一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法，以硅粉為原料，采用等離子體噴涂技術(shù)在鈮或鈮合金基體表面制備硅涂層，然后置于惰性氣氛中在1000～1500℃下熱處理1～10小時(shí)，從而在基體表面形成硅化鈮涂層。本發(fā)明專利技術(shù)所述制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可重復(fù)性好、適合規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

A method for the preparation of niobium silicide coating on the surface of niobium or niobium alloy

The invention relates to a method for preparing niobium silicide coating on niobium or niobium alloy surface, with silicon powder as raw material, using the technology of preparation of silicon coating on the surface of niobium or niobium alloy by plasma spraying, and then placed in an inert atmosphere at 1000~1500 DEG C for 1~10 hours of heat treatment, thus niobium silicide coating is formed on the surface of the substrate. The preparation method of the invention has the advantages of simple process, low cost, high efficiency, good repeatability, and suitable for large-scale production, and has wide application prospects.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法
本專利技術(shù)涉及一種硅化物涂層的制備方法，特別涉及一種在鈮或鈮合金表面制備具梯度結(jié)構(gòu)的硅化鈮涂層的方法，屬于高溫涂層

技術(shù)介紹
鈮(Nb)是一種高熔點(diǎn)(2468℃)的難熔金屬，密度適中，耐腐蝕，抗輻射，同時(shí)高溫強(qiáng)度大，具有良好的高溫機(jī)械性能。鈮與鈮合金的優(yōu)良特性使其成為航空、航天與核工業(yè)中高溫結(jié)構(gòu)件的重要候選材料之一，可用來(lái)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等關(guān)鍵部件。然而，其氧化性能較差，純鈮在600℃就發(fā)生“pest”氧化現(xiàn)象，且隨著溫度的升高，氧化程度加劇，最終導(dǎo)致其高溫性能的失效，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了鈮與鈮合金的應(yīng)用。為了改善其高溫抗氧化性能，表面涂層保護(hù)是兼顧鈮與鈮合金高溫力學(xué)性能與抗氧化性能切實(shí)有效的途徑。二硅化鈮(NbSi2)氧化時(shí)表面能夠形成SiO2氧化膜，該氧化膜致密且具備自愈合能力，具有良好的高溫抗氧化能力，從而使得NbSi2成為鈮與鈮合金高溫防護(hù)涂層的主要選擇。Suzuki等人采用熔鹽法在鈮基體表面沉積一層NbSi2涂層【1.R.Suzuki,M.Ishikawa,K.Ono,NbSi2coatingonniobiumusingmoltensalt,JournalofAlloysandCompounds336(2002)280–285】，將熔鹽混合物36.58NaCl-36.58KCl-21.95NaF-4.89Na2SiF6(mol％)和硅粉放入Al2O3坩堝中，在900K的高溫下，Nb基體表面形成硅化鈮涂層，具有外層為NbSi2，過(guò)渡層為三硅化五鈮(Nb5Si3)的結(jié)構(gòu)特征。但是熔鹽體系復(fù)雜，且涂層結(jié)構(gòu)受熔鹽成分影響較大，形成的涂層厚度不均勻，一定程度上影響涂層的抗氧化能力。Wang等人采用包埋法將鈮合金包裹在16Si-8Ge-5NaF-71Al2O3(wt.％)混合粉末中制備了Ge改性的NbSi2涂層【2.W.Wang,FormationandoxidationresistanceofgermaniummodifiedsilicidecoatingonNbbasedinsitucomposites,CorrosionScience80(2014)164–168】，但是包埋法中粉末混合物導(dǎo)熱性較差，同時(shí)該方法受重力影響，會(huì)導(dǎo)致涂層厚度和結(jié)構(gòu)不均勻。NbSi2涂層的制備方法需要進(jìn)一步改善。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)上述問(wèn)題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法，以硅粉為原料，采用等離子噴涂技術(shù)在鈮或鈮合金基體表面制備硅涂層，然后置于惰性氣氛中在1000～1500℃下熱處理1～10小時(shí)，從而在基體表面形成硅化鈮涂層。本專利技術(shù)采用等離子體噴涂和熱處理相結(jié)合的方法制備硅化鈮涂層。具體來(lái)說(shuō)，以金屬鈮或鈮合金為基體，硅粉為噴涂原料，采用等離子體噴涂技術(shù)制備一定厚度的硅涂層，然后經(jīng)過(guò)惰性氣氛保護(hù)熱處理(在1000～1500℃下熱處理1～10小時(shí)，即元素?cái)U(kuò)散反應(yīng))，使得基體中Nb元素與硅涂層中Si元素發(fā)生互擴(kuò)散形成硅化鈮涂層，該涂層具有NbSi2外層和Nb5Si3過(guò)渡層的梯度結(jié)構(gòu)。該制備方法獲得的硅化鈮涂層結(jié)構(gòu)致密且厚度均勻，同時(shí)與基體間形成牢固的化學(xué)冶金結(jié)合。此外，等離子體噴涂技術(shù)是制備涂層常用的方法，具有沉積效率高、涂層成分和厚度可控、快捷修復(fù)失效涂層、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，使其在涂層制備中更具商業(yè)潛力。本專利技術(shù)同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可重復(fù)性好、涂層厚度可控、適合規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。較佳地，所述硅粉的粒徑為10～120μm，純度大于98wt.％。較佳地，所述鈮或鈮合金基體經(jīng)過(guò)表面噴砂預(yù)處理，所述噴砂預(yù)處理的壓強(qiáng)為0.1～0.5MPa。較佳地，所述等離子體噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)包括：等離子體氣體Ar：30～50slpm；等離子體氣體H2：6～15slpm；粉末載氣Ar：2～7slpm；噴涂距離：100～200mm；噴涂功率：30～50kW；送粉速率：10～30rpm。較佳地，所述硅涂層的厚度為30～300μm。較佳地，所述惰性氣氛為氬氣。另一方面，本專利技術(shù)提供了一種根據(jù)上述方法在基體表面制備的硅化鈮涂層，包括NbSi2外層、以及位于所述基體和NbSi2外層之間的Nb5Si3過(guò)渡層。較佳地，所述Nb5Si3過(guò)渡層的厚度為5～30μm。較佳地，所述NbSi2外層的厚度為20～100μm。本專利技術(shù)的有益效果：(1)該專利技術(shù)獲得的硅化鈮涂層具有NbSi2外層和Nb5Si3過(guò)渡層的梯度結(jié)構(gòu)，與基體之間形成牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，降低了表面涂層與Nb基體材料的熱膨脹系數(shù)失配問(wèn)題；(2)由于硅涂層的厚度可精確控制，即可以精確控制硅源的量，從而較容易實(shí)現(xiàn)硅化鈮涂層厚度的控制，不存在殘余硅、表面難以清理等問(wèn)題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)部件表面局部區(qū)域硅化鈮涂層的制備；(3)該制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可重復(fù)性好、適合規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1中等離子體噴涂硅涂層的XRD圖譜，表明等離子體噴涂硅涂層主要由立方相的Si組成；圖2為實(shí)施例1中Nb基體表面硅涂層經(jīng)氬氣保護(hù)熱處理后的XRD圖譜，熱處理溫度為1300℃，時(shí)間為3小時(shí)，表明硅涂層與Nb基體發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)形成了六方相NbSi2和六方相Nb5Si3，其中以NbSi2為主；圖3為實(shí)施例1中Nb基體表面硅涂層經(jīng)氬氣保護(hù)熱處理后的截面形貌及元素面掃描圖譜，熱處理溫度為1300℃，時(shí)間為3小時(shí)；圖3表明熱處理過(guò)程中Si元素與Nb元素發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)，形成硅化鈮涂層，外層為NbSi2，過(guò)渡層為Nb5Si3，涂層結(jié)構(gòu)致密，與基體形成良好的冶金結(jié)合。具體實(shí)施方式以下通過(guò)下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本專利技術(shù)，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本專利技術(shù)，而非限制本專利技術(shù)。本專利技術(shù)采用等離子體噴涂技術(shù)和熱處理相結(jié)合的方法在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層，從而改善鈮或鈮合金的高溫抗氧化性能。所述硅化鈮涂層，包括NbSi2外層、以及位于所述基體和NbSi2外層之間的Nb5Si3過(guò)渡層。所述Nb5Si3過(guò)渡層的厚度可為5～30μm。所述NbSi2外層的厚度可為20～100μm。本專利技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可重復(fù)性好、涂層厚度可控、適合規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本專利技術(shù)選擇一定粒徑分布和純度的硅粉，采用等離子體噴涂技術(shù)在金屬鈮或鈮合金表面制備一定厚度的硅涂層，然后將加有硅涂層的樣品放入高溫氣氛爐中進(jìn)行熱處理，獲得與基體冶金結(jié)合的硅化鈮涂層。以下示例性地說(shuō)明本專利技術(shù)提供的在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法。基體的噴砂預(yù)處理。所述基體可為金屬鈮或鈮合金，并經(jīng)過(guò)表面噴砂等預(yù)處理。作為一個(gè)示例，將金屬鈮或鈮合金經(jīng)過(guò)噴砂(噴砂壓強(qiáng)為0.1～0.5MPa)處理后，在酒精溶液中超聲1～2次，每次3～5分鐘，在100～120℃烘干1～2小時(shí)，備用。硅涂層的制備。具體來(lái)說(shuō)，選用具有一定粒徑分布的硅粉，采用等離子體噴涂技術(shù)將硅粉噴涂到噴砂處理的鈮或鈮合金表面形成硅涂層。選用的噴涂粉體是粒徑為10～120μm的硅粉，粉體純度大于98wt.％。在100～120℃烘干1～3小時(shí)，備用。其中等離子體噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)可包括：等離子體氣體Ar：30～50slpm；等離子體氣體H2：6～15slpm；粉末載氣Ar：2～7slpm；噴涂距離：100～20本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法，其特征在于，以硅粉為原料，采用等離子體噴涂技術(shù)在鈮或鈮合金基體表面制備硅涂層，然后置于惰性氣氛中在1000～1500℃下熱處理1～10小時(shí)，從而在基體表面形成硅化鈮涂層。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法，其特征在于，以硅粉為原料，采用等離子體噴涂技術(shù)在鈮或鈮合金基體表面制備硅涂層，然后置于惰性氣氛中在1000～1500℃下熱處理1～10小時(shí)，從而在基體表面形成硅化鈮涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉的粒徑為10～120μm，純度大于98wt.%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基體經(jīng)過(guò)表面噴砂預(yù)處理，所述噴砂預(yù)處理的壓強(qiáng)為0.1～0.5MPa。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述等離子體噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)包括：等離子體氣體Ar：30～50slpm；等離子體氣體H2：6～15slpm；粉末載氣...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：牛亞然，翟翠紅，黃利平，李紅，鄭學(xué)斌，孫晉良，丁傳賢，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海,31