[发明专利]一种铌合金表面多层梯度复合高温抗氧化涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铌合金表面多层梯度复合高温抗氧化涂层及其制备方法，所述铌合金表面多层梯度复合高温抗氧化涂层包括依次形成在铌合金表面的底涂层和面涂层，所述底涂层的主成份为Nb₅Si₃和NbSi₂且含有Ti、Cr、Al、Hf和B元素；所述面涂层的主成份为Mo₅Si₃和MoSi₂且含有Hf和B元素。

技术领域

本发明涉及一种铌合金表面多层梯度复合高温抗氧化涂层及其制备方法，属于高温抗氧化涂层制备技术领域。

背景技术

铌合金因其具有较高的熔点、较低的密度、优异的高温强度和良好的抗热震性能等优点，被认为是一种重要的高温结构材料。但是，铌合金的抗高温氧化性能很差。为了解决这一问题，研究人员在其表面涂覆高温抗氧化涂层，解决了高温合金的高温力学性能和高温抗氧化性能之间的矛盾，使之可以广泛的应用于航空、航天。

目前，铌合金被广泛应用于双组元姿轨控发动机推力室部件。该部件上的高温抗氧化涂层主要为Si-Cr-Ti涂层，使用温度为1200-1350℃。随着发动机比冲要求的不断提高，发动机推力室喉口部位要求承受的温度也越来越高，现有的Si-Cr-Ti硅化物涂层体系已难以满足服役要求。为了进一步提高发动机的比冲，除了进行推力室结构优化设计外，主要途径就是选择能够承受更高工作温度和更强气流冲刷的推力室高温防护涂层。

MoSi₂涂层材料由于熔点高、密度适中、综合性能优异，被认为是非常有潜力的高温防护涂层材料。MoSi₂在高于1000℃氧化时在涂层表面形成一层连续致密的，具有自愈合的SiO₂玻璃膜，进而阻止了环境中的氧对内部MoSi₂的进一步氧化。随着氧化的不断进行，通过固态扩散作用MoSi₂逐渐转化成富钼相的Mo₅Si₃和Mo₃Si，而富钼相的Mo₅Si₃和Mo₃Si在高温下极易氧化生成挥发性的MoO₃，使材料的高温抗氧化性能急剧下降。因此，基于高温抗氧化涂层的设计原则，若想制备高性能、长时高温抗氧化涂层，则在氧化过程中必须不断有足量的Si作用于涂层表面用以形成连续致密的SiO₂膜，抑制氧的扩散；同时控制Si元素向涂层内部扩散的速度，提高涂层的服役寿命。

为了提高MoSi₂高温抗氧化性能，研究人员对MoSi₂材料进行一元或多元改性，如在MoSi₂材料中添加Al、WSi₂、W/Ge、B、稀土等元素，以期望获得高性能的MoSi₂材料。另外，研究人员开展了多层涂层的制备研究，制备的MoB层阻止Si向基材Mo的扩散，有利于表面SiO₂的形成，延长涂层的高温服役时间。研究结果虽然表明材料改性对涂层氧化性能提高有改善作用，但是涂层仍然难以满足高比冲发动机的使用要求。

在涂层制备方面，专利号为ZL200710192652.X的中国专利，公开了一种在铌合金表面首先采用真空料浆烧结制备钼层，然后再包埋渗硅制备MoSi₂涂层的方法，该涂层可实现在1650℃静态抗氧化时间达25小时。申请号为201610305944.9的中国专利，公开了一种采用真空离子镀和包渗工艺在铌合金表面制备的NbSi₂-MoSi₂涂层，使发动机的工作温度提高到1660℃，热试车寿命达到11小时。申请号为201610905438.3的中国专利，公开了一种采用高温氮化和包渗工艺在铌合金表面制备的NbSi₂-Si₃N₄涂层，可实现兼顾1250-1400℃的高温氧化性能与800-1100℃高温摩擦磨损性能。通过上述检索分析可以发现，当前的技术主要解决了1700℃以下温度、短时的抗氧化问题，未能有效解决1700℃以上温度、长时高温抗氧化问题。