專利名稱：：高溫抗氧化材料及由其制備的高溫抗氧化涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及目前常用于航空航天領(lǐng)域中的耐高溫難熔材料，尤其是一種高溫抗氧化材料，以及由其制備的高溫抗氧化涂層。
背景技術(shù)：
：隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，高效率發(fā)動機(jī)、超高音速飛行器以及許多高溫結(jié)構(gòu)件均需要能在130(TC180(TC下具有有效強(qiáng)度、抗氧化性及可加工性的材料。為此人們開發(fā)了以難熔金屬為主的多種高溫合金，其中鈮鎢合金系列，由于其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和高熔點(diǎn)、低密度性能是其他高溫材料難以比擬的，因而在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際使用中，幾乎所有的高溫合金都有在高溫下劇烈氧化而使材料遭到"災(zāi)亂性"破壞的問題，嚴(yán)重地限制了材料的應(yīng)用范圍。如鈮及鈮基合金大約在35(TC以上即劇烈氧化，鎢、鉬、鉭的發(fā)熱體常常因為高溫氧化而被局限于高真空條件下使用。隨著合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，高溫合金及其涂層的研究和應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。其中C103合金及其涂層適用于140(TC以下高溫范圍，已在國內(nèi)外持續(xù)使用了二、三十年，前蘇聯(lián)研制的5BMy是一種明顯優(yōu)于C103的航空航天用高溫材料，加涂涂層后可用于160(TC-170(TC高溫，據(jù)報道，錸、銥合金可使用到180CTC-200(TC,但其比重較大，價格太高。目前，航空航天用高溫鈮合金如C103合金，及其美國專利5，942，055和5，721，061等提到的鈮合金及其涂層一般只適用于140(TC以下穩(wěn)定使用，不能勝任160(TC以上高溫環(huán)境，不能滿足更高比沖及工作效率要求的發(fā)動機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供能夠在高溫環(huán)境中與鈮鎢合金配合使用，具有抗氧化腐蝕、抗沖刷等性能，并能夠廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)噴嘴、渦輪葉片、燃燒室以及其他高溫結(jié)構(gòu)部件上的一種高溫抗氧化材料；本發(fā)朋的另一目的是提供一種由上述高溫抗氧化材料制備的高溫抗氧化涂層。一種高溫抗氧化材料，其特征在于，組分為MoSi2為2.59.5Wt%，Mo為2.510.0Wt%，W為1.04.0Wt%，Hf02為0.11.5Wt%，Yi為1.08.0Wt%;余量為Si。一種高溫抗氧化材料，其特征在于，包括下列組份MoSi2為2.59.5Wt%，Mo為2.510.0Wt%，W為1.04.0Wt%，Hf02為0.11.5Wt%，Yi為1.08.0Wt%;以及下列組份中的至少一種Fe為1.54.0Wt%，Al為2.08.0Wt%，Ta為3.09.0Wt%，Ti為O.13.0Wt%，S為O.15.0Wt%，B為O.12.5Wt%;余量為Si。進(jìn)一步的，高溫抗氧化材料，其特征在于，組分為MoSi2為6.5Wt%，Mo為6.0Wt%，W為3.8Wt%，Hf02為1,5Wt%，Yi為6.0Wt%;Fe為3.5Wt%，Al為4Wt%，Ta為4.5Wto%，Ti為1Wt%，S為0.9Wt%，B為1.7Wt%;余量為Si。一種高溫抗氧化材料，Al為2.08.0Wt%%,Mo為2.510.0Wt%Zr為4.015.0Wt%;余量為Si。一種高溫抗氧化材料，Al為2.08.0Wt%%，Mo為2.510.0Wt%Zr為4.015.0Wt%;以及下列組份中的至少一種Fe為1.54.0Wt%，W為1.04.0Wt%，Hf02為0.11.5Wt%，Ti為0.13.0Wt%，B為0.12.5Wt%，Yi為1.08.0Wt%，V為1.02.5Wt%;余量為Si。進(jìn)一步的，高溫抗氧化材料，其特征在于，組分為Al為6.0Wt%，MoSi2為8.0Wt%，Ni為5Wt%，Mo為8.0Wt%，Ta為3.4Wt%，Cr為8.5Wt%，Zr為7.5Wt%;Fe為1.5Wt%，W為3.0Wt%，Hf02為1.2Wt%，Ti為0.5Wt%，B為2.0Wt%，Yi為2.4Wt%，V為2.2Wt%;余量為Si。一種高溫抗氧化涂層，其特征在于，可由下述方法制備取前述任意一種高溫抗氧化材料制成粒度為一300至一500后的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積3—7倍的乙醇或純水作載體，加前述粉末質(zhì)量1.52.3%的鉀鹽或鈉鹽后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.l0.3%的多聚乙二醇后再次均勻混合，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在基材上，在溫度1350°C1650°C，真空大于1.0X10-1Pa條件下進(jìn)行熔燒，保溫5—30分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。其中鉀鹽或鈉鹽是氯化鉀、氯化納、氟化鉀、或氟化鈉。其中基材是鈮鎢合金基材。其中涂層厚度控制在50—140微米。本發(fā)明技術(shù)方案的高溫抗氧化材料制備的涂層具有以下特征(1)、涂層具有良好的高溫抗氧化性在高溫(1600°C、1700°C、1800°C)靜態(tài)下的壽命較長，主要測試項目為空氣中靜態(tài)、熱震壽命；(2)、涂層表面均勻，涂層微觀結(jié)構(gòu)本發(fā)明研制的涂層由四層組成(具體見附圖1)。其中1表示第一層即所謂的第一阻擋層，為氧化物；2表示第二層即第二阻擋層為涂層主體，由此層生長氧化物；3表示第三層即第三阻擋層，為強(qiáng)化層，是區(qū)別于一般涂層的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)所在;4表示第四層為擴(kuò)散層，屬于內(nèi)擴(kuò)散層型涂層。作為氧的阻擋層的這四層，通常決定了涂層的質(zhì)量與壽命。(3)、涂層主要成分為含Si、Y等不同元素組成的金屬間化合物，這種涂層在高溫抗氧化環(huán)境下表面生成半玻璃體，起氧的阻擋層作用。氧化膜生成速度低，且具有很強(qiáng)的缺陷自愈能力。(4)、涂層后的鈮鴨合金不僅具有很強(qiáng)的高溫抗氧化性同時也保持原有的優(yōu)異力學(xué)性能，且該鈮鎢合金與鈦合金焊接后涂層性能仍然良好。附圖1為本發(fā)明制備的涂層典型斷面形貌；附圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的涂層表面形貌；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的涂層斷面形貌；附圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的涂層表面形貌。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明的涂層體系以及相應(yīng)工藝，制備了一種涂層配方，按重量百分比計算含有下表所列的組分表1涂層粉料配比<table><row><column>粉料名稱</column><column>Fe</column><column>Al</column><column>MoSi2</column><column>Mo</column><column>W</column><column>Ta</column><column>HfO2</column><column>Ti</column><column>S</column><column>B</column><column>Yi</column><column>Si</column></row><row><column>wt%</column><column>3.5</column><column>4</column><column>6.5</column><column>6.0</column><column>3.8</column><column>4.5</column><column>1.5</column><column>1</column><column>0.9</column><column>1.7</column><column>6.0</column><column>余量</column></row><table>將上表所列組分制成粒度為一400目的粉末并放入容器中，加入粉末總體積5倍的無水乙醇作載體，然后加入占粉末總質(zhì)量2.0%的氯化納，通過攪拌使其均勻混合，另加占粉末總質(zhì)量0.2%的多聚乙二醇作為粘結(jié)劑，跟涂層粉料混合在一起進(jìn)行研磨，使得涂層粉料混合均勻。將配置好的涂層料漿涂敷在鈮鎢合金零件上，涂層厚度控制在100微米，然后在溫度1500℃，保溫30分鐘，真空度大于1X10—1Pa條件下進(jìn)行熔燒，最后制得涂層產(chǎn)品。將制得的涂層產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測1)對涂層表面觀察并做金相分析，熔燒后的涂層呈現(xiàn)光亮的銀色，表面金相分析表明，涂層晶粒均勻，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具體見附圖2;2)通過對涂層斷面做探針分析，該涂層有明顯的分層現(xiàn)象，具體見附圖3;3)涂層壽命性能檢測在空氣中進(jìn)行1700℃，1800℃靜態(tài)連續(xù)測試，1600℃-室溫?zé)嵴鹦阅軠y試(進(jìn)行熱震測試時，升溫至1600℃和降溫過程中均設(shè)為18秒)。具體性能見下表2表2涂層性能壽命檢測<table><row><column>名稱</column><column>測試狀態(tài)</column><column>測試壽命</column><column>備注</column></row><row><column>實(shí)例一</column></row><row><column>1600℃熱震</column><column>>2000次</column><column>--</column></row><row><column>1700℃靜態(tài)</column><column>20--35小時</column><column>--</column></row><row><column>1800℃靜態(tài)</column><column>8—15小時</column><column>--</column></row><table>4)基材與基材-涂層的室溫力學(xué)性能、焊接性能比較表3基材/基材-涂層的室溫力學(xué)性能<table><row><column>測試參數(shù)(室溫)</column><column>6b(Mpa)</column><column>60.2(Mpa)</column><column>E(Gpa)</column><column>6(%)</column><column>硬度HV/5kg(M態(tài))</column></row><row><column>基材力學(xué)性能</column><column>512.2525</column><column>385430</column><column>90117</column><column>2125</column><column>168187</column></row><row><column>基材涂層性能</column><column>461495</column><column>320380</column><column>92108</column><column>2030.2</column><column>168174</column></row><row><column>基材焊接性能</column><column>460490</column><column>350420</column><column>96114</column><column>2126.3</column><column>179186</column></row><row><column>焊接涂層性能</column><column>455487</column><column>324~418.4</column><column>89.497</column><column>2431.4</column><column>186197</column></row><table>5)基材與基材-涂層的高溫力學(xué)性能、焊接性能比較表4基材與基材-涂層高溫力學(xué)性能<table><row><column>測試參數(shù)</column><column>60.2</column><column>E</column><column>S</column></row><row><column>1600℃</column><column>(Mpa)</column><column>(Mpa)</column><column>(Gpa)</column><column>(%)</column></row><row><column>基材力學(xué)性能112115</column><column>97103</column><column>7075.1</column><column>3545</column></row><row><column>基材焊接性能103121</column><column>97115.3</column><column>7274.6</column><column>20.924</column></row><row><column>焊接涂層性能76.577.9</column><column>74.287</column><column>7073</column><column>31.133.9</column></row><table>實(shí)施例2通過對涂層粉料進(jìn)行優(yōu)化范圍，按重量百分比計算，見下表:表5涂層粉料配比<table><row><column>粉料名稱</column><column>FeAl</column><column>MoSi2</column><column>NiMo</column><column>WTa</column><column>,2Ti</column><column>B</column><column>Cr</column><column>Yi</column><column>V</column><column>Zr</column><column>Si</column></row><row><column>Wt%</column><column>1.56</column><column>8</column><column></column><column>58.0</column><column>33.4</column><column>1.2</column><column>0.5</column><column>2.0</column><column>8.5</column><column>2.4</column><column>2.2</column><column>7.5余量</column></row><table>將上表所列組分制成粒度為一400目的粉末并放入容器中，加入粉末總體積5倍的純水作載體，然后加入占粉末總重量2.0%的氯化鉀，通過攪拌使其均勻混合，另加占粉末總重量0.2%的多聚乙二醇作為粘結(jié)劑，跟涂層粉料混合在一起進(jìn)行研磨，使得涂層粉料混合均勻和充分合金化。將配置好的涂層料槳涂敷在鈮鎢合金零件上，涂層厚度控制在100微米，然后在溫度150(TC，保溫30分鐘，真空度大于1X10—1Pa條件下進(jìn)行熔燒，最后制得涂層產(chǎn)品。將制得的涂層產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測1)對涂層表面進(jìn)行觀察并做了掃描電鏡，熔燒后的涂層呈現(xiàn)均勻的灰色，對表面做掃描電鏡，具體見附圖4;2)涂層抗氧化壽命檢測通過對實(shí)例二涂層抗氧化壽命性能進(jìn)行檢測，其高溫170(TC靜態(tài)性能優(yōu)于實(shí)施例一涂層性能。表612#涂層配方測試壽命<table>complextableseeoriginaldocumentpage</column></row><table>實(shí)施例3取下列組份的復(fù)合材料MoSh為2.5Wt%，Mo為2.5Wt%，W為1.0Wt%，Hf02為0.1Wt%，Yi為1.0Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一300目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積3倍的無水乙醇作載體，加前述粉末質(zhì)量1.5%的氯化鉀后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.1%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在50微米，在溫度135'C，真空大于1.0X10—卞a條件下進(jìn)行熔燒，保溫5分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。實(shí)施例4取下列組份的復(fù)合材料MoSh為9.5Wt%，Mo為10.0Wt%，W為4.0Wt%，Hf02為1.5Wt%，Yi為8.0Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一500目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積7倍的純水作載體，加前述粉末質(zhì)量2.3%的氯化納后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.3%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在140微米，在溫度1650。C，真空大于1.0X10—'Pa條件下進(jìn)行熔燒，保溫30分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。實(shí)施例5取下列組份的復(fù)合材料MoSh為5.5Wt%，Mo為7.0Wt%，W為2.5Wt%，Hf02為1.2Wt%，Yi為5.0Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一400目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積5倍的純水作載體，加前述粉末質(zhì)量1.9%的氟化鉀后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.2%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在80微米，在溫度150(TC，真空大于1.0X10—卞a條件下進(jìn)行熔燒，保溫20分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。實(shí)施例6取下列組份的復(fù)合材料Al為2.0Wt%，MoSh為2.5Wt%，Ni為0.1Wt%，Mo為2.5Wt%，Ta為3.0Wt%，Cr為1.0Wt%，Zr為4.0Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一300目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積3倍的無水乙醇作載體，加前述粉末質(zhì)量1.5%的氯化鉀后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.1%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在50微米，在溫度135°C，真空大于1.0X10—'Pa條件下迸行熔燒，保溫5分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。實(shí)施例7取下列組份的復(fù)合材料Al為8.0Wt%，MoSi2為9.5Wt%，Ni為5.8Wt%，Mo為10.0Wt%，Ta為9.0Wt%，Cr為10.0Wt%，Zr為15.0Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一500目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積7倍的純水作載體，加前述粉末質(zhì)量2.3%的氯化納后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.3%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在140微米，在溫度1650。C，真空大于1.0X10—卞a條件下進(jìn)行熔燒，保溫30分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。實(shí)施例8取下列組份的復(fù)合材料Al為5.0Wt%，MoSL為6.5Wt%，Ni為3.2Wt%，Mo為6.5Wt%，Ta為5.8Wt%，Cr為7.2Wt%，Zr為8.2Wt%，余量為Si。將上述復(fù)合材料制成粒度為一400目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積5倍的純水作載體，加前述粉末質(zhì)量1.9%的氟化鉀后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.2%的多聚乙二醇，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在鈮鎢合金基材上，涂層厚度控制在80微米，在溫度150(TC，真空大于1.0X10—卞a條件下進(jìn)行熔燒，保溫20分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。另外，本發(fā)明上述全部實(shí)施例中使用的鈮鎢合金均為寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司的產(chǎn)品。權(quán)利要求1、一種高溫抗氧化材料，其特征在于，組分為Al為2.0～8.0Wt％，MoSi2為2.5～9.5Wt％，Ni為0.1～5.8Wt％，Mo為2.5～10.0Wt％，Ta為3.0～9.0Wt％，Cr為1.0～10.0Wt％，Zr為4.0～15.0Wt％；余量為Si。2、一種高溫抗氧化材料，其特征在于，包括下列組份.-Al為2.08.0Wt%，MoSi2為2.59.5Wt%，Ni為0.15.8Wt%，Mo為2.510.0Wt%，Ta為3.09.0Wt%，Cr為1.010.0Wt%，Zr為4.015.0Wt%;以及下列組份中的至少一種Fe為1.54.0Wt%，W為1.04.0Wt%，Hf。2為0.11.5Wt%，Ti為0.13,0Wt%，B為0.12.5Wt%，Yi為1.08.0Wt%，V為1.02.5Wt%;余量為Si。3、如權(quán)利要求2所述的高溫抗氧化材料，其特征在于，組分為Al為6.0Wt%，MoSi2為8.0Wt%，Ni為5Wt%，Mo為8.0Wt%，Ta為3.4Wt%，Cr為8.5Wt%，Zr為7.5Wt%;Fe為1.5Wt%，W為3.0Wt%，,2為1.2Wt%，Ti為0.5Wt%，B為2.0Wt%，Yi為2.4Wt%，V為2.2Wt%;余量為Si。4、一種高溫抗氧化涂層，其特征在于，可由下述方法制備取權(quán)利要求1至3中任意一種高溫抗氧化材料制成粒度為一300至一500目的粉末并放入容器中，使用前述粉末體積3—7倍的乙醇或純水作載體，加前述粉末質(zhì)量1.52.3%的鉀鹽或鈉鹽后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.10.3%的多聚乙二醇后再次均勻混合，制得涂層料漿，然后將該涂層料漿涂覆在基材上，在溫度1350°C1650°C，真空大于l.OXl(TPa條件下進(jìn)行熔燒，保溫5—30分鐘，即可形成高溫抗氧化涂層。5、如權(quán)利要求4所述的高溫抗氧化涂層，其特征在于其中鉀鹽或鈉鹽是氯化鉀、氯化納、氟化鉀、或氟化鈉。6、如權(quán)利要求4所述的高溫抗氧化涂層，其特征在于其中基材是鈮鎢合金基材。7、如權(quán)利要求4所述的高溫抗氧化涂層，其特征在于其中涂層厚度控制在50—140微米。全文摘要本發(fā)明涉及目前常用于航空航天領(lǐng)域中的耐高溫難熔材料，尤其是一種高溫抗氧化材料，以及由其制備的高溫抗氧化涂層。該涂層是將高溫抗氧化材料制成粉末放入容器中，使用前述粉末體積3-7倍的乙醇或純水作載體，加前述粉末質(zhì)量1.5～2.3％的鉀鹽或鈉鹽后均勻混合，另加前述粉末質(zhì)量0.1～0.3％的多聚乙二醇后再次均勻混合，然后將該涂層料漿涂覆在基材上，在溫度1350℃～1650℃，真空大于1.0×10^-1Pa條件下進(jìn)行熔燒，保溫5-30分鐘即。該涂層能夠在高溫環(huán)境中與鈮鎢合金配合使用，具有抗氧化腐蝕、抗沖刷等性能，并能夠廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)噴嘴、渦輪葉片、燃燒室以及其他高溫結(jié)構(gòu)部件上。文檔編號C04B35/515GK101200372SQ20071016507公開日2008年6月18日申請日期2006年10月19日優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日發(fā)明者周小軍,孫本雙,彬李,李海軍,王秋迎,鄭金鳳,林陳,韓建川申請人:寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司