[发明专利]一种钽合金表面改性复合Hf‑Ta涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高温防护技术领域，具体涉及一种钽合金表面改性复合Hf-Ta涂层及其制备方法。

背景技术

随着宇航工业的发展，新一代高比冲、姿控轨控火箭发动机和高超声速飞行器对难熔金属及其高温防护涂层提出了更为严苛的服役要求。钽合金因具备优异的高温强度和韧性以及良好的加工性能，在宇航工业、航空工业以及原子能工业中得到了广泛的应用，有望作为超高温热端部件材料而得到应用。然而，钽合金在超高温氧化环境中应用存在抗氧化难题，因其氧亲和势高，且氧溶解度大，在室温即极易吸氧，并在远低于服役温度时发生严重氧化。因此，为保障钽合金热端部件的高温力学性能和工作寿命，必须对其施加超高温防护涂层。

传统硅化物涂层通过在高温下形成SiO₂玻璃膜为基材提供防护，展现出了良好的抗高温氧化能力(1100℃～1700℃)。然而，当硅化物涂层服役温度超过1700℃时，高温生成的SiO₂玻璃保护膜软化，不能有效抵御高温高速气流的冲刷；当工作温度进一步升高到1800℃，硅化物/SiO₂玻璃膜界面处SiO的蒸汽压超过一个大气压，SiO₂玻璃保护膜丧失高温防护能力；另一方面，硅化物涂层韧性差，且与难熔金属及其合金存在着较大的热膨胀系数失配，在冷热循环过程中不可避免产生贯穿性裂纹，加速了难熔合金尤其是钽基合金的高温氧化过程；总之，传统的硅化物涂层自身存在较大局限，已难以满足新一代高比冲、姿控轨控火箭发动机和高超声速飞行器用难熔合金的服役要求。

金属Hf及其氧化物具备极高的熔点，且HfO₂的饱和蒸汽压非常低(10×10^-11Pa，1732℃)，加之致密的HfO₂具备优良的超高温抗氧化性能，这使得Hf成为非常有潜力的超高温抗氧化涂层材料，然而，高温下纯Hf氧化生成的HfO₂氧化膜疏松多孔且与基体结合力差，不能有效阻挡氧向基体扩散，而且HfO₂在1750℃时存在着单斜相到四方相的马氏体相变，在冷热循环过程中，HfO₂易发生开裂、剥落。

通过合金化向Hf中引入第二元素可以有效提升Hf的抗高温氧化性能。难熔金属Ta能与Hf形成韧性优良的合金，且Ta₂O₅的饱和蒸气压非常低，更重要是Ta₂O₅能有效稳定致密的四方相HfO₂，能够有效避免冷热循环过程中HfO₂因发生四方相到单斜相的马氏体相变而导致的氧化膜开裂和剥落，从而有效提升涂层的抗高温氧化性能，而且，涂层中添加Ta元素还能大大降低氧化膜中的孔隙数量并细化氧化膜晶粒，此外，Hf-Ta金属涂层通过高温扩散与难熔合金基体形成冶金结合，且保护性氧化膜、涂层和基材三者之间热膨胀系数失配度小，这使得涂层具备优异的抗热震性能。

据文献报道，Ta含量为20-30wt.％之间的Hf-Ta金属涂层具备最佳的超高温抗氧化性能，且对合金添加剂具有最佳的响应性。然而，Hf(2231℃)和Ta(3020℃)熔点非常高，一般采用物理气相沉积(PVD)或激光熔覆方法进行制备，但PVD方法存在靶材利用效率低、涂层沉积速率慢以及涂层厚度小等不足，更为重要的是，PVD方法以及激光熔覆方法存在着“视线效应”，难以在异形部件表面尤其是热端部件的内表面制备制备完整、厚度均匀的涂层，这成为制约改性Hf-Ta金属涂层在钽合金热端部件上应用的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钽合金表面改性复合Hf-Ta涂层，该改性复合Hf-Ta涂层能够显著提高钽合金在超高温、低氧压环境中的抗氧化能力，可为钽合金在超高温氧化环境以及烧蚀环境中提供短时防护。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钽合金表面改性复合Hf-Ta涂层，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Ta 19.5％～24.5％，Si 0.5％～2.5％，B 0.5％～1.2％，Al 0.5％～2.5％，Cr 0.5％～2.0％，余量为Hf。

上述的一种钽合金表面改性复合Hf-Ta涂层，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Ta 19.5％～20.5％，Si 1.0％～1.5％，B 0.5％～1.0％，Al 2.0％～2.5％，Cr 1.5％～2.0％，余量为Hf。