本發(fā)明涉及一種金屬材料表面高溫耐磨涂層及其制備方法，特別是一種鈮合金表面高溫耐磨涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈮合金以其高熔點(diǎn)、低密度以及良好的高低溫力學(xué)性能，被認(rèn)為是航空、航天與核工業(yè)中高溫結(jié)構(gòu)件的重要候選材料，但其抗氧化性能較差，而在表面制備防護(hù)涂層是提高鈮合金抗氧化性能的最有效途徑。鈮合金表面防護(hù)涂層體系分為耐熱合金涂層、貴金屬涂層、鋁化物涂層及硅化物涂層。
硅化物涂層是目前應(yīng)用最為廣泛的涂層，相關(guān)應(yīng)用的文獻(xiàn)如：
①申請(qǐng)?zhí)枮閆L200710192652.X的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種在鈮合金表面首先采用真空料漿燒結(jié)制備鉬層，然后再包埋滲硅制備MoSi2涂層的方法，該涂層在1650℃靜態(tài)抗氧化時(shí)間可達(dá)25小時(shí)；
②申請(qǐng)?zhí)枮?01210237037.7的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種通過(guò)將含有Si、Mo、Ti、HfO2和Al等多種合金元素的涂層料漿涂覆于鈮合金上，然后在高溫真空下熔燒制備高溫抗氧化硅化物涂層的方法，該涂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(huán)境中劇烈氧化問(wèn)題；
③申請(qǐng)?zhí)枮閆L201510049985.1的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種采用高能等離子噴涂工藝在鈮合金表面制備具有底涂層Mo1-xWx(Si1-y-zAlyBz)2+面涂層Mo1-xWx(Si1-y-zAlyBz)2-(10-20)wt.％HfSi2的雙層結(jié)構(gòu)的涂層，該涂層在1500-1800℃具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能；
④文獻(xiàn)(Corrosion Science,2015,91:75-85)報(bào)道了鈮合金表面(Nb,X)Si2(X表示Ti、Cr和Hf元素)涂層在1250℃下的抗氧化性能及其在900℃下Na2SO4-25wt.％NaCl熔鹽腐蝕行為。
現(xiàn)有的對(duì)鈮合金表面硅化物涂層的應(yīng)用主要集中在考察其高溫抗氧化和抗熱腐蝕性能方面。而在實(shí)際的服役過(guò)程中，摩擦磨損失效也是導(dǎo)致高溫結(jié)構(gòu)零部件如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效的重要原因，因此，已涂覆有表面防護(hù)涂層的鈮合金試樣的高溫摩擦磨損性能也是其在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的重要指標(biāo)。目前，在鈮合金表面開(kāi)展高溫耐磨耐蝕多功能涂層制備的技術(shù)及其應(yīng)用尚屬空白。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是要提供一種鈮合金表面高溫耐磨涂層及其制備方法，解決目前還未在鈮合金表面實(shí)施高溫耐磨耐蝕多功能涂層制備的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明是一種在鈮合金表面制備高溫耐磨Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層及其制備方法；
高溫耐磨涂層：該涂層為Al改性的NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層，涂層由納米尺度的NbSi2和Si3N4組成；Al的改性作用體現(xiàn)于三種形式：固溶于NbSi2相中；生成Al-Nb相；生成AlN相。
制備工藝流程：首先采用高溫氮化在合金表面制備氮化物層，然后再對(duì)其進(jìn)行Si-Al包埋共滲處理，在鈮合金表面制備出具有優(yōu)良高溫耐磨性能的Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層。
其具體實(shí)施步驟如下：
步驟1、氮化處理制備表面氮化物層：
a1：將合金表面采用80～1200#SiC水砂紙打磨，在酒精中超聲波清洗10～15min后冷風(fēng)吹干；
b1：將合金試樣置于高溫氮化爐中，使用高純氮?dú)?99.999％)為氮源，調(diào)整其流量為30～200ml/min，然后加熱至1000～1400℃，保溫2～10h后，完成了合金表面氮化物層的制備；
步驟2、Si-Al共滲處理：
a2：將步驟1已制備有表面氮化物層的合金在酒精中超聲波清洗10～15min后冷風(fēng)吹干；
b2：將10～50wt.％的Si，2～20wt.％的Al，1～5wt.％的Y2O3，2～8wt.％的NaF，其余為Al2O3混合后通過(guò)行星球磨機(jī)在300～400轉(zhuǎn)/min下球磨3～4h，得到共滲粉料；
c2：將共滲粉料裝入剛玉坩堝中，將步驟a2處理的合金包裹于共滲粉料之中，合金表面覆蓋的滲劑厚度不小于15mm；
d2：蓋上坩堝蓋并用Al2O3粉與硅溶膠調(diào)配的料漿密封，其配比為：在20～100g Al2O3粉中加入10～50ml硅溶膠；將密封后的坩堝置于高溫爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至1000～1300℃，保溫2～10h后，即完成了Si-Al共滲處理，得到Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層。
有益效果：難熔金屬硅化物NbSi2除了具有良好的高溫抗氧化性能以外，還具有較高的硬度，有希望成為高溫耐磨涂層材料。鈮合金表面NbSi2涂層的硬度位于1200-1400HV0.2之間，在高溫下發(fā)生氧化后，表面形成的SiO2具有一定的自潤(rùn)滑性能和抗氧化性能，能改善涂層的高溫摩擦磨損性能。但NbSi2涂層存在著本征脆性、中溫“Pest”氧化以及由于其與Nb基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而容易產(chǎn)生裂紋等問(wèn)題。Al對(duì)改善NbSi2的室溫脆性、消除中溫區(qū)的“Pest”氧化現(xiàn)象的貢獻(xiàn)突出，高溫下的抗氧化性能則與Al的含量有關(guān)；而NbSi2與Nb基體熱膨脹系數(shù)(NbSi2:11.7×10-6K-1；Nb：7.3×10-6K-1)的差異，可以通過(guò)添加具有較小熱膨脹系數(shù)的Si3N4(2.9×10-6K-1)來(lái)進(jìn)行改善；此外，在涂層材料中引入納米相顆粒也是一種重要的強(qiáng)韌化手段，同時(shí)還可提高涂層的硬度和耐磨性。
采用本專利方法獲得的涂層可兼具良好的抗高溫氧化性能和高溫耐摩擦磨損性能，解決了目前還未在鈮合金表面實(shí)施高溫耐磨耐蝕多功能涂層制備的問(wèn)題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的在鈮合金表面采用原位反應(yīng)生成Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于首先采用高溫氮化的工藝在合金表面制備出氮化物層，以高純氮?dú)鉃榈?，避免了采用氨氣為氮源時(shí)可能存在的鈮合金吸氫致脆的問(wèn)題；而后續(xù)的Si-Al包埋共滲，制備工藝簡(jiǎn)單可控、操作方便、成本低廉，且對(duì)具有復(fù)雜形狀的實(shí)際工件也具有可操作性，因而實(shí)用性較強(qiáng)。采用上述方法在鈮合金表面制備的Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層具有組織致密、結(jié)構(gòu)及成分可控以及涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且兼顧良好的抗高溫(1250-1400℃)氧化性能與抗高溫(800-1100℃)摩擦磨損性能。
附圖說(shuō)明：
圖1為本發(fā)明的鈮合金表面Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層的制備路線圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是一種在鈮合金表面制備高溫耐磨Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層及其制備方法；
高溫耐磨涂層：該涂層為Al改性的NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層，涂層由納米尺度的NbSi2和Si3N4組成；Al的改性作用體現(xiàn)于三種形式：固溶于NbSi2相中；生成Al-Nb相；生成AlN相。
制備工藝流程：首先采用高溫氮化在合金表面制備氮化物層，然后再對(duì)其進(jìn)行Si-Al包埋共滲處理，在鈮合金表面制備出具有優(yōu)良高溫耐磨性能的Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層。
其具體實(shí)施步驟如下：
步驟1、氮化處理制備表面氮化物層：
a1：將合金表面采用80～1200#SiC水砂紙打磨，在酒精中超聲波清洗10～15min后冷風(fēng)吹干；
b1：將合金試樣置于高溫氮化爐中，使用高純氮?dú)?99.999％)為氮源，調(diào)整其流量為30～200ml/min，然后加熱至1000～1400℃，保溫2～10h后，完成了合金表面氮化物層的制備；
步驟2、Si-Al共滲處理：
a2：將步驟1已制備有表面氮化物層的合金在酒精中超聲波清洗10～15min后冷風(fēng)吹干；
b2：將10～50wt.％的Si，2～20wt.％的Al，1～5wt.％的Y2O3，2～8wt.％的NaF，其余為Al2O3混合后通過(guò)行星球磨機(jī)在300～400轉(zhuǎn)/min下球磨3～4h，得到共滲粉料；
c2：將共滲粉料裝入剛玉坩堝中，將步驟a2處理的合金包裹于共滲粉料之中，合金表面覆蓋的滲劑厚度不小于15mm；
d2：蓋上坩堝蓋并用Al2O3粉與硅溶膠調(diào)配的料漿密封，其配比為：在20～100g Al2O3粉中加入10～50ml硅溶膠；將密封后的坩堝置于高溫爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至1000～1300℃，保溫2～10h后，即完成了Si-Al共滲處理，得到Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層。
下面為選用Nb521鈮合金為基材，在其表面采用上述方法制備Al改性NbSi2-Si3N4納米復(fù)合涂層的具體實(shí)施方式。
實(shí)施例1：
第一步，氮化處理制備表面氮化物層：(a)將合金試樣表面用80～1200#SiC水砂紙打磨光滑，在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)將合金試樣置于高溫氮化爐中，使用高純氮?dú)?99.999％)為氮源，調(diào)整其流量為30ml/min，然后加熱至1000℃，保溫8h后，得到了厚度為12μm的NbN+Nb4N3氮化物層；
第二步，Si-Al共滲處理：(a)將已制備有氮化物層的試樣在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)按重量百分比10Si-2％Al-5％NaF-83％Al2O3來(lái)稱取、配制滲劑，然后將其混合均勻后放入球磨罐中在300轉(zhuǎn)/min下進(jìn)行3h的球磨；(c)將球磨后的滲劑一半裝入剛玉坩堝并壓實(shí)，放入經(jīng)步驟(a)處理后的試樣，用另一半滲劑覆蓋并再次壓實(shí)，試樣表面覆蓋的滲劑厚度不小于10mm，然后蓋上坩堝蓋并用Al2O3粉與硅溶膠調(diào)配的料漿密封，料漿的配比為50g Al2O3粉中加入20ml硅溶膠；(d)將密封后的坩堝置于高溫爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至1050℃，保溫5h后，得到了厚度約為35μm，組織結(jié)構(gòu)為外層Nb(Si,Al)2-Si3N4納米層+內(nèi)層NbSi2的復(fù)合涂層。
實(shí)施例2：
第一步，氮化處理制備表面氮化物層：(a)將合金試樣表面用80～1200#SiC水砂紙打磨光滑，在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)將合金試樣置于高溫氮化爐中，使用高純氮?dú)?99.999％)為氮源，調(diào)整其流量為80ml/min，然后加熱至1200℃，保溫8h后，得到了厚度為22μm的NbN+Nb4N3層；
第二步，Si-Al共滲處理：(a)將已制備有氮化物層的試樣在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)按重量百分比20Si-8％Al-5％NaF-69％Al2O3來(lái)稱取、配制滲劑，然后將其混合均勻后放入球磨罐中在300轉(zhuǎn)/min下進(jìn)行3h的球磨；(c)將球磨后的滲劑一半裝入剛玉坩堝并壓實(shí)，放入經(jīng)步驟(a)處理后的試樣，用另一半滲劑覆蓋并再次壓實(shí)，試樣表面覆蓋的滲劑厚度不小于10mm，然后蓋上坩堝蓋并用Al2O3粉與硅溶膠調(diào)配的料漿密封，料漿的配比為50g Al2O3粉中加入20ml硅溶膠；(d)將密封后的坩堝置于包埋滲爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至1150℃，保溫5h后，得到了厚度約為70μm組織結(jié)構(gòu)為外層Nb(Si,Al)2-Si3N4-AlN納米層+內(nèi)層Nb(Si,Al)2的復(fù)合涂層。
實(shí)施例3：
第一步，氮化處理制備表面氮化物層：(a)將合金試樣表面用80～1200#SiC水砂紙打磨光滑，在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)將合金試樣置于高溫氮化爐中，使用高純氮?dú)?99.999％)為氮源，調(diào)整其流量為150ml/min，然后加熱至1400℃，保溫8h后，得到了厚度為35μm的NbN+Nb4N3層；
第二步，Si-Al共滲處理：(a)將已制備有氮化物層的試樣在酒精中超聲波清洗10min后冷風(fēng)吹干備用；(b)按重量百分比20Si-16％Al-5％NaF-59％Al2O3來(lái)稱取、配制滲劑，然后將其混合均勻后放入球磨罐中在300轉(zhuǎn)/min下進(jìn)行3h的球磨；(c)將球磨后的滲劑一半裝入剛玉坩堝并壓實(shí)，放入經(jīng)步驟(a)處理后的試樣，用另一半滲劑覆蓋并再次壓實(shí)，試樣表面覆蓋的滲劑厚度不小于10mm，然后蓋上坩堝蓋并用Al2O3粉與硅溶膠調(diào)配的料漿密封，料漿的配比為50g Al2O3粉中加入20ml硅溶膠；(d)將密封后的坩堝置于高溫爐中，在氬氣保護(hù)下加熱至1250℃，保溫5h后，得到了厚度約為90μm組織結(jié)構(gòu)為外層Nb(Si,Al)2-Si3N4-AlN納米層+Nb(Si,Al)2中間層+Nb2Al內(nèi)層的復(fù)合涂層。