一种铌合金表面Ni-Cr抗氧化涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层及其制备方法，属于金属表面涂层材料及其制备技术领域。
【背景技术】
[0002]铌合金材料具有良好的高温强度、加工塑性，成为广泛应用于航空、航天、核工业等领域重要的高温结构材料，但由于铌合金的高温抗氧化性能较差，在600°C以上的空气中会发生剧烈氧化，严重制约了其应用。目前，提高铌合金高温抗氧化性能的主要途径有合金化和表面制备抗氧化涂层两种。合金化途径通过在铌基合金中添加T1、Al、Cr、Si等元素，使合金能在高温应用时自生氧化物保护膜，从而提高其抗氧化性，该方法通常以牺牲强度和加工性能为代价；表面制备抗氧化涂层可以在保持铌合金高温性能的情况下达到抗氧化的目的，成为解决铌合金高温抗氧化保护的主要途径。
[0003]目前，所开发的铌合金表面涂层以硅化物为主，此外还有贵金属、N1-Cr合金等，涂层制备技术主要包括料浆法、化学沉积、热喷涂及电镀等。例如，中国专利ZL200710192652.X公开了一种铌合金高温抗氧化硅化物涂层的制备方法，首先通过真空料浆烧结制备50-80 μ m厚的钥层(烧结温度1450?1550°C )，然后在氩气保护下包渗硅化制备MoSi2涂层(包渗温度1200?1300°C);专利申请201210237037.7公开了一种低密度铌合金高温抗氧化材料及其制备高温抗氧化涂层的方法，通过将含有S1、T1、Mo等多种合金元素的涂层料浆涂敷于基材上，在温度1200?1350°C、真空度大于IX 1-1Pa条件下熔烧10?30分钟，制得高温抗氧化涂层；中国专利ZL200710165074.0公开了一种高温抗氧化材料及涂层制备方法，通过将含有Al、MoSi2、N1、Mo等组成的涂层料浆涂敷于基材上，在温度1350?1650°C、真空度大于I X 1-1Pa条件下熔烧5?30分钟，形成50-140微米厚的高温抗氧化涂层；上述方法均需经过1200°C以上的高温处理，而铌合金在实际应用中，有时需要通过铜基、钯基等钎料实现与蓝宝石、不锈钢等材料的封接，且要求铌合金表面抗氧化涂层覆盖钎焊区(钎焊温度在1000°C左右)，因此，要求涂层制备的温度不能超过1000°C，从而限制了上述硅化物涂层的应用，如空间热离子反应堆电源用热离子燃料元件。N1-Cr合金表面在高温下能形成热力学稳定且致密的Cr203氧化膜，可用于600?1100°C下使用的高温抗氧化涂层，N1-Cr合金涂层的制备方法主要有电镀及热喷涂，涂层存在较多孔隙，为氧原子的扩散提供了通道，影响了涂层的抗氧化性能，同时涂层与基体的结合力较差，涂层易剥落；贵金属涂层的熔点较低，涂层使用温度低且成本很高，在实际应用中亦受到限制。
[0004]综上所述，在铌合金材料表面研发处理温度低、与基体结合牢固、具有良好抗氧化性能的涂层及其制备技术十分必要。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的是提供一种铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层，该涂层中Cr含量为30-40wt.%,具有优异的抗高温氧化性能。
[0006]—种银合金表面N1-Cr抗氧化涂层,该涂层由N1、Cr和银合金基体组成,其中，含有30-40wt.%的Cr，5-10wt.%的铌合金基体成份，其余为Ni。
[0007]所述的铌合金为C-103、Cb752、Nb-1Zr等牌号的铌合金。
[0008]铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层由电镀Ni层、电镀Cr层及铌合金基体表面薄层在脉冲激光瞬时作用下同时熔化和快速凝固而形成，涂层组织致密、含有高的Cr含量(30-40wt.%),赋予了涂层优异的抗高温氧化性能。
[0009]本发明的另一目的是提供上述铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层的制备方法，该涂层通过在银合金表面先电镀Ni,然后电镀Cr,最后通过脉冲YAG激光进行表面合金化而获得，所制备涂层与基体为完全冶金结合。
[0010]一种铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层的制备方法，包括如下步骤:首先在铌合金(零件)表面电镀Ni，然后电镀Cr，最后通过脉冲YAG激光进行表面合金化。所制备涂层与基体为完全冶金结合，涂层中Cr含量30-40wt.%，具有优异的抗高温氧化性能。
[0011]上述在铌合金表面电镀Ni，然后电镀Cr的过程为:先在铌合金(零件)表面用丙酮除油、铌合金零件酸洗(酸洗工艺参照QJ2910-97标准)，然后进行电镀N1、电镀Cr，电镀Ni层的厚度在10?100 μ m,电镀Cr层的厚度在8?85 μ m。
[0012]上述脉冲YAG激光表面合金化的工艺过程为:采用脉冲YAG激光对铌合金(零件)表面进行合金化，实现电镀Ni层、电镀Cr层的合金化及与基体合金的冶金结合。脉冲YAG激光表面合金化的工艺参数为:脉冲电流160-280A，脉宽2.5-3.5ms，频率6_10Hz，激光表面合金化线速度2-3mm/s,合金化道间距1.0mm。
[0013]本发明的铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层的制备方法中，激光表面合金化的轨迹根据零件的形状及涂层区域通过计算机控制运动系统来实现。
[0014]本发明可通过控制电镀Ni层、电镀Cr层的厚度及脉冲YAG激光表面合金化工艺灵活控制涂层成份及厚度。所得到的铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层成份为:含30-40wt.%的Cr、5-10wt.%的基体成份、其余为Ni。所述的铌合金为C-103、Cb752、Nb-1Zr等牌号的银合金。
[0015]激光表面合金化选择采用脉冲YAG激光，避免了连续激光作用下容易导致基体温度升高过快和基体对涂层稀释率过高的问题，根据电镀N1、电镀Cr层的厚度，合理选择脉冲YAG激光的电流、脉宽及频率，可在保证涂层与基体完全冶金结合的同时，实现对涂层稀释率的有效控制，以保证涂层具有优异的抗高温氧化性能。
[0016]综上所述，本发明的铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层及其制备方法中，涂层中Cr的质量分数为30?40%，涂层中Cr的含量及涂层厚度通过铌合金表面电镀Ni层、电镀Cr层的厚度及脉冲YAG激光表面合金化工艺来控制。本发明所制备的铌合金表面N1-Cr抗氧化涂层是电镀Ni层、电镀Cr层及基体表面薄层在脉冲激光瞬时作用下同时熔化和快速凝固