專利名稱：一種在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，具體地說是一種在鋯鋁碳(Zr2Al3C4和Zr3Al3C5)陶瓷表面形成硅化物涂層的方法。
背景技術(shù)：
鋯鋁碳(Zr2Al3CjHr3Al3C5)陶瓷材料是新型的耐超高溫的三元材料。它們綜 合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、較強的破壞容忍性等優(yōu)點。在 航空、航天、核工業(yè)、超高溫結(jié)構(gòu)件等高新技術(shù)領(lǐng)域都有潛在的廣泛應(yīng)用前景。但作為高溫 結(jié)構(gòu)材料，它們的抗氧化性能不是很理想，限制了其在高溫氧化性環(huán)境中的應(yīng)用。因此， 通過表面改性，生成抗氧化的防護涂層是一種提高結(jié)構(gòu)材料抗氧化性的重要途徑。例如， Liu等用粉末包埋滲硅的方法在Ti3SiC2表面生成一種TiSi2/SiC層，提高了 Ti3SiC2的高 溫抗氧化性達兩個數(shù)量級(Mater. Res. Innnovations (材料研究創(chuàng)新雜志)6 (2002) 226)。 Xiang等用粉末包埋滲鋁的方法在合金鋼表面生成鋁化物涂層提高了合金鋼的抗氧化性能 (ActaMater.(材料學(xué)報)54 (2006) 4453)。但是目前還沒有鋯鋁碳陶瓷表面改性提高其抗 氧化性方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其工藝簡 單、成本低廉、實用性強，特別是能有效地提高鋯鋁碳陶瓷的抗氧化性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，以硅粉(Si)和氟化鈉(NaF)混合 而成的固體粉末混合物為滲料，將鋯鋁碳陶瓷材料放入滲料中，在惰性氣體保護下，以5 300C /min(優(yōu)選為10 20°C /min)的升溫速度加熱至900 1300°C (優(yōu)選為1000 1200°C )，保溫0. 5 5小時(優(yōu)選為1 2小時)，然后爐冷至室溫；經(jīng)過上述熱擴散處理， 樣品表面可形成2 150微米厚的二硅化鋯-碳化硅GrSi2-SiC)涂層，SiC與ZrSi2兩相 在涂層中均勻混合分布。按重量百分比計，本發(fā)明所述粉末混合物中成份組成為硅粉95 99%，氟化鈉 1 5% ；所述硅粉純度> 99. 00wt%，粒度< 0. 2毫米；氟化鈉為分析純；所述惰性氣體為 體積純度> 99%的氬氣。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.采用本發(fā)明所制備的涂層具有極高的結(jié)合強度和優(yōu)良的抗氧化性能。2.本發(fā)明采用的包埋原料粉簡單，為硅粉和氟化鈉粉。3.本發(fā)明制備硅化物涂層工藝簡單，將硅粉和氟化鈉粉的混合物包埋鋯鋁碳陶瓷 樣品，經(jīng)高溫熱擴散，獲得硅化物涂層。制備過程并不需施加外力，不用在真空中進行，并且 成本低廉。4.采用本發(fā)明能處理光滑表面，還能處理具有復(fù)雜表面的實際工件，實用性強。
5.由于本發(fā)明利用了 ZrSi2和SiC的優(yōu)異的抗氧化性能，所以應(yīng)用本發(fā)明將大大提高鋯鋁碳陶瓷材料的應(yīng)用范圍。


圖1為本發(fā)明^3Al3C5經(jīng)1200°C滲Si處理2小時后表面形成的硅化物涂層掃描 電鏡照片。圖2為本發(fā)明^2Al3C4經(jīng)不同溫度滲Si處理1小時后表面形成的硅化物涂層掃 描電鏡照片。(a) IOOO0C ； (b) IlOO0C ； (c) 1200°C。圖中，Resin代表樹脂；Scale代表硅化 物層，由ZrSi2和SiC組成；Substrate代表Zr2Al3C4基體。圖3為比較^2Al3C4經(jīng)滲Si處理后的樣品與未滲Si的^2Al3C4樣品的氧化增重 曲線；圖中，CementeC^r2Al3C4代表滲Si后的樣品。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例詳述本發(fā)明。實施例1本發(fā)明固體粉末混合物的組成硅粉純度彡99. OOwt %，粒度彡0. 2毫米；氟化鈉 為分析純。本實施例具體數(shù)據(jù)為Jr3Al3C5樣品尺寸為10mmX4mmX4mm，粉末混合物組成 以重量百分比計99%硅、氟化鈉，總重量為5g。抽系統(tǒng)真空至10Pa，然后充入氬氣 (99. 99% Ar)，加熱溫度為1200°C，升溫速度為15°C /min，保溫時間為2小時，爐冷至室溫 后取出試樣。生成的硅化物涂層截面見附圖1。涂層中黑色為SiC，灰色為&Si2，SiC與 ZrSi2兩相在涂層中均勻混合分布。涂層厚度約為60微米。實施例2與實施例1不同之處在于^2Al3C4材料樣品10mmX4mmX4mm，粉末混合物組成以重量百分比計98%硅、 2%氟化鈉，總重量為8g ；加熱溫度為1000°C，升溫速度為10°C /min，保溫時間為1小時，爐 冷至室溫后取出試樣。生成的硅化物涂層截面見附圖2(a)，SiC與&512兩相在涂層中均 勻混合分布，涂層厚度約為12微米。實施例3與實施例1不同之處在于Zr2Al3C4材料樣品8_X5_X5_，粉末混合物組成以重量百分比計97%硅、3% 氟化鈉，總重量為7g ；加熱溫度為1100°C，升溫速度為20°C /min，保溫時間為1小時，爐冷 至室溫后取出試樣。生成的硅化物涂層截面見附圖2(b)，SiC與&Si2兩相在涂層中均勻 混合分布，涂層厚度約為40微米。實施例4與實施例1不同之處在于Zr2Al3C4材料樣品6_X6_X5_，粉末混合物組成以重量百分比計96%硅、4% 氟化鈉，總重量為6g ；加熱溫度為1200°C，升溫速度為15°C /min，保溫時間為1小時，爐冷 至室溫后取出試樣。生成的硅化物涂層截面見附圖2(c)，SiC與&Si2兩相在涂層中均勻混合分布，涂層厚度約為53微米。比較例由非恒溫氧化對比實驗，見附圖3(a)可知，采用與實施例4工藝制備含硅化物涂 層的Zr2Al3C4的增重比不含涂層的Zr2Al3C4要低很多，特別是在1100°C以上。由恒溫氧化 對比實驗，見附圖3(b)可知，采用與實施例2-4工藝制備含硅化物涂層的Zr2Al3C4的增重 比不含涂層的^2Al3C4要低1-2個數(shù)量級。由此可見，含硅化物涂層的^2Al3C4的抗氧化性 能比不含涂層的^2Al3C4的抗氧化性能有了巨大的改進。
權(quán)利要求
一種在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其特征在于用硅粉和氟化鈉粉混合而成的固體粉末混合物為滲料，將鋯鋁碳陶瓷材料包埋在滲料中，在惰性氣體保護下，以5～30℃/min的升溫速度、在900～1300℃條件下、保溫0.5～5小時，進行熱擴散處理，然后爐冷至室溫，即在樣品表面形成以二硅化鋯-碳化硅涂層。
2.按照權(quán)利要求1所述的在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其特征在于按 重量百分計，所述粉末混合物的組成為硅粉95 99%，氟化鈉1 5%。
3.按照權(quán)利要求1所述的在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其特征在于二 硅化鋯_碳化硅涂層的厚度為2 150微米。
4.按照權(quán)利要求1所述的在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其特征在于所 述硅粉純度> 99. OOwt %，粒度< 0. 2毫米；氟化鈉為分析純。
5.按照權(quán)利要求1所述的在鋯鋁碳陶瓷表面形成硅化物涂層的方法，其特征在于所 述惰性氣體為純度> 99. 99%的氬氣。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，具體地說是一種在鋯鋁碳(Zr2Al3C4和Zr3Al3C5)陶瓷表面形成硅化物涂層的方法。該方法用硅粉和氟化鈉粉混合而成的固體粉末混合物為滲料，將鋯鋁碳陶瓷材料包埋在滲料中，在惰性氣體保護下，以5～30℃/min的升溫速度、在900～1300℃條件下、保溫0.5～5小時，進行熱擴散處理，然后爐冷至室溫，即在樣品表面形成以二硅化鋯-碳化硅涂層。相同氧化條件下涂層的氧化增重比鋯鋁碳陶瓷材料氧化增重降低了1-2個數(shù)量級，表明通過表面滲硅的方法可以極大地提高鋯鋁碳陶瓷材料的抗氧化性能。本發(fā)明將大大提高鋯鋁碳陶瓷材料的使用效率并拓寬其應(yīng)用范圍，使涂層具有極高的抗氧化性能。
文檔編號C04B41/85GK101823900SQ20091001056
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者何靈峰, 包亦望, 周延春 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所