[发明专利]Nb‑Ti‑Si基合金表面B‑Y改性硅化物涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金热防护技术领域，具体涉及一种Nb-Ti-Si基超高温合金表面的B-Y联合改性硅化物涂层及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的飞速发展，高性能航空发动机的热端部件工作温度不断提高。然而，目前常用的镍基高温合金的工作温度已达到其极限使用温度(1150℃)，因此迫切需要寻求新型的超高温结构材料以替代镍基高温合金。由硅化物和Nb基固溶体组成的Nb-Ti-Si基超高温自生复合材料是一种新型的超高温合金，该合金具有熔点高(1800℃左右)、密度低(7.1g/cm³)和优良的高温强度等特点，是目前研究的热点高温结构材料。然而，该合金具有两个致命的缺点，一是其室温韧性较差，研究表明通过合金成分设计、组织结构控制等方法可以有效改善其脆性；二是该合金在高温下的抗氧化性能较差，研究表明，通过添加Hf,Al,Cr,B,Ge和Y等元素进行多元合金化可在一定程度上提高Nb-Ti-Si基超高温合金的高温抗氧化性能。但多元合金化提高该合金高温抗氧化性能的作用毕竟有限，一方面，添加过多合金化元素会明显降低合金的高低温力学性能；另一方面，虽然经多元合金化后其高温抗氧化性能在一定程度上有所提高，但仍然无法满足实际的使用要求，因而需要在其表面制备保护性涂层以提高其高温抗氧化性能。在众多涂层体系中，硅化物涂层熔点高，具有良好的热稳定性，使用温度高，具有自愈能力，因而具有很强的抗氧化能力。

根据国内外研究水平及现状，目前在Nb-Ti-Si基超高温合金上研究和发展的硅化物涂层还存在的主要问题是：(1)本身脆性，会导致大量裂纹的产生；(2)SiO₂氧化膜流动性差，不能有效防护基体，易剥落而失去保护性。因此需要添加活性元素对其进行改性，以提高涂层的抗氧化能力。已有研究表明Y可改善氧化膜的粘附性，提高其抗剥落能力；而B氧化形成低熔点的B₂O₃可提高氧化膜的流动性，从而有效弥合裂纹和孔洞。但迄今为止，国内外还未对Nb-Ti-Si基超高温合金表面经稀土Y及活性元素B联合改性的硅化物涂层的制备及抗氧化性能的研究。因此研究和实现Nb-Ti-Si基超高温合金表面B-Y联合改性硅化物涂层的制备技术对该合金在未来航空航天领域的实际应用具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种Nb-Ti-Si基超高温合金表面的B-Y联合改性硅化物涂层及其制备方法。

技术方案

一种Nb-Ti-Si基超高温合金表面的B-Y联合改性硅化物涂层，其特征在于：涂层外层为(Nb,X)Si₂，其中X表示元素Ti,Cr和Hf；向内的过渡层为(Ti,Nb)₅Si₄；所述外层上分布有针状(Nb,X)B₂。

所述涂层厚度为40～90μm。

一种制备所述Nb-Ti-Si基超高温合金表面的B-Y联合改性硅化物涂层的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：按质量百分比称取8-20％的Si粉、0.01-1％的B粉、2-4％的Y₂O₃粉、3-10％的NaF粉和余量为填充剂的Al₂O₃粉配制渗剂，并将配好的渗剂球磨混合；所述各组分的质量百分比之和为100％；

步骤2：将Nb-Ti-Si基超高温合金基体埋入渗剂之中，并置入氧化铝坩埚，采用硅溶胶与Al₂O₃粉调配成的料浆密封坩埚盖；

步骤3：在温度1050～1250℃、Ar气气氛下，热处理密封后的坩埚4～10h，得到B-Y联合改性硅化物涂层。

所述步骤3的热处理过程在真空度为3.0×10^-2Pa情况下进行。

有益效果

本发明提出的一种Nb-Ti-Si基超高温合金表面的B-Y联合改性硅化物涂层及其制备方法，通过Si-B-Y₂O₃共渗在合金表面制备硅化物涂层，该制备方法工艺简单、操作方便、成本低廉、便于工业化生产，可得到结合力好、厚度可控、均匀致密的B-Y联合改性的硅化物涂层。

本发明提出的采用一步法在Nb-Ti-Si基超高温合金表面制备B-Y联合改性硅化物涂层的方法具有以下有益的技术效果：