一种TZM合金薄板表面硅化物涂层的制备方法与流程

本发明涉及难熔金属的再制造技术领域，具体为一种tzm合金薄板表面硅化物涂层的制备方法。

背景技术：

tzm是一种典型的钼基合金，其熔点高、热膨胀系数小、强度大、弹性模量高、导电和导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能好，在军事工业、航天技术和能源设备领域已经有广泛的的应用。但是，tzm合金的高温抗氧化能力不佳，影响了在高温条件下的长期有效使用。

目前提高tzm合金高温氧化性能的方法是添加硅化钼涂层。mosi2是一种典型的高温合金热障涂层材料，具有优异的高温抗氧化性能，在高温下发生氧化时可形成致密的非晶态sio2保护内部金属不被氧化。

然而，mosi2涂层脆性较大，在使用时易于出现应力与裂纹。由于tzm合金和mosi2的热膨胀系数有差异，因而涂层结合力不强，在工程使用中常发生涂层脱落现象。因此，改善tzm合金和mosi2涂层之间的结合具有非常重要的现实意义。

技术实现要素：

为解决现有技术中tzm合金和涂层之间结合力较弱的缺陷，本发明提供一种tzm合金薄板表面硅化物涂层的制备方法。在tzm合金和mosi2涂层之间溅射纯al元素层，随后通过激光熔覆工艺使纯al元素层溶于tzm合金和mosi2涂层之间的界面处，可有效的改善tzm合金和mosi2涂层的结合力，从而减少硅化钼涂层的脱落现象。

本发明提供的上述tzm合金薄板表面硅化物涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对tzm合金薄板进行表面抛光，随后用酒精或丙酮清洗，烘干；

(2)通过磁控溅射在步骤(1)获得的tzm合金薄板上溅射纯al元素层；

(3)采用行星式球磨机，将含硅合金粉末进行球磨；

(4)运用co2激光器，将步骤(3)获得的含硅合金粉末通过同步送粉法熔覆在步骤(2)获得的溅射纯al元素层的tzm合金薄板上，制成表面硅化物涂层。

优选地，步骤(1)所述的tzm合金薄板的厚度为3～5mm。

具体地，步骤(2)所述溅射，为使用高纯氩气作为溅射气体，氩气气流量为25～35sccm，氩气溅射气压为0.15～0.35pa。

优选地，步骤(2)所述的纯al元素层的厚度为10～20μm，更优选为10～15μm。

优选地，步骤(3)所述球磨的时间为18～24h，球磨转速为200～300r/min。

具体地，步骤(3)所述合金粉末的成分为按质量百分比由以下mo52～63％，nb6.5～11％，al3.5～5.5％组成，余量为si和各杂质元素，杂质元素的总量小于0.5％。

具体地，所述元素mo、nb、al和si均以粉末的形式加入，各元素粉末纯度大于99.5％，颗粒直径小于4.5μm。

具体地，步骤(4)中所述送粉法，具体为送粉速度4～8g/min，氩气流量5～9l/min，激光功率1.0～1.5kw，更优选为1.0～1.2kw，激光搭接率为40～60％，扫描速度6～10mm/s。

有益效果：

(1)本发明在tzm合金薄板中溅射纯al薄层，随后通过激光扫描将tzm合金薄板、纯al元素层和mosi2涂层结合在一起，可以改善mosi2涂层的力学性能，提高tzm合金和mosi2涂层之间的结合强度。

(2)采用激光熔覆技术工艺在溅射纯al元素层的tzm合金薄板上制备mosi2涂层，可以通过激光工艺参数的控制溶解先前溅射的纯al元素层，并避免对基体tzm合金的大量溶解。

(3)al、nb元素的添加，会对mosi2涂层产生合金化作用，可以改善mosi2涂层的综合性能。

al元素作为mosi2合金的常见合金化元素，在tzm合金和mosi2涂层的界面处偏聚能够发挥其界面元素效应，可在一定程度上改善tzm合金和mosi2涂层的界面结合强度。但由于al元素与tzm合金和mosi2涂层的线膨胀系数和机械模量等都有较大的差异，因而纯al元素层厚度不宜太大，10～20μm厚度即可，否则易导致涂层在该层处发生破坏。传统预置粉末工艺显然会导致纯al元素层厚度过大，所以采用相对先进的磁控溅射方法能够较好的实现纯al元素层的厚度控制。

随后采用激光熔覆技术工艺在溅射纯al元素层的tzm合金薄板上制备mosi2涂层。激光熔覆技术具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好等特点，可以通过激光工艺参数的控制溶解先前溅射的纯al元素层，并避免对基体tzm合金的大量溶解。考虑到tzm合金为薄板，激光熔覆时应选用相对较小的激光功率，激光功率为1.0～1.5kw。

在激光熔覆mosi2涂层时，选用合金化的硅化物粉末，涂层中应包含溅射层的al元素，以保证溅射层在mosi2涂层中的溶解。al在mosi2晶格中主要占据si原子亚点阵位置，随着al元素含量的增加，将导致mosi2涂层中mo-si之间的共价键减少，金属键增加，可以提高涂层的塑性和韧性，从而降低涂层在使用过程中的应力集中和开裂倾向。除此之外，al元素还可以提高mosi2涂层的抗氧化性能，在涂层表面可形成al2o3保护层，这有助于消除mosi2涂层的“pesting”现象。nb元素则可以改善mosi2涂层的高温性能和韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的tzm合金薄板表面硅化物涂层横截面的金相组织图。

具体实施方式

对比例1：首先将对厚度为4mm的tzm合金薄板进行表面抛光，用酒精清洗并烘干。将质量百分比组成为mo52％，nb11％，al4.5％，余量为si的合金粉末进行球磨，球磨时间为22h，转速为250r/min；运用co2激光器，将合金粉末通过同步送粉法熔覆在tzm合金薄板上，送粉速度6g/min，氩气流量7l/min，激光功率1.2kw，扫描速度10mm/s。经实验测得基体与涂层的结合强度为6.1mpa。

实施例1：首先将对厚度为4mm的tzm合金薄板进行表面抛光，用酒精清洗并烘干，随后通过磁控溅射钼合金上溅射15μm厚度的纯al元素层。将质量百分比组成为mo52％，nb11％，al4.5％，余量为si的合金粉末进行球磨，球磨时间为22h，转速为250r/min；运用co2激光器，将合金粉末通过同步送粉法熔覆在溅射纯al元素层的tzm合金薄板上，送粉速度6g/min，氩气流量7l/min，激光功率1.2kw，扫描速度10mm/s。

经实验测得基体与涂层的结合强度为7.8mpa，与对比例1相比，在相同激光工艺参数下，基体与涂层的结合强度有明显提高。图1为本发明制得tzm合金薄板表面硅化物涂层横截面的金相组织，从图中可以看出激光熔覆制备的硅化物涂层组织均匀致密，且与tzm合金基体结合良好。

实施例2：首先将对厚度为3mm的tzm合金薄板进行表面抛光，随后通过磁控溅射tzm合金上溅射10μm厚度的纯al元素层。将质量百分比组成为mo58％，nb8.0％，al5.5％，余量为si的合金粉末进行球磨，球磨时间为20h，转速为300r/min；运用co2激光器，将合金粉末通过同步送粉法熔覆在溅射纯al元素层的tzm合金薄板上，送粉速度6g/min，氩气流量7l/min，激光功率1.0kw，扫描速度6mm/s。经实验测得基体与涂层的结合强度为8.1mpa。

实施例3：首先将对厚度为3mm的tzm合金薄板进行表面抛光，随后通过磁控溅射tzm合金上溅射10μm厚度的纯al元素层。将质量百分比组成为mo63％，nb6.5％，al3.5％，余量为si的合金粉末进行长时间球磨，球磨时间为20h，转速为300r/min；运用co2激光器，将合金粉末通过同步送粉法熔覆在溅射纯al元素层的tzm合金薄板上，送粉速度6g/min，氩气流量7l/min，激光功率1.2kw，扫描速度10mm/s。经实验测得基体与涂层的结合强度为7.7mpa。