CN109750289A

CN109750289A - 钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法及钽钨合金螺套

Info

Publication number: CN109750289A
Application number: CN201811618657.9A
Authority: CN
Inventors: 王立斐; 周小军; 赵刚; 董凯; 王蓉
Original assignee: Ningxia Orient Tantalum Industry Co Ltd
Current assignee: Ningxia Orient Tantalum Industry Co Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明涉及一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法及钽钨合金螺套。其特点是，按照质量百分比计组成为：MoSi₂为7.0～9.0Wt％，Mo为5.5～7.5Wt％，W为4.0～6.0Wt％，ZrO₂为3.5～5.5Wt％，HfO₂为2.5～4.5Wt％，Y₂O₃为2.5～3.5Wt％,TiB₂为1.0～2.0Wt％，余量为Si。本发明提供了一种可以在高温环境中与钽钨合金配套使用，具有韧性好、与基材结合力强、结构致密、性能优异的一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法，解决新型超音速发动机研制中钽钨合金(Ta10W)螺套高温抗氧化防护涂层制备的难题。

Description

钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法及钽钨合金螺套

技术领域

本发明涉及一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法及钽钨合金螺套。

背景技术

随着科学技术的不断发展，高温材料的应用温度在不断提高，尤其是超声速巡航飞行器，伴随发动机的持续升级换代，对高温材料提出更高的温度及高温性能要求。由于发动机工作温度高，对其材料性能的要求十分苛刻，尤其是各部件之间连接问题显得尤为突出，目前国内在紧固连接件高温抗氧化材料研制方面已取得了突破性进展，但在C/C复合材料与其他部件连接中遇到瓶颈，由于C/C复合材料具有很好的高温性能，但强度和力学性能差，在结构件连接设计中C/C复合材料常用阴螺纹的方式与其他部件进行连接，由于C/C复合材料强度、韧性和力学性能差，在C/C复合材料上加工阴螺纹存在较多问题：如极易出现分层；加工时易出现螺纹掉齿；在反复拆装过程中出现脱扣等现象，从而导致产品连接强度低，质量一致性差，装机工作可靠性不足等问题。

为解决该问题，对C/C复合材料阴螺纹采用加装螺套设计。由于钽钨合金具有高熔点、高热强性和良好的加工性能，是航天飞行器关键高温部件的主要结构材料，因此螺套采用难容钽钨合金加工，而钽钨合金在高温下易发生氧化破坏，为预防钽钨合金在高温下氧化，必须在合金表面制备高温抗氧化涂层加以防护。由于螺套类似与弹簧，在安装过程中需压缩产生形变，而现有涂层脆性极大且结构较疏松，涂层与基体结合强度低，在类似螺套这种在安装或工作过程中会产生形变的部件上使用时，涂层由于脆性大会因形变而产生裂纹或脆断，随着变形量的加大，由于涂层结构疏松，涂层与基体结合强度低而导致涂层脱落。

例如现有技术文件：申请号为ZL201110024938.3的中国专利中公开了一种钽钨合金涂层及制备方法，涂层主要成分由含Si、Cr的不同元素组成，用钾盐或钠盐等优选组合的配方，制成可在1800～1900℃的高温下使用的高温抗氧化涂层，涂层具有超高温的特点。申请号为CN201510216664.6的中国专利中公开了一种钽钨合金复合涂层及制备方法，涂层材料由两组不同成分的抗氧化材料通过三次复合制成，涂层可在1500～1900℃宽温域下工作，且有长寿命的特点。上述专利所提到的涂层具有超高温、长寿命的特点，但由于涂层结构的陶瓷相，涂层脆性极大，在类似螺套这种在安装或工作过程中会产生形变的部件上使用时，涂层由于脆性大会因形变而产生裂纹或脆断，随着变形量的加大，因涂层结构疏松，涂层与基体结合强度低而使涂层脱落，导致涂层在安装或工作过程中会发生形变或弯曲的高温部件上无法使用。因此，探索一种韧性好、高温抗氧化性能稳定、结构致密、涂层与基材结合力强的钽钨合金高温抗氧化涂层成为超音速发动机研究中急需解决的一个研究重点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种韧性好、与基材结合力强、结构致密、性能优异的钽钨合金高温抗氧化涂层，能够在高温环境中与钽钨合金配套使用；

本发明的目的之二是提供一种上述涂层的制备方法；

本发明的目的之三是提供一种使用上述涂层的钽钨合金螺套。

一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料，其特别之处在于，按照质量百分比计组成为：MoSi₂为7.0～9.0Wt％，Mo为5.5～7.5Wt％，W为4.0～6.0Wt％，ZrO₂为3.5～5.5Wt％，HfO₂为2.5～4.5Wt％，Y₂O₃为2.5～3.5Wt％,TiB₂为1.0～2.0Wt％，余量为Si。

一种钽钨合金高温抗氧化涂层的制备方法，其特别之处在于：分别取抗氧化粉体、粘结剂、添加剂，其中抗氧化粉体采用权利要求1中记载的配比，将上述抗氧化粉体混合后，加入粘结剂聚乙二醇和添加剂无水乙醇进行液氮低温球磨制备涂层料浆，再用料浆熔烧法制备工艺在钽钨合金表面制备出高温抗氧化涂层。

得到的高温抗氧化涂层厚度为60～80μm。

其中抗氧化粉体为粒度不大于350目的粉末，粘结剂为聚乙二醇，粘结剂的添加量为3～5Wt％，添加剂为无水乙醇，添加剂的添加量为粉料体积的1～1.5倍。

其中液氮低温球磨15～20小时制得涂层料浆，然后将涂层料浆通过喷涂或浸涂的方法涂覆在钽钨合金基体上，再将涂覆好的钽钨合金基体在温度1500℃～1600℃，真空不低于1.0×10^-2Pa条件下烧结30～45分钟，即可形成高温抗氧化涂层。

表面覆盖有权利要求1中记载的钽钨合金高温抗氧化涂层材料的钽钨合金螺套。

本发明制备的高温抗氧化涂层韧性好、结构致密、涂层与基体的结合强度高，弥补了传统涂层脆性大，结构疏松，涂层与基材的结合强度偏低，涂层在安装或工作过程需弯曲或发生形变的高温部件上无法使用的缺陷。

本发明制备的涂层具有良好的高温抗氧化性能，尤其是用该方法制备的钽钨合金(Ta10W)螺套高温抗氧化涂层的韧性好，涂层和基材的结合力强，螺套在安装过程中产生形变时，涂层不会因螺套形变而产生脆断性裂纹，由于涂层结构致密、涂层与基体的结合强度高，也不会因螺栓拧紧受力挤压而发生表面涂层破碎和脱落。本发明产品的技术指标达到：涂层1900℃静态5h，1950℃静态3h，涂层与基材的结合强度80MPa，涂层厚度60～80μm。

本发明提供了一种可以在高温环境中与钽钨合金配套使用，具有韧性好、与基材结合力强、结构致密、性能优异的一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法，解决新型超音速发动机研制中钽钨合金(Ta10W)螺套高温抗氧化防护涂层制备的难题，制备钽钨合金(Ta10W)螺套涂层产品。且该技术能够广泛应用在航空航天、武器装备、原子能及化工工业领域中类似弹簧螺套这种在安装或工作过程中会产生形变时涂层不会受损的高温结构部件上。

附图说明

附图1为本发明实施例1的涂层表面形貌图；

附图2为本发明实施例1的涂层截面形貌。

从图1可以看出，涂层表面结构为蜂窝状结构，蜂窝状结构涂层有很好的自愈能力；从图2可以看出，涂层主体结构致密，扩散层明显，涂层与基材结合良好，涂层厚度62.90μm，在60～80μm范围内。

具体实施方式

本发明涂层材料制备的高温抗氧化涂层不但具有很好的高温抗氧化性能，使用温度可达1950℃，尤其是涂层的韧性好，解决了现有涂层脆性大，在安装过程中因形变而产生裂纹或脆断导致涂层在安装或工作过程会产生形变的部件上无法使用的缺点。2、涂层结构致密，涂层与基体结合力强，涂层与基材的结合强度可达到80MPa，涂层制备在安装或工作过程会产生形变的高温部件上不会因形变而导致涂层脱落。3、涂层厚度薄，满足小型部件不适宜制备较厚涂层的需求。4、解决了新型超高温超高音速发动机研制中C/C复合材料与其他部件连接加装钽钨合金螺套涂层防护难题，钽钨合金(Ta10W)螺套涂层产品已成功应用与超高音速发动机。5、由于钽钨合金具备新一代航空航天、武器装备发动机的重要结构材料，本发明研制的涂层，除可在航天、航空领域应用外，还可以在武器装备、原子能及化工工业领域推广，具有十分广阔的发展应用前景并取得了良好的社会效益。

下面结合具体实例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种类似的修改形式均落于本申请所属权利要求所限定。

实施例1：

将涂层原料粉体按照MoSi₂为7.5Wt％、Mo为6.5Wt％、W为4.5Wt％、ZrO₂为4.5Wt％、HfO₂为3.0Wt％，Y₂O₃为3.5Wt％，TiB₂为1.5Wt％，余量为Si配比混合。混合磨粉，要求所加入粉料粒度均不大于350目。

加入前述材料粉体3Wt％的聚乙二醇，再添加前述材料粉体体积1.5倍的无水乙醇后，用液氮低温球磨15小时制得涂层料浆，将涂层料浆喷涂在钽钨合金基材上，将涂覆好的钽钨合金涂层件在1550℃，真空不低于1.0×10^-2Pa条件下烧结40分钟，制成高温抗氧化涂层。涂层厚65μm。

实施例2：

将涂层原料粉体按照MoSi₂为9.0Wt％、Mo为5.5Wt％、W为6.0Wt％、ZrO₂为3.5Wt％、HfO₂为4.5Wt％，Y₂O₃为2.5Wt％；TiB₂为1.0Wt％，余量为Si配比混合，加入5Wt％的聚乙二醇，再添加前述材料体积1.0倍的无水乙醇后，用液氮低温球磨20小时制得涂层料浆，将涂层料浆喷涂在钽钨合金基材上，将涂覆好的钽钨合金涂层件在1600℃，真空不低于1.0×10^-2Pa条件下烧结30分钟，制成高温抗氧化涂层。涂层厚度75μm。

将制得的钽钨合金涂层通过三点弯曲试验：试样弯曲90°涂层无断裂，也无脱落现象发生。

用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜对制得的钽钨合金涂层微观组织与结构进行了详细分析发现，涂层结构致密。

采用Instron公司5882型电子拉力试验机，胶粘剂FM-1000胶，按照JGG-0.5.Q-0008的规定检测涂层结合强度84MPa。

将制得的钽钨合金涂层进行高温抗氧化性能测试，结果见表1。

表1高温抗氧化性能实验数据

上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用次构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施所作的任何形式的简单改动修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，按照质量百分比计组成为：MoSi₂为7.0～9.0Wt％，Mo为5.5～7.5Wt％，W为4.0～6.0Wt％，ZrO₂为3.5～5.5Wt％，HfO₂为2.5～4.5Wt％，Y₂O₃为2.5～3.5Wt％,TiB₂为1.0～2.0Wt％，余量为Si。

2.一种钽钨合金高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：分别取抗氧化粉体、粘结剂、添加剂，其中抗氧化粉体采用权利要求1中记载的配比，将上述抗氧化粉体混合后，加入粘结剂聚乙二醇和添加剂无水乙醇进行液氮低温球磨制备涂层料浆，再用料浆熔烧法制备工艺在钽钨合金表面制备出高温抗氧化涂层。

3.如权利要求2所述的钽钨合金高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：得到的高温抗氧化涂层厚度为60～80μm。

4.如权利要求2所述的钽钨合金高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：其中抗氧化粉体为粒度不大于350目的粉末，粘结剂为聚乙二醇，粘结剂的添加量为3～5Wt％，添加剂为无水乙醇，添加剂的添加量为粉料体积的1～1.5倍。

5.如权利要求2所述的钽钨合金高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：其中液氮低温球磨15～20小时制得涂层料浆，然后将涂层料浆通过喷涂或浸涂的方法涂覆在钽钨合金基体上，再将涂覆好的钽钨合金基体在温度1500℃～1600℃，真空不低于1.0×10^-2Pa条件下烧结30～45分钟，即可形成高温抗氧化涂层。

6.一种钽钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法及钽钨合金螺套，其特征在于：表面覆盖有权利要求1中记载的钽钨合金高温抗氧化涂层材料的钽钨合金螺套。