CN113308689A - 一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料及其制备方法，涂层材料的组份按质量百分数计包括：TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％。本发明制备的高温抗氧化涂层不但具有很好的高温抗氧化性、多次脉冲性能，而且涂层与基材的结合力强，涂层结构致密，使用温度可达1800℃。解决了巡航飞行器发动机升级换代中高温材料高温氧化难题，为升级换代的新型发动机提供材料保障。本发明研制的涂层，除可在航空、航天巡航飞行器领域应用外，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和良好的社会效益。

Description

一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温材料表面处理技术领域，尤其涉及一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料及其制备方法。
背景技术
发动机是航空、航天巡航飞行器的动力系统，为巡航飞行器提供飞行动力，发动机的性能直接体现巡航飞行器的技术水平。由于发动机工作温度高，高温部件对其材料性能的要求十分苛刻，材料需要同时满足高熔点、高强度、高温抗氧化、多次脉冲等性能。铌钨合金是近年来研制的新一代宇航材料，具有良好的常温、高温力学性能和加工性能，已在航空、航天巡航飞行器领域实现了工程化应用。随着科学技术的发展和发动机的升级换代，发动机的工作温度不断提升，对其材料性能的要求愈加苛刻。在铌钨合金领域，C103合金及配套涂层是第一代宇航材料，其应用温度在1200℃～1400℃，Nb521合金及配套涂层为第二代宇航材料，其应用温度在1400℃～1600℃。
随着空间探测技术及巡航飞行器的高速发展，发动机的比冲越来越大，工作温度越来越高，同时对高温材料提出更高的性能要求。针对新的材料要求，目前已研发高强新型铌钨合金-Nb6621合金，应用温度可达1600℃～1800℃,且室温和高温力学性能均优于C103和Nb521合金。但是铌及其合金在600℃～800℃会发生剧烈氧化，严重制约了其在高温含氧环境下的应用。解决铌合金高温氧化的途径主要有合金化和合金表面制备防护涂层两种方式。合金化在一定程度上可以改善合金的高温抗氧化性能，但合金化受合金元素添加量的制约，添加元素超限会使合金的力学性能明显下降，添加元素不足则起不到抗氧化的防护作用，而在合金表面制备高温抗氧化防护涂层，对合金力学性能影响甚微，并能有效防护合金在高温含氧环境下氧化，是兼顾铌合金高温力学性能与抗氧化性能的有效途径。
然而，涂层高温抗氧化性能直接制约了发动机用铌钨合金的工作温度，同时影响了巡航飞行器发动机的质量和性能。由于不同材料的热膨胀系数不同，铌钨合金与涂层材料的兼容性也不同，故不同的合金必须使用匹配的配套涂层。因此对于新研发的新型铌钨合金-Nb6621合金，必须开发新配套涂层以满足新型铌钨合金-Nb6621合金在1600℃～1800℃应用。
因此，研究新型铌钨合金-Nb6621合金配套高温抗氧化涂层，实现高性能新材料在新型发动机上的成功应用，为发动机升级换代提供材料保障，是目前需要解决的主要问题。
发明内容
本发明提供了一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料及其制备方法，涂层不但具有很好的高温抗氧化性、多次脉冲性能，而且涂层与基材的结合力强，涂层结构致密。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，所述涂层材料的组份按质量百分数计包括：TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％。
进一步地，所述TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si均为粉体，且所述粉体的粒度为200目以下。
进一步地，所述涂层材料的组份还包括添加剂，所述添加剂为无水乙醇。
进一步地，所述添加剂的添加量为粉体体积的1～1.5倍。
进一步地，所述涂层材料的组份还包括粘结剂，所述粘结剂为聚乙二醇。
进一步地，所述聚乙二醇的质量百分数为2～3Wt％。
本发明还提供了一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si粉体与粘结剂按配比混合，形成第一产品；
在第一产品中加入添加剂，形成第二产品，其中，所述添加剂的添加量为粉料体积的1～1.5倍；
用球磨机对第二产品进行8～10小时研磨制得涂层料浆；
将涂层料浆通过喷涂或浸涂的方法涂覆在新型铌钨合金基体上；
将涂覆好的合金基体烧结，即可形成高温抗氧化涂层，其中，烧结温度为1500℃～1550℃，真空度为优于1.0×10-2Pa，烧结时间为30～40分钟。
进一步地，涂层厚度在60～120μm。
进一步地，所述添加剂为无水乙醇；所述粘结剂为聚乙二醇。
进一步地，所述配比为TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％、粘结剂为2～3Wt％。
采用本发明的技术方案的有益效果如下：
本发明制备的高温抗氧化涂层不但具有很好的高温抗氧化性、多次脉冲性能，而且涂层与基材的结合力强，涂层结构致密，使用温度可达1800℃。由于铌钨合金是新一代航空、航天巡航飞行器、武器装备发动机的重要结构材料，新型铌钨合金-Nb6621合金配套涂层材料及涂层研究，实现高性能新材料在新型发动机上的成功应用，解决了巡航飞行器发动机升级换代中高温材料高温氧化难题，为升级换代的新型发动机提供材料保障。本发明研制的涂层，除可在航空、航天巡航飞行器领域应用外，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和良好的社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法的涂层表面形貌图；
图2为本发明一实施例的一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法的涂层截面形貌图；
图3为本发明一实施例的一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法的涂层截面结构图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的示例。
本发明的目的是提供一种能够在1600℃～1800℃高温环境中与新型铌钨合金-Nb6621合金配套使用，具有超高温、强脉冲、与基材结合力强、结构致密、性能优异的一种铌钨合金高温抗氧化涂层材料及制备方法，解决航空、航天巡航飞行器、新型超音速发动机研制中材料高温抗氧化防护的难题。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高温结构部件上。具体如下所述。
本发明提供的一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，涂层材料的组份按质量百分数计包括：TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％。
其中，TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si均为粉体，且粉体的粒度为200目以下。
涂层材料的组份还包括添加剂，所述添加剂为无水乙醇。所述添加剂的添加量为粉体总体积的1～1.5倍。
涂层材料的组份还包括粘结剂，所述粘结剂为聚乙二醇。聚乙二醇的质量百分数为2～3Wt％。
本发明还提供一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si粉体与粘结剂按配比混合，形成第一产品；
在第一产品中加入添加剂，形成第二产品，其中，所述添加剂的添加量为粉料体积的1～1.5倍；
用球磨机对第二产品进行8～10小时研磨制得涂层料浆；
将涂层料浆通过喷涂或浸涂的方法涂覆在新型铌钨合金基体上；
将涂覆好的合金基体烧结，即可形成高温抗氧化涂层，涂层厚度在60～120μm，其中，烧结温度为1500℃～1550℃，真空度为优于1.0×10-2Pa，烧结时间为30～40分钟。
实施例1
将涂层原料粉体按照TaC为5.0Wt％，HfC为4.5Wt％,Al2O3为4.0Wt％，MoSi2为3.5Wt％，Ti为3.0Wt％，ZrO2为2.5Wt％，W为2.0Wt％，Y2O3为1.5Wt％，余量为Si配比混合。加入2.0Wt％聚乙二醇，再添加前述粉体总体积的1.0倍的无水乙醇后，用球磨机研磨8小时制得涂层料浆，将涂层料浆浸涂在新型铌钨合金-Nb6621合金基材上，将涂覆好的合金涂层件在1500℃，真空优于1.0×10-2Pa条件下烧结30分钟，制成高温抗氧化涂层。其中，涂层厚60μm。
实施例2
将涂层原料粉体按照TaC为6.0Wt％，HfC为5.0Wt％,Al2O3为4.3Wt％，MoSi2为3.8Wt％，Ti为3.5Wt％，ZrO2为2.8Wt％，W为2.5Wt％，Y2O3为1.7Wt％，余量为Si配比混合。加入2.5Wt％聚乙二醇，再添加前述粉体总体积的1.25倍的无水乙醇后，用球磨机研磨9小时制得涂层料浆，将涂层料浆喷涂在新型铌钨合金-Nb6621合金基材上，将涂覆好的合金涂层件在1525℃，真空优于1.0×10-2Pa条件下烧结35分钟，制成高温抗氧化涂层。其中，涂层厚度90μm。
实施例3
将涂层原料粉体按照TaC为7.0Wt％，HfC为5.5Wt％,Al2O3为4.5Wt％，MoSi2为4.2Wt％，Ti为4.0Wt％，ZrO2为3.0Wt％，W为3.0Wt％，Y2O3为2.0Wt％，余量为Si配比混合。加入3.0Wt％聚乙二醇，再添加前述粉体总体积的1.5倍的无水乙醇后，用球磨机研磨10小时制得涂层料浆，将涂层料浆浸涂在新型铌钨合金-Nb6621合金基材上，将涂覆好的合金涂层件在1550℃，真空优于1.0×10-2Pa条件下烧结40分钟，制成高温抗氧化涂层。其中，涂层厚度120μm。
从图1可以看出，涂层表面结构为互嵌式结构，涂层粉体颗粒间间隙烧结过程中由熔融状态Si填充，无孔洞和缝隙；
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68.94μm，(在60～120μm范围内)。
如图3，用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜对制得的新型铌钨合金-Nb6621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81MPa。
将制得的新型铌钨合金-Nb6621合金涂层进行高温抗氧化性能测试，结果见表1。
表1高温抗氧化性能测试数据
Figure BDA0003066897730000051
本发明提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本发明总的构思下的几个示例，并不构成本发明保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本发明方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述涂层材料的组份按质量百分数计包括：TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％。
2.根据权利要求1所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si均为粉体，且所述粉体的粒度为200目以下。
3.根据权利要求1或2所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述涂层材料的组份还包括添加剂，所述添加剂为无水乙醇。
4.根据权利要求3所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述添加剂的添加量为粉体体积的1～1.5倍。
5.根据权利要求1所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述涂层材料的组份还包括粘结剂，所述粘结剂为聚乙二醇。
6.根据权利要求5所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，所述聚乙二醇的质量百分数为2～3Wt％。
7.一种新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，用于制备如权利要求1～6任意一项所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料，其特征在于，包括以下步骤：
将TaC、HfC、Al2O3、MoSi2、Ti、ZrO2、W、Y2O3、Si粉体与粘结剂按配比混合，形成第一产品；
在第一产品中加入添加剂，形成第二产品，其中，所述添加剂的添加量为粉料体积的1～1.5倍；
用球磨机对第二产品进行8～10小时研磨制得涂层料浆；
将涂层料浆通过喷涂或浸涂的方法涂覆在新型铌钨合金基体上；
将涂覆好的合金基体烧结，即可形成高温抗氧化涂层，其中，烧结温度为1500℃～1550℃，真空度为优于1.0×10-2Pa，烧结时间为30～40分钟。
8.根据权利要求7所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，其特征在于，涂层厚度在60～120μm。
9.根据权利要求7所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，其特征在于，所述添加剂为无水乙醇；所述粘结剂为聚乙二醇。
10.根据权利要求7或9所述的新型铌钨合金高温抗氧化涂层材料的制备方法，其特征在于，所述配比为TaC为5.0～7.0Wt％、HfC为4.5～5.5Wt％、Al2O3为4.0～4.5Wt％、MoSi2为3.5～4.2Wt％、Ti为3.0～4.0Wt％、ZrO2为2.5～3.0Wt％、W为2.0～3.0Wt％、Y2O3为1.5～2.0Wt％、Si为66.8～74.0Wt％、粘结剂为2～3Wt％。
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