[发明专利]Nb-Si基合金表面两步法制备Y和Al改性硅化物渗层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金热防护技术领域，具体涉及一种Nb-Si基合金表面两步法制备Y和Al改性硅化物渗层的制备方法。 

背景技术

Nb-Si基合金以其高熔点、低密度以及良好的高低温力学性能，被认为是航空、航天与核工业中高温结构件的重要候选材料。相比传统Nb合金(如C103，Nb521等)和简单Nb-Si二元合金，新型Nb-Si基合金经多元合金化(添加Ti,Cr,Hf和Al等)后的强韧性已接近工程化应用的水平，但其高温抗氧化性能距离作为高温结构材料使用的要求仍有差距，且已成为阻碍其应用的关键性问题。在表面制备防护涂层是提高新型Nb-Si基合金高温抗氧化性能的最有效途径。 

硅化物涂层是Nb基合金表面应用最广的高温抗氧化涂层体系。目前国内外发展的硅化物涂层体系有Ti-Cr-Si系、Fe-Cr-Si系、Mo-Si系、Ti-Si系以及Nb-Si系等。虽然某些体系已应用于航空航天Nb合金部件的表面防护上，但却一直存在着制备工艺繁琐、涂层组织结构可控性差、缺陷多以及抗氧化寿命短等问题。以Nb-Si系为例，NbSi₂是Nb-Si二元合金中含Si量最高、抗氧化性能最好的硅化物，且采用包埋渗法及熔盐法等简单工艺即可较容易地在Nb基合金表面制备出组织均匀、厚度可控及与基体结合较强的NbSi₂渗层。但单一NbSi₂渗层的抗氧化效果并不理想，需要添加其它元素来进行改性。Al元素的添加有助于硅化物渗层韧性的增加，同时Al氧化后生成的Al₂O₃具有较好的防氧扩散和渗透的能力，它可与SiO₂结合生成SiO₂-Al₂O₃结构，弥合渗层裂纹，增加SiO₂的粘性，使得氧化膜能长时间保持致密、连续。而稀土元素Y则是一种常见的用以提高渗层抗氧化性能的活性元素，因此，可考虑同时使用Al和Y元素对硅化物渗层进行改性。 

包埋渗法是Nb基合金表面制备改性硅化物渗层普遍应用的方法之一，具有所需设备简单、成本低、对基体合金尺寸限制小的优点。文献(张平，郭喜平，Al对Nb-Ti-Si基合金表面Si-Al-Y₂O₃共渗层的影响，金属学报201046(7):821-831；Ping Zhang,Xiping Guo,A Comparative Study of Two Kinds of Y and Al Modified Silicide Coatings on an Nb-Ti-Si Based Alloy Prepared by Pack Cementation Technique,Corrosion Science,201153(12):4291-4299；张超峰，郭喜平，Nb-Ti-Si基超高温合金表面Si-Al-Y共渗层的组织形成，无机材料学报201025(11):1209-1216)。通过Si-Al-Y₂O₃或Si-Al-Y包埋共渗技术在Nb-Ti-Si基合金表面制备了多种抗氧化Si-Al-Y共渗层，渗层结构各异且在1250℃下的抗氧化能力参差不齐。这些工作发现经过适量Y和Al进行改性且不破坏硅化物组织完整性的渗层体系具有良好的长时抗氧化性能。但在采用包埋共渗法制备Y和Al改性硅化物渗层时，为了能获得设计结构的渗层，需要对渗剂中被渗元素粉末之间的比例及其他工艺参数(如温度和时间等)进行合适的调整，即使实验前可借助如ChemSage或Thermo-Cacl等软件对共渗过程进行热力学计算以提前对其参数进行优化，但由于后续制备过程中各元素扩散及相形成热力学、动力学之间的差异，仍需要多次试验来确定多元共渗的最佳条件，这就造成了工程实际应用中资源的浪费与效益的降低。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种Nb-Si基合金表面两步法制备Y和Al改性硅化物渗层的制备方法，通过首先Si-Y₂O₃共渗在合金表面制备Y改性硅化物渗层，然后再对其进行一次后续的Al-Y₂O₃共渗处理。 

技术方案 

一种Nb-Si基合金表面两步法制备Y和Al改性硅化物渗层的制备方法，其特征在于步骤如下：