一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法
2023-06-02 14:33:16 1
專利名稱：一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法
技術領域：
本發明涉及一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法。
背景技術：
低密度鈮合金是一種鈮-鈦-鋁-鉻系合金，具有較好的高溫強度、加工塑性以及中溫抗氧化性能。該低密度鈮合金是繼C-103和Nb521之後，2006年開始國家軍工科研項目中研製的新型航空航天用鈮合金材料，目前國內使用的C-103密度為8. 86g/cm3,Nb521密度為8. 9g/cm3,而鈮-鈦-鋁-鉻系合金密度為5. 759g/cm3左右，是一種典型的低密度銀基合金。因該合金目前尚無牌號，故稱低密度銀合金。低密度鈮合金是一種鈮-鈦-鋁-鉻系合金，具有很好的高溫強度、加工塑性和低溫抗氧化性能，使用溫度範圍為1100 1300°C。該合金國內2006年立項研製，目前已取得一定成果，鈮-鈦-鋁-鉻系合金主要用於軌控發動機的大面積比噴管延伸段，工作溫度1100°C左右，密度小、成本低，與其它鈮基合金以及鈦系列合金具有很好的焊接性，且破壞時有預警過程的優點。低密度鈮基合金是很好的超高溫結構材料，但在大氣中800°C以上會發生劇烈氧化，在1100°C下氧化非常迅速，這嚴重製約了該合金的應用；各國對鈮基合金的抗氧化方法進行了大量的研究，結果表明提高鈮合金的高溫抗氧化性的主要途徑有合金化保護和表面塗層保護。合金化通常是以損失強度和加工性能為代價的，而加塗層對合金的力學性能影響很小，並能顯著提高抗氧化性，實驗證明是切實可行的途徑。在實際使用中，為解決高溫下低密度鈮合金迅速氧化問題，需要研製一種與之相配套的高溫抗氧化塗層，為低密度鈮合金的真正使用奠定基礎。低密度鈮合金含有大量輕金屬元素，這與其它鈮合金的成分有很大差別，傳統的抗氧化塗層無論是熱膨脹性能還是與基材的結合性能均無法滿足使用要求，因此必須進行與低密度鈮合金表面配套的抗氧化塗層研製。低密度鈮合金材料在航空發動機、火箭衝壓發動機及其它受熱零部件上，也有很大的推廣應用價值。從材料高溫性能上看，低密度鈮合金是介於其它高溫鈮合金和TiAl系合金之間的材料，這一材料的研究開發對於填補國內該材料領域的空白具有重要意義。因此，為保證該低密度鈮合金材料的成功使用，研製與之相配套的高溫抗氧化塗層是至關重要的。低密度鈮合金是一種很好的功能結構材料，在1000°C抗拉強度為60_80Mpa，並在800°C以下大氣中自帶抗氧化功能。800°C以上與其它鉭、鈮、鑰、鎢高溫難熔金屬一樣易於氧化，而該合金設計的最終使用溫度在900-1300°C，因而為了快速實現合金在航天領域的應用，必須對合金表面進行氧化防護處理，其中表面製備高溫抗氧化塗層是低密度鈮合金高溫抗氧化保護的主要途徑。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，該材料能夠用於製備具有良好的高溫抗氧化性的塗層；本發明的目的之二是提供一種用上述材料製備高溫抗氧化塗層的方法，經過塗層後的低密度鈮合金不僅具有很強的高溫抗氧化性同時仍然保持了其原有的優異力學性能。一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，其特別之處在於，按重量計組分為Si為10 15Wt%，Ti 為 2 3Wt%，Mo 為 I 2Wt%，Hf02 為 0. 8 I. 2Wt%，W 為 0. 7 0. 9Wt%， 餘量為Al。一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，其特別之處在於，按重量計組分為Si為10 15Wt %，Ti 為 2 3Wt %，Mo 為 I 2Wt %，HfO2 為 0. 8 I. 2Wt %，W 為 0. 7
0.9fft% ;以及下列組分中的至少一種B為0. 5 2. 5fft%, Ge為I. 5 2. 5fft%, S為
0.25 0. 45fft%, Fe 為 I. 2 4. 0%, Nb 為 I. 2 2. 5fft% ;餘量為 Al。進一步的，按重量計組分為Si為13Wt%，Ti為2. 5fft%, Mo為I. 5fft%, HfO2為1機％，胃為0. 8Wt%;以及下列組分中的至少一種:B為I. 5Wt%，Ge為2Wt%，S為0. 30fft%,Fe為3%，Nb為2Wt% ;餘量為Al。一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料製備高溫抗氧化塗層的方法，其特別之處在於，包括如下步驟取權利要求I至3中任意一項所述的高溫抗氧化材料製成粒度為350至550目的粉末並放入容器中，使用前述粉末體積3 5倍的乙醇或純水作載體，再加入前述粉末質量I. 5 3. 5%的鉀鹽或鈉鹽後均勻混合，另加前述粉末質量0. 15 0. 35%的聚乙二醇後再次均勻混合，製得塗層料漿，然後將該料漿塗敷在基材上，在溫度1200°C 1350°C，真空大於I. OX KT1Pa條件下進行熔燒，時間10 30分鐘，即可形成高溫抗氧化塗層。其中鉀鹽或鈉鹽是氯化鈉、氯化鉀、氟化鉀或氟化鈉。其中基材是低密度鈮合金基材。其中熔燒成型後塗層厚度控制在60 130微米。本發明提供了一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法，採用該材料製備的塗層有效解決了低密度鈮合金在800C以上，尤其是在1100°C上下大氣環境中劇烈氧化問題，並且合金的成分不會發生改變，最大程度的保留合金的高溫力學性能，同時擴大低密度鈮合金適用範圍並延長其使用壽命。採用本發明的高溫抗氧化材料製備的塗層具有以下特徵(I)塗層具有良好的高溫抗氧化性在高溫(1100°C、1200°C、1300°C )靜態下的壽命較長，主要測試項目為空氣中靜態、熱震壽命。(2)塗層表面均勻，微觀結構緻密；塗層與基體之間通過擴散形成過渡層，達到了冶金結合；在氧化環境下，塗層表面生成一層玻璃層保護基體。(3)塗層主要成分為含Si、Al等不同元素組成的金屬間化合物，這種塗層在高溫抗氧化環境下表面生成半玻璃體，阻擋了氧的侵蝕，且具有很強的缺陷自愈能力。(4)塗層後的低密度鈮合金不僅具有很強的高溫抗氧化性同時仍然保持其原有的優異力學性能。
具體實施方式
實施例I :高溫抗氧化材料，按重量百分比計含有下列組分Nb 2fft %, Si 13fft %, B :1. 5fft %, Ge 2fft %, Ti :2. 5fft %, S :0. 30fft %, Mo
I.5fft%, HfO2 lfft%, Fe 3% W :0. 8Wt%，餘量為 Al。將上述所列組分製成粒度為450目的粉末並放入容器中，使用前述粉末體積4倍的無水乙醇作載體，再加前述粉末質量2. 5%的氯化鈉後均勻混合，另加佔前述粉末總質量0. 25%的聚乙二醇作為粘結劑，跟塗層粉料混合在一起採用球磨機進行研磨5小時製得料漿。將塗層料漿塗敷在低密度鈮合金基材上，塗層厚度控制在100微米，然後在溫度1300°C，真空大於IXKT1Pa條件下進行熔燒，保溫25分鐘，最後製得塗層產品。將製得的塗層產品的性能進行檢測I、對塗層表面觀察並做金相分析，熔燒後的塗層呈現銀灰色，表面金相分析表明，塗層晶粒均勻，結構緻密。2、通過對塗層斷面做探針分析，該塗層結構分布均勻且在合金表面有滲透層，與合金之間形成冶金結合。3、塗層壽命性能檢測在空氣中進行1100°C、120(TC、130(rC靜態連續測試，1100°C—室溫、1200°C—室溫熱震性能測試。具體性能見下表I。表I塗層性能壽命檢測
權利要求
1.一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，其特徵在於，按重量計組分為Si為10 15fft%, Ti 為 2 3Wt%，Mo 為 I 2Wt%，HfO2 為 0. 8 I. 2fft%, W 為 0. 7 0. 9fft%,餘量為Al。
2.一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，其特徵在於，按重量計組分為Si為10 15fft%,Ti 為 2 3Wt%，Mo 為 I 2Wt%，Hf02 為 0. 8 I. 2fft%,ff 為 0. 7 0. 9機％;以及下列組分中的至少一種:B為0. 5 2. 5Wt%，Ge為I. 5 2. 5Wt%，S為0. 25 0. 45fft%,Fe 為 I. 2 4. 0%, Nb 為 I. 2 2. 5fft% ;餘量為 Al。
3.如權利要求2所述的一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料，其特徵在於，按重量計組分為Si 為 13Wt%，Ti 為 2. 5fft%, Mo 為 I. 5fft%, HfO2 為 lWt%，W 為 0. 8fft% ;以及下列組分中的至少一種B為I. 5Wt%，Ge為2Wt%，S為0. 30fft%,Fe為3%，Nb為2Wt%;餘量為Al。
4.一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料製備高溫抗氧化塗層的方法，其特徵在於，包括如下步驟取權利要求I至3中任意一項所述的高溫抗氧化材料製成粒度為350至550目的粉末並放入容器中，使用前述粉末體積3 5倍的乙醇或純水作載體，再加入前述粉末質量I. 5 3. 5%的鉀鹽或鈉鹽後均勻混合，另加前述粉末質量0. 15 0. 35%的聚乙二醇後再次均勻混合，製得塗層料漿，然後將該料漿塗敷在基材上，在溫度120(TC 1350°C，真空大於I. OX KT1Pa條件下進行熔燒，時間10 30分鐘，即可形成高溫抗氧化塗層。
5.如權利要求4所述的一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料製備高溫抗氧化塗層的方法，其特徵在於其中鉀鹽或鈉鹽是氯化鈉、氯化鉀、氟化鉀或氟化鈉。
6.如權利要求4所述的一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料製備高溫抗氧化塗層的方法，其特徵在於其中基材是低密度鈮合金基材。
7.如權利要求4所述的一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料製備高溫抗氧化塗層的方法，其特徵在於其中熔燒成型後塗層厚度控制在60 130微米。
全文摘要
本發明涉及一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法，其特點是，按重量計組分為Si為10～15Wt％，Ti為2～3Wt％，Mo為1～2Wt％，HfO2為0.8～1.2Wt％，W為0.7～0.9Wt％，餘量為Al。本發明提供了一種低密度鈮合金高溫抗氧化材料及由其製備高溫抗氧化塗層的方法，採用該材料製備的塗層有效解決了低密度鈮合金在800℃以上，尤其是在1100℃上下大氣環境中劇烈氧化問題，最大程度的保留合金的高溫力學性能，同時擴大低密度鈮合金適用範圍並延長其使用壽命。本發明高溫抗氧化材料製備的塗層具有良好的高溫抗氧化性，塗層表面均勻，微觀結構緻密。
文檔編號C22C21/02GK102719713SQ20121023703
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者於永祥, 周小軍, 王秋迎, 王立斐, 王莉, 趙剛, 鄭愛國 申請人:寧夏東方鉭業股份有限公司