一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法，屬于高溫涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫抗氧化涂層的制備方法及性能。
【背景技術(shù)】
[0002]雙組元液體推進(jìn)劑姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代空間飛行器及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于軌道控制、姿態(tài)調(diào)整等。近年來(lái)，新型飛行器或武器的研制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求不斷提高，要求其提高比沖，增加室壓，從而減少推進(jìn)劑的消耗量和減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，以及延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命或增大戰(zhàn)略武器射程。推力室許用溫度是決定發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的主要因素之一，而推力室材料及高溫抗氧化涂層性能則決定了推力室的工作溫度和抗沖刷性能。目前，我國(guó)應(yīng)用于空間飛行器軌道導(dǎo)入和姿態(tài)控制的雙組元液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用硅化物涂層的鉭合金作推力室材料。對(duì)于鉭鉿-硅鉻鈦發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，基體采用鉭鉿合金，涂層工藝和體系為料漿燒結(jié)的硅鉻鈦涂層以及硅鉻鈦鉿涂層，其工作溫度為1400°C左右。
[0003]現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)推力室材料以及涂層體系不能滿足新一代高比沖長(zhǎng)壽命軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推力室的更高的要求。根據(jù)新一代軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推力室提出的要求，推力室選擇耐高溫更強(qiáng)的鉭合金，在其表面研制抗高溫氧化的硅化鉬涂層體系是一種解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明的一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法，步驟為:
[0007]第一步:鉭合金表面鉬涂層制備
[0008]I)根據(jù)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力室形狀尺寸制備陰極鉬靶材，并除去鉬靶材表面的污染物，比如油漬，然后安裝在真空陰極電弧沉積設(shè)備上，作為陰極；對(duì)真空陰極電弧沉積設(shè)備抽真空，在真空條件下對(duì)鉬靶材進(jìn)行起弧，以去除鉬靶材表面的雜質(zhì)，比如氧化物；
[0009]所述的鉬靶材純度大于99.9at.% ；
[0010]2)對(duì)鉭合金工件表面進(jìn)行酸洗，其目的是為了去除表面的油漬、氧化物等雜質(zhì)，酸洗所使用的溶液為酸液，酸液包括硝酸和硫酸，硝酸和硫酸的質(zhì)量配比為4:1 ;酸洗時(shí)間控制在8-10分鐘之間，再用去離子水超聲波清洗，然后進(jìn)行烘干，烘干后放在真空陰極電弧沉積設(shè)備的樣品臺(tái)上，鉭合金工件與鉬靶材距離為2-10毫米；姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力室作為陽(yáng)極；
[0011]3)對(duì)真空陰極電弧沉積設(shè)備抽取真空，真空度彡1.33X 1-2Pa時(shí)開(kāi)始沉積鉬涂層；沉積工藝參數(shù)為:弧電流為50?70A，線圈電流I?1A ;沉積時(shí)間以實(shí)際需要為準(zhǔn)，保證鉬涂層的厚度在30?60 μπι ;
[0012]4)鉭合金表面沉積完成后，鉭合金工件隨真空室冷卻至50°C以下后，打開(kāi)真空室取出樣品；
[0013]第二步:鉭合金表面鉬涂層擴(kuò)散處理
[0014]I)將第一步制備的樣品放置在真空熱處理爐中；
[0015]2)將真空熱處理爐進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度彡5X10_2Pa時(shí)，進(jìn)行加熱，加熱速率為5-15°C /min，加熱至1200-1400°C，保溫2_5h，此時(shí)，鉬涂層和鉭合金發(fā)生相互擴(kuò)散，在鉬涂層和鉭合金基體之間形成鉬-鉭互擴(kuò)散層，然后隨爐冷卻至室溫，取出樣品。
[0016]3)鉬涂層與鉭合金工件的結(jié)合力檢驗(yàn)；將樣品進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明鉬涂層沒(méi)有起泡、剝落和分層，其結(jié)合力達(dá)到使用要求；
[0017]第三步:真空活化包滲制備MoSi^f度涂層
[0018]I)將硅粉和硼粉進(jìn)行真空干燥后進(jìn)行混合，混合采用球磨機(jī)混合均勻，得到混合粉料；
[0019]2)將步驟I)得到的混合粉料倒入石墨坩鍋中，將第二步制備的樣品埋入石墨坩鍋內(nèi)的混合粉料中，然后將石墨坩鍋放入真空爐中，在1200?1350°C保溫5?10h，真空度(5X10_2Pa ;同時(shí)，將鹵化物活化劑放入活化劑蒸發(fā)容器內(nèi)，使蒸發(fā)的鹵化物活化劑進(jìn)入到真空爐的石墨坩禍內(nèi)，加速硅粉和硼粉與鉬涂層的反應(yīng)速率，蒸發(fā)容器的溫度為700?850°C，從而由鉬涂層至鉭合金基體依次形成抗氧化涂層、中間層、過(guò)渡層和基體；抗氧化涂層為以二硅化鉬為主，摻雜有硼元素的復(fù)合涂層；中間層為以硅化鉬、硅化鉭為主，摻雜有硼元素的復(fù)合涂層；過(guò)渡層為以硅化鉭為主，摻雜有硼元素的復(fù)合涂層；基體為鉭合金；
[0020]以硅粉和硼粉的質(zhì)量為100份計(jì)算，硅粉的質(zhì)量份數(shù)為85-99，硼粉的質(zhì)量份數(shù)為1-15，鹵化物活化劑的質(zhì)量份數(shù)為0.5-8，鹵化物活化劑為氯化鈉、氟化鈉或氟化鉀；
[0021]3)在真空條件下進(jìn)行冷卻至室溫，取出產(chǎn)品，最終得到的此5“復(fù)合涂層厚度為60 ?120 μ mD
[0022]本發(fā)明的效果在于:
[0023]本發(fā)明采用真空電弧沉積方法實(shí)現(xiàn)了鉬涂層制備，并通過(guò)真空熱處理工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉬涂層與鉭合金基體之間發(fā)生擴(kuò)散，提高涂層與基體之間的結(jié)合力，真空活化包滲工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硅化鉬梯度涂層的制備，同時(shí)在硅化過(guò)程中，通過(guò)硅擴(kuò)散反應(yīng)形成以硅化鉬復(fù)合涂層為抗氧化層，中間層為硅化鉭的中間過(guò)渡層；該涂層在1800°C下抗氧化壽命達(dá)到50小時(shí)，1800°C至室溫的熱震壽命達(dá)到1300次。經(jīng)過(guò)高速高溫氣流沖刷試驗(yàn)考核，氣流速度為1.2km/s左右，在1600°C條件下抗沖刷壽命為7小時(shí)，在1700°C條件下抗沖刷壽命為4小時(shí)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明所述的一種鉭合金表面鉬涂層示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明所述的熱處理擴(kuò)散后鉭合金表面鉬梯度涂層示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明所述的鉭合金表面硅化鉬梯度涂層示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0028]實(shí)施例
[0029]一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法，步驟為:
[0030]第一步:鉭合金表面鉬涂層制備
[0031]I)根據(jù)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力室形狀尺寸制備陰極鉬靶材，鉬靶材為梯形圓柱體，下圓直徑為45mm，上圓直徑為8mm，高為80mm，并利用丙酮擦洗除去鉬靶材表面的油漬污染物，然后安裝在真空陰極電弧沉積設(shè)備上，作為陰極；對(duì)真空陰極電弧沉積設(shè)備抽真空，真空度為5X10_2Pa，在真空條件下對(duì)鉬靶材進(jìn)行起弧，以去除鉬靶材表面的氧化物雜質(zhì)；所述的鉬靶材純度大于99.9at.% ；
[0032]2)對(duì)鉭合金試棒進(jìn)行機(jī)械打磨，其目的是去除試棒邊角和毛刺；然后對(duì)鉭合金試棒表面進(jìn)行酸洗，其目的是為了去除表面的油漬、氧化物等雜質(zhì)，酸洗所使用的溶液為酸液，酸液包括硝酸和硫酸，硝酸和硫酸的質(zhì)量配比為4:1 ;酸洗時(shí)間為9分鐘，再用去離子水超聲波清洗，然后進(jìn)行烘干，烘干后放在真空陰極電弧沉積設(shè)備的樣品臺(tái)上，鉭合金樣件與鉬靶材距離為4毫米；姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力室作為陽(yáng)極；
[0033]3)對(duì)真空陰極電弧沉積設(shè)備抽取真空，真空度彡