溶解；2、微弧氧化涂层制备：将步骤一得到的渗有NbSi2层工件与正极连接，放置于已溶电解液中，加载电压为450V，处理时间为10min；3、将上述得到的工件清洗，便得到表面的抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护复合涂层。
实施例2制备得到的复合涂层内层为220μm厚的NbSi2层，外层为7μm厚的微弧氧化陶瓷层。
实施例2制备的复合涂层在1200℃高温氧化100h后，工件表面完整、无剥落，而无涂层的工件高温氧化5h后粉化失效，说明经本发明复合涂层具有优异的高温抗氧化特性。
实施例2制备的复合涂层在发射率由0.30提高到0.85以上。
实施例3
金属基体选73Ni-15Cr-Ti,Al(牌号Inconel 600)，具体操作步骤为：
步骤一：高温化学扩渗方法制备渗Al层：1、用800#SiC砂纸对基材表面进行抛光，清除表面氧化皮并清洗；2、渗剂制备：其重量百分比为：16wt％Al，5wt％NaF，10wt％Y2O3和5wt％CeO2以及余量Al2O3粉末，配置后球磨4小时；3、将清洗完的工件完全埋覆于装有渗剂的容器中，密封后置于高温化学扩渗炉中；4、向炉内通入高纯氩气，以8℃/min速率将炉温升至1000℃，保温8h后，随炉冷却至室温，得到厚度为80μm的渗Al阻氧层。
步骤二：制备微弧氧化涂层：1、将12g/L硅酸钠、16g/L六偏磷酸钠和8g/L偏铝酸钠溶于去离子水中，充分溶解；2、微弧氧化涂层制备：将步骤一得到的渗有NiAl层工件与正极连接，放置于已溶电解液中，加载电压为550V，处理时间为5min；3、将上述得到的工件清洗，便得到表面的抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层。
实施例3制备得到的复合涂层内层为80μm厚的Y掺杂的NiAl层，外层为12μm厚的NiO/Al2O3/Y2O3/CeO2微弧氧化陶瓷层。
实施例3制备的复合涂层经过1000℃高温氧化100h，复合涂层表面无剥落，复合涂层改性的金属工件增重仅是其基材氧化增重量的20％，表现出良好的高温抗氧化性能。
实施例3制备得到的复合涂层的发射率由0.30提高到0.85以上。
实施例4
金属基体选Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr(牌号TA15)，具体操作步骤为：
步骤一：高温化学扩渗方法制备渗Al层：1、用800#SiC砂纸对基材表面抛光，除去表面氧化皮和污垢，清洗；2、制备渗剂：其重量百分比为：20％Al，5％NaF，10wt％Y2O3和5wt％CeO2以及余量Al2O3粉末，配置后球磨4小时；3、将清洗完的工件完全埋覆于装有渗剂的容器中，密封后置于高温化学扩渗炉中；4、向炉内通入高纯氩气，以8℃/min速率将炉温升至1000℃，保温8h后，随炉冷却至室温，得到厚度为70μm的渗Al阻氧层。
步骤二：制备微弧氧化涂层：1、将12g/L硅酸钠、10g/L六偏磷酸钠和8g/L偏铝酸钠溶于去离子水中，充分溶解；2、微弧氧化涂层制备：将步骤一得到的渗有TiAl层工件与正极连接，放置于已溶电解液中，加载电压为550V，处理时间为10min；3、将上述得到的工件取出并清洗，便得到表面的抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层。
实施例4制备得到的复合涂层内层为70μm厚的含Y、Ce共掺杂的TiAl层，外层为8μm厚TiO2/Al2O3/Y2O3/CeO2/的微弧氧化陶瓷层。
实施例4制备的复合涂层在800℃下的高温氧化条件下，经过200h后复合涂层表面无剥落，复合涂层改性的金属工件增重是其基材氧化增重量的30％，表现出良好的高温抗氧化性能。
实施例4制备得到的复合涂层的发射率由0.27提高到0.85以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，
(1)：在高温用金属表面制备含稀土成分的硅化物或者铝化物过渡层；
步骤一、对高温用金属表面预处理：用800#或800#以上砂纸抛光，清除基材表面的氧化皮及污垢，冲洗；
步骤二、高温化学渗剂配制：8～20wt％Si粉或Al粉、0.1～20wt％稀土或其氧化物，5～10wt％卤化物活化剂以及余量的Al2O3粉末，上述粉体球磨1～4小时混合均匀；
步骤三、将步骤一处理后的基材工件埋置于装有步骤二制得渗剂的容器中，并将其整体密封后置于高温化学扩渗炉中；
步骤四、以3～8℃/min的速率将高温化学扩渗炉升温至700～1300℃，保温5～10h后，随炉冷却至室温，该过程在氩气气氛下进行；
步骤五、将步骤四得到的金属工件取出，清洗，得到基材表面为含稀土成分的硅化物或者铝化物合金化过渡层；
(2)通过微弧氧化技术将含稀土成分的硅化物或铝化物合金化过渡层，直接氧化转变为具有高发射率性质的基材氧化物/稀土氧化物/SiO2的陶瓷涂层或基材氧化物/稀土氧化物/Al2O3的陶瓷涂层；
步骤六、电解液制备：将3～10g/L氢氧化钠、5～20g/L硅酸钠、0.1～15g/L六偏磷酸钠，3～15g/L偏铝酸钠中的任意二种或二种以上混合试剂溶于去离子水中，充分溶解；
步骤七、微弧氧化外层制备：将步骤五中得到的工件作为阳极，放置于步骤六配置的电解液中，加载交流脉冲电压，电压范围在200～700V之间，时间为2～60min；
步骤八、将步骤七得到的工件取出并清洗表面，得到基材表面抗高温氧化-耐冲刷-辐射热防护涂层。
2.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述高温用金属包括Ti、TiAl、Ni、Ta、Nb等的合金及其增强型复合材料。
3.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤二中，粉体球磨2.5小时。
4.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤四中，将高温化学扩渗炉升温至900℃，保温6h。
5.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤四中，升温速率为7℃/min。
6.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤七中，电压范围在220～600V之间，时间为20～40min。
7.根据权利要求1所述的高温用金属表面抗高温氧化辐射热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤七中，电压范围为440V，时间为30min。
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