CN114164428B - 一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 - Google Patents
一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114164428B CN114164428B CN202111218154.4A CN202111218154A CN114164428B CN 114164428 B CN114164428 B CN 114164428B CN 202111218154 A CN202111218154 A CN 202111218154A CN 114164428 B CN114164428 B CN 114164428B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resistant
- niobium
- oxide
- metal
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 87
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 28
- 238000002679 ablation Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 102
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 101
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 71
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 55
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 42
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 166
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 46
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 40
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 28
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000010288 cold spraying Methods 0.000 claims description 18
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 18
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 18
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 15
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 14
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 13
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 14
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- WTKKCYNZRWIVKL-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta+5] WTKKCYNZRWIVKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Inorganic materials O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical compound [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 3
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- WTFUTSCZYYCBAY-SXBRIOAWSA-N 6-[(E)-C-[[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]methyl]-N-hydroxycarbonimidoyl]-3H-1,3-benzoxazol-2-one Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)C/C(=N/O)/C1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 WTFUTSCZYYCBAY-SXBRIOAWSA-N 0.000 description 1
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005328 electron beam physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- CNRZQDQNVUKEJG-UHFFFAOYSA-N oxo-bis(oxoalumanyloxy)titanium Chemical compound O=[Al]O[Ti](=O)O[Al]=O CNRZQDQNVUKEJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
- C23C28/322—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer only coatings of metal elements only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
- C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
- C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
- C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- 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
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/10—Oxidising
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明公开了提供一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法，包括铌基合金基体，所述铌基合金基体上制备有多层梯度涂层材料，所述每层梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，所述金属层总厚度为40‑300μm。本发明通过打破传统铌合金材料的工作极限，提高铌合金材料的耐高温、抗氧化和耐烧蚀的性能；将铌基合金的长期服役温度提高到2000℃以上，显著提高了传统铌合金材料的工作极限。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法。
背景技术
金属铌属于难熔金属，熔点超过2400℃，在极高的温度范围内(1000-1470℃)具有极高的强度，同时金属铌具有优异的塑性，加工和焊接性能良好，因此能够制造成为薄板和外形复杂的零件，在航空航天领域常常作为热防护和结构材料使用。然而在航空航天应用中，铌基合金的工作环境温度通常超过1000℃，而金属铌在有氧环境下温度超过700℃时即发生氧化生成五氧化二铌(Nb2O5)，而由于金属铌和五氧化二铌之间的热物理性能差异导致氧化铌从金属铌表面迅速剥落，因此使得铌基合金失效无法使用。
鉴于上述情况，有必要研究一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法，旨在通过打破传统铌合金材料的工作极限，提高铌合金材料的耐高温、抗氧化和耐烧蚀的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个目的在于提供一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料，包括铌基合金基体，所述铌基合金基体上制备有多层梯度涂层材料，所述每层梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，所述金属层总厚度为40-300μm。
优选地，所述梯度涂层材料的层数大于等于2。
由于采用上述方法，在铌基合金基体表面制备不同层数的金属层/氧化物层梯度涂层，保持同一种金属层和氧化物层的相互交替有利于提高层与层之间的结合强度和高温化学相容性，从而延长涂层及铌基合金的使用寿命。并且可根据抗氧化、抗烧蚀和耐高温的具体要求制备不成层数的涂层，利用层与层之间的界面热阻提供隔热降温的作用；利用金属层在金属铌中的固溶度提高金属层与铌基合金的结合强度；利用金属层与氧化物层之间的化学相容性提高金属层与氧化物层的结合强度。
优选地，所述金属层为金属钽、铝、钛、钒和镁中的一种或者多种。
由于采用上述方法，金属钽、铝、钛、钒、镁作为粘结层利用了金属与铌之间的无限固溶体特性，金属层与铌之间可以相互扩散提高了层与层之间的结合强度，而金属层在铌表面提前与进来接触的氧气反应可以提高铌的抗氧性；通过冷喷涂、者电子束物理气象沉积或者真空大气等离子喷涂的方法制备致密金属层防止金属层内部氧化的同时防止裂纹产生使得氧气进入；金属层在空气中放置并表面局部加热后即可在表面形成致密氧化膜，其作为抗氧化层的存在简化了工艺并提高材料的抗氧化能力。且，所使用的的金属钽、铝、钛、钒、镁具有不同熔点，并且在空气中都极易氧化形成致密氧化膜对金属及基体进行氧化保护，可以根据不同的服役温度需求制备不同类型的金属层和氧化物层；并且利用金属层与氧化物层的界面热阻提供隔热降温的效果降低铌基合金表面温度，进一步增强铌基合金材料的抗高温氧化和抗烧蚀性能。
优选地，所述金属为球形粉末状，粒径为30-70微米。
优选地，所述氧化层为将金属层放置于空气中进行氧化获得对应的氧化物层，所述氧化层为氧化钽、氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化钒中的一种或者多种。
优选地，所述铌基合金基体表面通过冷喷涂的方法制备金属层。
本发明的第二个目的在于提供一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1:通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备40-300μm总厚度的金属层；
S2：将S1中所述的金属层放置于空气中使金属层的表层发生氧化，获得对应的氧化层；
S3：重复步骤S1和S2，从而在铌基合金基体上表面制备出多层梯度涂层材料。
优选地，所述S1中的冷喷涂方法为利用喷枪进行冷喷涂，在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
综上所述，相比于现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明通过在铌基合金基体表面制备梯度的金属层+氧化物层的梯度涂层材料，为铌基合金提供了耐腐蚀、抗氧化、耐烧蚀的性能，将铌基合金的长期服役温度提高到2000℃以上，打破了传统铌合金材料的工作极限。
2、本发明通过在金属铌中加入不同类型的金属元素，能通过成分调控和组织控制能够进一步提高铌基合金的各项性能从而扩大应用范围。
3、本发明通过在铌基合金表面制备多层金属层+氧化物层的梯度涂层材料，阻隔环境中的氧气与铌基合金接触反应从而防止五氧化二铌的生成，其中金属层与铌基合金具有优异的相容性使得层与层之间结合强度高，而金属层表面氧化物层的生成提供优异的阻氧传播作用；此外，根据工作环境的温度需求制备不同层数的梯度涂层材料，给铌基合金基体提供足够的隔热降温、抗氧化和抗烧蚀性能；通过多层梯度涂层材料结构的梯度涂层，可利用界面热阻提供突出的隔热降温作用，降低铌基合金的表面温度从而进一步抑制氧化的发生。
附图说明
图1为本发明耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料结构示意图；
图2为本发明耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料显微组织图；
图3为本发明铌基合金基体+2层多层梯度涂层材料与无涂层铌基合金材料在空气中1000℃保温后，在不同时间其质量变化情况图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本发明提出了一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法。参考图1，根据本发明的实施例，包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有2层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽粉末，金属层的厚度为150μm，氧化层为氧化钽陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备100μm厚度的钽金属层，所用的金属钽为粒径30-70μm的球形金属钽粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的钽金属层材料放置于空气中一段时间后使金属钽发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化钽陶瓷氧化层。
(3)重复步骤(1)和(2)的操作，从而在铌基合金基体表面制备出2层(金属层+氧化物层)的梯度涂层材料，最终获得符合不同服役环境需求的耐高温氧化抗烧蚀的铌合金材料。
实施例2：
本实施例2与实施例1的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有2层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属铝粉末，金属层的厚度为20μm，氧化层为氧化铝陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备20μm厚度的铝金属层，所用的金属铝为粒径30-70μm的球形金属铝粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的铝金属层材料放置于空气中一段时间后使金属铝发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化铝陶瓷氧化层。
(3)重复步骤(1)和(2)的操作，从而在铌基合金基体表面制备出2层(金属层+氧化物层)的梯度涂层材料，最终获得符合不同服役环境需求的耐高温氧化抗烧蚀的铌合金材料。
实施例3：
本实施例3与实施例1和2的区别在于：：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有3层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽、铝和镁粉末，金属层的厚度为100μm，氧化层为氧化钽、氧化铝和氧化镁陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备100μm厚度的钽金属层，所用的金属钽为粒径30-70μm的球形金属钽粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的钽金属层材料放置于空气中一段时间后使金属钽发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化钽陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备金属铝/氧化铝和金属镁/氧化镁涂层，从而获得所需的金属材料体系。
实施例4：
本实施例4与实施例1-3的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有5层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽、铝、镁、钛和钒粉末，金属层的厚度为60μm，氧化层为钽、铝、镁、钛和钒的氧化物陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备60μm厚度的钽金属层，所用的金属钽为粒径30-70μm的球形金属钽粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的钽金属层材料放置于空气中一段时间后使金属钽发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化钽陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备金属铝/氧化铝、金属镁/氧化镁、金属钛/氧化钛和金属钒/氧化钒的涂层，从而获得所需的金属材料体系。
实施例5：
本实施例5与实施例1-4的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有4层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽、镁、钛和钒粉末，金属层的厚度为50μm，氧化层为镁、钛和钒的氧化物陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备50μm厚度的铝金属层，所用的金属铝为粒径30-70μm的球形金属铝粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的铝金属层材料放置于空气中一段时间后使金属铝发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化铝陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备金属镁/氧化镁、金属钛/氧化钛和金属钒/氧化钒的涂层，从而获得所需的金属材料体系。
实施例6：
本实施例6与实施例1-5的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有2层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽和钒粉末，金属层的厚度为120μm，氧化层为钽和钒的氧化物陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备1200μm厚度的钽金属层，所用的金属钽为粒径30-70μm的球形金属钽粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的钽金属层材料放置于空气中一段时间后使金属钽发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化钽陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备金属钒/氧化钒的涂层，从而获得所需的金属材料体系。
实施例7：
本实施例7与实施例1-6的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有4层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属钽和钒粉末，金属层的厚度为70μm，氧化层为钽和钒的氧化物陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备70μm厚度的钽金属层，所用的金属钽为粒径30-70μm的球形金属钽粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的钽金属层材料放置于空气中一段时间后使金属钽发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化钽陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备和金属钒/氧化钒的涂层，具体涂层结构为金属钽/氧化钽+金属钒/氧化钒+金属钽/氧化钽+金属钒/氧化钒从而获得所需的金属材料体系。
实施例8：
本实施例8与实施例1-7的区别在于：包括铌基合金基体,在铌基合金基体上制备有3层梯度涂层材料，梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，金属层材料为粒径为30-70μm的球形金属镁、铝和钛粉末，金属层的厚度为50μm，氧化层为镁、铝和钛的氧化物陶瓷。
具体为：(1)通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备50μm厚度的镁金属层，所用的金属镁为粒径30-70μm的球形金属镁粉末；在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76MPa，喷涂距离30mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40g/min。
(2)将喷涂好的镁金属层材料放置于空气中一段时间后使金属镁发生氧化，即可在其表面形成致密的氧化镁陶瓷氧化层。
重复(1)和(2)的步骤在涂层表面一次制备金属铝/氧化铝和金属钛/氧化钛的涂层，从而获得所需的金属材料体系。
实施例9：本实施例为上述实施例的对比例
无涂层铌基合金材料
通过实验对上述实施例1-9的抗高温氧化性能和隔热降温效果进行测试，测试过程为制备涂层后在涂层表面和涂层与基体的界面装一个热电偶，利用火焰加热方式测量涂层表面和涂层与基体界面的温度进行测试(涂层表面加热温度到1600℃)，根据两者温度差得到涂层体系的隔热降温梯度，并称量测试前后(W1和W2)材料的总重量，铌合金的氧化将会导致其总质量的增加，因此增重率(W2-W1)/W1×100％可以用来衡量材料的抗烧蚀性能，增重越小则其耐高温抗氧化烧蚀性能越强。表1显示实施例1-9的材料结构体系，表2显示测试结果。
表1
| 层数 | 厚度 | 第一层 | 第二层 | 第三层 | 第四层 | 第五层 | |
| 实施例1 | 2 | 150 | 钽/氧化钽 | 钽/氧化钽 | - | - | - |
| 实施例2 | 2 | 20 | 铝/氧化铝 | 铝/氧化铝 | - | - | - |
| 实施例3 | 3 | 100 | 钽/氧化钽 | 铝/氧化铝 | 镁/氧化镁 | - | - |
| 实施例4 | 5 | 60 | 钽/氧化钽 | 铝/氧化铝 | 镁/氧化镁 | 钛/氧化钛 | 钒/氧化钒 |
| 实施例5 | 4 | 50 | 钽/氧化钽 | 镁/氧化镁 | 钛/氧化钛 | 钒/氧化钒 | - |
| 实施例6 | 2 | 120 | 钽/氧化钽 | 钒/氧化钒 | - | - | - |
| 实施例7 | 4 | 70 | 钽/氧化钽 | 钒/氧化钒 | 钽/氧化钽 | 钒/氧化钒 | - |
| 实施例8 | 3 | 50 | 镁/氧化镁 | 铝/氧化铝 | 钛/氧化钛 | - | - |
| 实施例9 | 0 | 0 | - | - | - | - | - |
表2
| 隔热降温梯度(℃) | 氧化增重率(％) | |
| 实施例1 | 159 | 20 |
| 实施例2 | 166 | 22 |
| 实施例3 | 229 | 10 |
| 实施例4 | 825 | 6 |
| 实施例5 | 526 | 8 |
| 实施例6 | 185 | 18 |
| 实施例7 | 711 | 7 |
| 实施例8 | 410 | 11 |
| 实施例9(对比例) | 0 | 82 |
如图2所示，本发明制备出的铌基合金基体、金属钽层和氧化钽层，层与层之间结合良好，没有气孔和裂纹的存在。
如图3所示，本发明实施例1中的的铌基合金基体+2层多层梯度涂层材料与实施例9中的无涂层铌基合金材料在空气中1000℃保温后，由于铌氧化后生成五氧化二铌会直接剥落导致无涂层合金的质量随时间增大不断减小，但是其总质量不断增大，因此具有涂层的合金材料其质量则变化不大，证明其具有优异的抗高温氧化特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料，其特征在于：包括铌基合金基体，所述铌基合金基体上制备有多层梯度涂层材料，每层梯度涂层材料由金属层和氧化层组成，总金属层厚度为40-300μm；
所述金属层为金属钽、铝、钛、钒和镁中的一种，不同金属层中的金属可以相同、也可以不同；
所述铌基合金基体表面通过冷喷涂的方法制备金属层；
所述耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1:通过冷喷涂的方法在铌基合金基体表面制备40-300μm厚度的金属层；
S2：将S1中所述的金属层放置于空气中使金属层的表层发生氧化，获得对应的氧化层；
S3：重复步骤S1和S2，从而在铌基合金基体上表面制备出多层梯度涂层材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料，其特征在于，所述S1中冷喷涂所用的原料为球形粉末状，粒径为30-70微米。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料，其特征在于，所述氧化层为将金属层放置于空气中进行氧化获得对应的氧化物层，所述氧化层为氧化钽、氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化钒中的一种，不同氧化层中的氧化物可以相同、也可以不同。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料，其特征在于，所述S1中的冷喷涂方法为利用喷枪进行冷喷涂，在喷涂过程中，以压缩氮气作为工作气体，喷涂压力0.76 MPa，喷涂距离30 mm，喷涂温度为1000℃，送粉速率为40 g/min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111218154.4A CN114164428B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111218154.4A CN114164428B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114164428A CN114164428A (zh) | 2022-03-11 |
| CN114164428B true CN114164428B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=80476931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111218154.4A Active CN114164428B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114164428B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114807709B (zh) * | 2022-04-22 | 2023-11-10 | 昆明理工大学 | 一种稀贵金属铌合金梯度材料及其制备方法 |
| CN114921691B (zh) * | 2022-05-19 | 2023-04-18 | 昆明理工大学 | 一种基于稀贵金属优化铌合金材料涂层及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1434158A (fr) * | 1964-11-25 | 1966-04-08 | Sfec | Perfectionnements aux revêtements protecteurs réfractaires, et procédé de fabrication de ces éléments |
| JP2003253302A (ja) * | 2002-02-26 | 2003-09-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 耐酸化被覆ニオブ基合金及びその製造方法 |
| CN112593184A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-04-02 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | 提高铌基合金抗氧化性能的方法、应用及抗氧化铌基合金 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7381658B2 (en) * | 2005-07-05 | 2008-06-03 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Encapsulation of nano-dimensional structures by oxidation |
| TWI428465B (zh) * | 2010-04-22 | 2014-03-01 | Univ Nat Taiwan Ocean | 內部氧化層狀結構及其製作方法 |
| JP6050888B2 (ja) * | 2013-03-07 | 2016-12-21 | 株式会社日立製作所 | 基材上へのアルミナイド皮膜の形成方法 |
-
2021
- 2021-10-20 CN CN202111218154.4A patent/CN114164428B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1434158A (fr) * | 1964-11-25 | 1966-04-08 | Sfec | Perfectionnements aux revêtements protecteurs réfractaires, et procédé de fabrication de ces éléments |
| JP2003253302A (ja) * | 2002-02-26 | 2003-09-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 耐酸化被覆ニオブ基合金及びその製造方法 |
| CN112593184A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-04-02 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | 提高铌基合金抗氧化性能的方法、应用及抗氧化铌基合金 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114164428A (zh) | 2022-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114164428B (zh) | 一种耐高温抗氧化耐烧蚀的铌合金材料及其制备方法 | |
| US7910051B2 (en) | Low-energy method for fabrication of large-area sputtering targets | |
| US5677060A (en) | Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products | |
| RU2469126C2 (ru) | Способ нанесения покрытия на поверхность субстрата и продукт с покрытием | |
| US4330575A (en) | Coating material | |
| CN105734500B (zh) | 一种具有复合结构的抗高温氧化热障涂层及其制备方法 | |
| CN108048778B (zh) | 层状复合硅化物/玻璃陶瓷高温抗氧化涂层及其制备方法 | |
| US3977660A (en) | Blast-furnace tuyere having excellent thermal shock resistance and high durability | |
| CN109881196B (zh) | 一种包含内壁抗氧化涂层的主蒸汽管道及其制备方法 | |
| CN113969394B (zh) | 一种铌合金表面耐高温高阻氧隔热涂层及其制备方法 | |
| CN104711457B (zh) | 一种高温焊料及其应用 | |
| CN113388830A (zh) | 一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法 | |
| JP5764506B2 (ja) | セラミックス多孔体−金属断熱材及びその製造方法 | |
| US20010054500A1 (en) | Titanium-based heat exchangers and methods of manufacture | |
| CN105154878A (zh) | 一种α-Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法 | |
| CN110863167A (zh) | 一种铌钨合金超高温抗氧化涂层结构及其制备方法 | |
| CN104928674B (zh) | 埋覆复合处理提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法 | |
| CN114163260A (zh) | 一种无人机表面的陶瓷基复合材料体系及其制备方法 | |
| CN110872713B (zh) | 一种y/y2o3金属陶瓷防护涂层的冷喷涂制备方法 | |
| CN114164386B (zh) | 一种低空飞行器表面的复合梯度涂层及其制备方法 | |
| CN114807709B (zh) | 一种稀贵金属铌合金梯度材料及其制备方法 | |
| CN114921691B (zh) | 一种基于稀贵金属优化铌合金材料涂层及其制备方法 | |
| CN113981381A (zh) | 一种火灾低空飞行救援无人机机身轻质材料表面涂层及其制备方法 | |
| CN113118446A (zh) | 一种层状贵金属复合材料的制备方法 | |
| JP2805022B2 (ja) | 炭素材の接合方法その方法による接合物及びその接合物を用いた材料 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |