專(zhuān)利名稱(chēng)：改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種利用激光表面重熔處理改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法。
背景技術(shù)：
硅化物材料以其高的熔點(diǎn)、相對(duì)低的密度以及好的高溫蠕變強(qiáng)度而成為最有前途的高溫結(jié)構(gòu)候選材料之一，限制其工程應(yīng)用的主要問(wèn)題是其室溫脆性問(wèn)題和高溫抗氧化性不足。近年來(lái)三元硅化物材料(如Mo-Si-B、Mo-Nb-Si等)的抗氧化性能的研究在國(guó)外迅速發(fā)展并成為熱點(diǎn)，研究結(jié)果已有大量報(bào)道。如何進(jìn)一步改善三元硅化物材料的高溫抗氧化性，已成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。迄今為止，改善三元硅化物高溫抗氧化的方法主要有(1)等離子噴涂法采用等離子火焰作為熱源，將抗氧化性好的噴涂粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速?lài)娤蚪?jīng)過(guò)預(yù)處理的試樣表面而形成附著牢固的表面層的方法。此方法的缺點(diǎn)是噴涂層組織疏松，含較多雜質(zhì)氣體，且噴涂層與基體間的結(jié)合的主要形式為機(jī)械結(jié)合。(2)預(yù)氧化法對(duì)試樣在抗氧化性最好的溫度(即氧化重量改變最小的溫度)下氧化一段時(shí)間，使其表面生成一層保護(hù)膜，再在需要的溫度下使用，但由于這層保護(hù)膜較薄，通常在較長(zhǎng)時(shí)間的氧化后預(yù)氧化形成的保護(hù)膜作用消失。(3)包滲法將試樣埋入裝有欲滲粉末，防粘結(jié)粉末和活性劑的混合物的容器中，然后密封容器高溫加熱即可，但這種方法會(huì)使基體強(qiáng)度有所下降。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，N.Nomura等在《Intermetallics》(金屬間化合物，2003，Vol.11，735～742)上發(fā)表的“Microstructure and oxidation resistanceof a plasma sprayed Mo-Si-B multiphase alloy coating”(一種等離子噴涂Mo-Si-B多相合金涂層的顯微組織和抗氧化性)論文中，使用低壓等離子噴涂方法在Mo-ZrC基體上沉積了一層Mo-Si-B合金涂層，并且測(cè)量了涂層重量隨時(shí)間的變化，研究了Mo-Si-B涂層的高溫抗氧化性能?？紤]到等離子噴涂的沉積速度過(guò)高，難以控制；而且噴涂層的組織不致密，含有一定的孔洞和氣體雜質(zhì)，因此采用這種方法進(jìn)行表面處理時(shí)，受人為因素和噴涂?jī)x器影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和局限性，提供一種改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，使其通過(guò)在三元硅化物材料表面進(jìn)行激光掃描，借助高能激光所形成熔池內(nèi)特殊的冶金性質(zhì)及快速凝固特性，在熔池內(nèi)直接形成致密且顯微組織細(xì)小的重熔層，從而通過(guò)組織細(xì)化來(lái)提高三元硅化物材料的高溫抗氧化性，此方法具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明將三元硅化物材料試樣置于激光加工機(jī)床上，將試樣的待重熔面朝上，將激光工作頭引向試樣待重熔面的上方，激光工作頭離試樣待重熔面距離為10-20mm，用連續(xù)激光輻照試樣表面形成熔池，用Ar氣保護(hù)熔池表面以避免氧化。由于激光輻照試樣表面時(shí)所形成熔池內(nèi)特殊的冶金性質(zhì)及快速凝固特性，在試樣表面形成了與基體同成分且以冶金方式結(jié)合的重熔層，此重熔層致密、顯微組織細(xì)小均勻、從而通過(guò)組織細(xì)化提高三元硅化物材料的高溫抗氧化性。
所述的三元硅化物材料試樣，采用線(xiàn)切割呈13mm×4mm×1.5mm的薄片，表面磨光并經(jīng)過(guò)丙酮、酒精清洗后吹干。
所述的試樣待重熔面，是指試樣的六個(gè)表面中最大的兩個(gè)表面。
所述的激光輻照，采用的設(shè)備為Nd:YAG激光器，功率為2000W，掃描參數(shù)功率P＝1940W，掃描速度V＝4mm/s，光斑直徑d＝3.5mm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于克服了現(xiàn)有改善三元硅化物材料高溫抗氧化技術(shù)的局限性。試驗(yàn)方法易行，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，不僅可以用于改善不同材料的高溫抗氧化性，而且可以用于對(duì)不同材料力學(xué)性能如強(qiáng)度，硬度，耐磨性等的提高。對(duì)于三元硅化物材料研究單位來(lái)說(shuō)，采用本發(fā)明方法，不僅可以克服現(xiàn)有技術(shù)所帶來(lái)的儀器要求高，人員技術(shù)要求高等缺點(diǎn)，而且可以克服常規(guī)其它表面處理工藝中表面層與基體熔合性差，表面層顯微組織不致密等缺點(diǎn)。本發(fā)明還可以推廣到其它熔點(diǎn)較高、韌性較好的各種材料領(lǐng)域。


圖1.Mo-10Si-14B三元硅化物試樣(經(jīng)1800℃/2h真空退火或激光表面重熔)顯微組織，(A)退火態(tài)試樣BSE照片(B)激光表面重熔試樣BSE照片；圖2.Mo-10Si-14B三元硅化物試樣(經(jīng)1800℃/2h真空退火或激光表面重熔)在1000℃循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖3.Mo-10Si-14B三元硅化物試樣(經(jīng)1800℃/2h真空退火或激光表面重熔)在1200℃循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖4.Mo-10Si-14B三元硅化物試樣(經(jīng)1800℃/2h真空退火或激光表面重熔)在1300℃循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)試樣準(zhǔn)備將三元硅化物材料(經(jīng)真空退火處理試樣)線(xiàn)切割呈13mm×4mm×1.5mm的薄片，將試樣磨光，清洗后吹干。(2)激光表面重熔試驗(yàn)采用2000W的YAG激光器，主要掃描參數(shù)功率P＝1940W，掃描速度V＝4mm/s，光斑直徑d＝3.5mm。(3)顯微組織觀察從剩余的真空退火或激光表面重熔樣品中截取部分材料，采用掃描電鏡分析其微觀組織形貌。(4)氧化實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備所有用于循環(huán)氧化試驗(yàn)的試樣在做氧化試驗(yàn)之前都將精確的稱(chēng)重與測(cè)量表面積，將退火態(tài)試樣與激光表面重熔態(tài)試樣放在培燒成恒重的剛玉坩堝里，當(dāng)爐溫達(dá)到氧化溫度時(shí)將試樣連同坩堝放入高溫爐中，間隔不同的時(shí)間將試樣取出冷至室溫稱(chēng)重。(5)采用循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)反映出試樣的抗氧化性將試樣質(zhì)量變化除以試樣表面積，從而得到單位面積的質(zhì)量變化隨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。
應(yīng)用本發(fā)明考核了應(yīng)用前景為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉片的Mo-Si-B三元硅化物材料在高溫下的循環(huán)氧化行為，目的是為了檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)激光表面重熔的Mo-Si-B三元硅化物材料在不同溫度下的重量改變行為，并且與未經(jīng)激光表面重熔的退火態(tài)樣品的氧化行為作了比較，從而可以判斷經(jīng)過(guò)兩種不同處理方式后材料的抗氧化性。
Mo-10Si-14B三元硅化物是通過(guò)真空電弧熔煉制備的。其中Mo、Si、B的純度分別為99.9％、99.9999％和99.9％。原料的配比是按原子百分比計(jì)算的。將Mo-10Si-14B經(jīng)電弧熔煉出的紐扣錠進(jìn)行1800℃/2h的真空退火，將退火態(tài)紐扣錠線(xiàn)切割呈13mm×4mm×1.5mm的試樣。將線(xiàn)切割的試樣用金相砂紙將試樣表面磨光，先用丙酮清洗，再用酒精清洗試樣表面。一部分試樣用于循環(huán)氧化試驗(yàn)；另外一部分先進(jìn)行激光表面重熔處理，再用于循環(huán)氧化試驗(yàn)。激光掃描參數(shù)為功率P＝1940W，掃描速度V＝4mm/s，光斑直徑d＝3.5mm。所有用于循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)的試樣在做氧化實(shí)驗(yàn)之前都將精確地稱(chēng)重及測(cè)量表面積，以用于氧化重量改變的計(jì)算。然后將試樣放入高溫電阻爐進(jìn)行1000℃、1200℃和1300℃的循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)。在循環(huán)氧化過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，將試樣從恒溫電爐中取出空冷，降到室溫時(shí)用高精度電子天平對(duì)樣品連同坩堝稱(chēng)重，記錄其質(zhì)量的變化，繪制循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)。通過(guò)退火態(tài)與激光表面重熔態(tài)的循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的比較，就可以判斷經(jīng)過(guò)兩種不同處理方式后材料的抗氧化性。
根據(jù)圖1可以看出，激光重熔態(tài)試樣的顯微組織細(xì)小均勻，而退火態(tài)試樣的顯微組織粗大。
根據(jù)圖2可以看出，Mo-10Si-14B試樣在1000℃循環(huán)氧化時(shí)，激光重熔態(tài)試樣的質(zhì)量減少小于退火態(tài)試樣，因此經(jīng)過(guò)激光表面重熔的試樣在1000℃時(shí)具有更好的抗氧化性。
根據(jù)圖3可以看出，Mo-10Si-14B試樣在1200℃循環(huán)氧化時(shí)，激光重熔態(tài)試樣的質(zhì)量減少小于退火態(tài)試樣，因此經(jīng)過(guò)激光表面重熔的試樣在1200℃時(shí)具有更好的抗氧化性。
根據(jù)圖4可以看出，Mo-10Si-14B試樣在1300℃循環(huán)氧化時(shí)，激光重熔態(tài)試樣的質(zhì)量減少小于退火態(tài)試樣，因此經(jīng)過(guò)激光表面重熔的試樣在1300℃時(shí)具有更好的抗氧化性。
在所有測(cè)試溫度下，激光重熔態(tài)試樣的質(zhì)量減少均小于退火態(tài)試樣，而且隨著溫度的升高，退火態(tài)試樣的質(zhì)量減少遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光重熔態(tài)試樣的質(zhì)量減少，由于激光重熔態(tài)試樣的顯微組織細(xì)小均勻，而退火態(tài)試樣的顯微組織粗大，所以顯微組織的細(xì)化有利于Mo-Si-B高溫抗氧化性能的提高。
權(quán)利要求
1.一種改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，其特征在于，將三元硅化物材料試樣置于激光加工機(jī)床上，將試樣的待重熔面朝上，將激光工作頭引向試樣待重熔面的上方，激光工作頭離試樣待重熔面距離為10-20mm，用連續(xù)激光輻照試樣表面形成熔池，用Ar氣保護(hù)熔池表面以避免氧化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，其特征是，所述的三元硅化物材料試樣，采用線(xiàn)切割呈13mm×4mm×1.5mm的薄片，表面磨光并經(jīng)過(guò)丙酮、酒精清洗后吹干。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，其特征是，所述的試樣待重熔面，是指試樣的六個(gè)表面中最大的兩個(gè)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，其特征是，所述的激光輻照，采用的設(shè)備為Nd:YAG激光器，功率為2000W，掃描參數(shù)功率P＝1940W，掃描速度V＝4mm/s，光斑直徑d＝3.5mm。
全文摘要
一種改善三元硅化物高溫抗氧化性能的方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將三元硅化物材料試樣置于激光加工機(jī)床上，將試樣的待重熔面朝上，將激光工作頭引向試樣待重熔面的上方，激光工作頭離試樣待重熔面距離為10－20mm，用連續(xù)激光輻照試樣表面形成熔池，用Ar氣保護(hù)熔池表面以避免氧化。由于激光輻照試樣表面時(shí)所形成熔池內(nèi)特殊的冶金性質(zhì)及快速凝固特性，在試樣表面形成了與基體同成分且以冶金方式結(jié)合的重熔層，此重熔層致密、顯微組織細(xì)小均勻、從而通過(guò)組織細(xì)化提高三元硅化物材料的高溫抗氧化性。
文檔編號(hào)C22C29/18GK1958832SQ20061011705
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月12日
發(fā)明者王方, 單愛(ài)黨, 董顯平, 唐新華, 吳建生 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)