一种Nb-Si基合金表面高温抗氧化MoSi2/NbSi2复合涂层及制备方法

本发明涉及高温合金热防护，具体涉及一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、nb-si基合金由于具有熔点高（~1750℃），密度适中（~7.1g/cm3）和高温力学性能优异等特点，被视为未来高温金属结构零部件的重要候选材料之一。但合金本身较差的高温抗氧化性能严重制约了nb-si基合金在高温有氧环境下的实际应用。虽然向合金中加入ti, si, al, cr等元素可以提高合金的抗氧化性能，但以此法获得的氧化保护需要向合金中加入足量的合金化元素，不可避免会对合金的力学性能产生不利影响。因此，在合金表面制备抗氧化涂层成为解决抗氧化性能不足这一问题的主要途径。

2、硅化物涂层具有高的热稳定性，氧化时其表面形成的sio2能有效阻止氧向基体内部扩散，且sio2具有良好的流动性，能够快速愈合涂层的表面缺陷，使涂层具有一定的自愈能力。目前广泛研究的硅化物涂层主要有以si-cr-ti系和si-cr-fe系为代表的复合硅化物以及难熔合金的二硅化物，如nbsi2、mosi2。mosi2是mo-si二元合金体系中si含量最高的一种中间化合物，其熔点高（2030℃）、密度适中（6.24g/cm3）、具有极好的高温抗氧化性，其抗氧化温度可以达到1600℃以上，与sic等硅基陶瓷相当。此外，其热膨胀系数（8.1×10-6/k）与nb-si基合金相匹配。因此，mosi2涂层被视为nb-si基合金理想的高温抗氧化涂层。

3、料浆熔烧法的操作方便，成本低，耗时短，且适用于形状复杂的工件，因此受到广泛应用。目前，研究人员已经采用料浆熔烧法实现nb-si基合金表面mosi2涂层的制备并表现出有效的抗氧化保护。但是，该方法制备出的mosi2涂层孔隙率较高，且尚未通过元素改性作用有效降低其孔隙率。氧化过程中，涂层中存在的孔隙会为o2的进入提供通道，加速涂层的消耗，对mosi2涂层的抗氧化性能具有一定限制。因此，设法提高mosi2涂层的致密度对提升该涂层的抗氧化性能具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明针对nb-si基合金表面料浆熔烧工艺下制备的mosi2涂层致密度差的问题。本发明提供一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层及其制备方法和应用。该复合涂层通过mosi2外层与nbsi2内层之间发生冶金结合，为mosi2外层的有力附着提供保障。nbsi2内层的存在极大程度地降低了mosi2外层中的si原子因内扩散而导致的退化，延长了mosi2外层的抗氧化寿命。

2、本发明第一个目的是提供一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层，所述复合涂层包括依次设置于nb-si基合金表面上的内层和外层；

3、所述内层为nbsi2层；所述外层为mosi2层。

4、优选的，所述内层与所述nb-si基合金表面之间还设有过渡层；所述过渡层是在nb-si基合金表面制备内层时，与合金表面反应而获得的。

5、优选的，所述内层厚度为40~150 μm；所述外层厚度为40~150 μm。

6、优选的，所述nbsi2层是采用扩散渗法制备而得；所述mosi2层是采用料浆熔烧法制备而得。

7、本发明第二个目的是提供一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

8、将si粉、al粉、y2o3粉、naf粉和al2o3粉，经球磨混合均匀，获得渗剂；

9、将nb-si基合金埋入渗剂中，压实并密封，在惰性气氛中，于1000~1300℃下，保温2~10h，即在nb-si基合金表面制得nbsi2涂层；

10、将含有nbsi2涂层的nb-si基合金，经氧化，获得sio2氧化膜包覆的合金基体；

11、将mo粉、si粉以及粘结剂通过无水乙醇配制成料浆；

12、将料浆涂覆于sio2氧化膜包覆的合金基体的表面上，涂覆至预期厚度后进行干燥，随后在惰性气氛中，于1300~1550℃下热处理10~60min，即在nb-si基合金表面得到mosi2/nbsi2复合涂层。

13、优选的，所述si粉、al粉、y2o3粉、naf粉和al2o3粉是按照以下质量百分比称取：5~20%si粉、2~10%al粉、1~5%y2o3粉、2~10%naf粉、余量为al2o3。

14、优选的，所述mo粉和si粉是按照mo和si的摩尔比为（1~3）：（2~8）称取。

15、优选的，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，其含量为0.1~5wt.%；所述料浆中的固含量为40~70wt%。

16、优选的，所述氧化的温度为900~1400℃，时长为5~50h。

17、本发明第三个目的是提供一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层在抗高温氧化中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明提供的一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层及其制备方法和应用，该mosi2/nbsi2复合涂层由致密mosi2外层、nbsi2内层和过渡层组成。其中，nbsi2内层由扩散渗过程中渗包中的si与基体反应所形成；mosi2外层由料浆烧结过程中mo粉和si粉反应生成；过渡层由nbsi2层与基体互扩散形成。通过在nb-si基合金基体表面预制nbsi2层以及sio2氧化膜，实现料浆烧结工艺下致密mosi2外层的制备。相比于已经报导的多孔的硅化钼涂层，本发明中的致密mosi2外层可以有效阻挡o2的进入，使得氧化反应只发生在涂层表面，抗氧化性能显著提升。mosi2外层与nbsi2内层之间发生冶金结合，为mosi2外层的有力附着提供保障。nbsi2内层的存在极大程度地降低了mosi2外层中的si原子因内扩散而导致的退化，延长了mosi2外层的抗氧化寿命。

20、本发明提出的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其优点在于工艺简单，可控性强，重复性高，成本低，适合工业化生产。

技术特征：

1.一种nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括依次设置于nb-si基合金表面上的内层和外层；

2.根据权利要求1所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层，其特征在于，所述内层与所述nb-si基合金表面之间还设有过渡层；所述过渡层是在nb-si基合金表面制备内层时，与合金表面反应而获得的。

3.根据权利要求1所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层，其特征在于，所述内层厚度为40~150 μm；所述外层厚度为40~150 μm。

4.根据权利要求1所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层，其特征在于，所述nbsi2层是采用扩散渗法制备而得；所述mosi2层是采用料浆熔烧法制备而得。

5.一种权利要求1~4任一项所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其特征在于，所述si粉、al粉、y2o3粉、naf粉和al2o3粉是按照以下质量百分比称取：5~20%si粉、2~10%al粉、1~5%y2o3粉、2~10%naf粉、余量为al2o3。

7.根据权利要求5所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其特征在于，所述mo粉和si粉是按照mo和si的摩尔比为（1~3）：（2~8）称取。

8.根据权利要求5所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，其含量为0.1~5wt.%；所述料浆中的固含量为40~70wt%。

9.根据权利要求5所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层的制备方法，其特征在于，所述氧化的温度为900~1400℃，时长为5~50h。

10.一种权利要求1~4任一项所述的nb-si基合金表面高温抗氧化mosi2/nbsi2复合涂层在抗高温氧化中的应用。

技术总结本发明公开了一种Nb‑Si基合金表面高温抗氧化MoSi<subgt;2</subgt;/NbSi<subgt;2</subgt;复合涂层及其制备方法和应用，涉及高温合金热防护技术领域。所述复合涂层包括依次设置于Nb‑Si基合金表面上的内层和外层；所述内层为NbSi<subgt;2</subgt;层；所述外层为MoSi<subgt;2</subgt;层。本发明还提供了Nb‑Si基合金表面高温抗氧化MoSi<subgt;2</subgt;/NbSi<subgt;2</subgt;复合涂层的制备方法。本发明通过NbSi<subgt;2</subgt;内层显著减缓了MoSi<subgt;2</subgt;外层因Si元素内扩散导致的退化，延长了涂层的使用寿命。技术研发人员：乔彦强,张卫平,郭喜平受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1