一种高温抗氧化复合涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体来说涉及一种高温抗氧化复合涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]高温防护涂层主要应用于航空航天、核工业及燃气轮机等工业制造的热端部件。金属铌具有熔点高、密度小及高温比强度大等优点，被认为是最有潜力代替现有镍基合金的高温结构材料。但是铌及铌合金的抗氧化性较差，纯金属Nb在600°C下发生灾难性“粉化”氧化现象，其氧化属于具有明显氧化物层裂纹的体系，随着氧化层的增厚，氧化物与金属界面上产生的内应力会使氧化层开裂，随后发生灾难性氧化。因此，提高铌及铌合金的抗高温氧化性，在其表面形成保护性氧化膜，是拓宽其应用的关键。
[0003]合金化和表面涂层保护能有效提高金属的抗氧化性，合金化通常以损失强度和加工性能为代价，而表面加涂层保护对金属的力学性能影响很小，并能显著提高抗氧化性，实验证明是切实可行的途径。相关应用的文献如:①申请号为201210237037.7的中国专利，公开了一种低密度铌合金高温抗氧化材料及由其制备高温抗氧化涂层的方法，该专利采用表面涂覆方法，将按重量计组分为“B为0.5wt%，SiSl0wt%，T i为2wt%，Ge为1.5wt%,Mo为Iwt %，HfO2^ 0.8wt %，W为0.7wt %，S为0.25wt %，余量为Al ”的材料涂覆在基材表面，有效解决了低密度铌合金在800°C以上，尤其是在1100°C上下大气环境中剧烈氧化问题，最大程度的保留合金的高温力学性能，同时扩大低密度铌合金适用范围并延长其使用寿命。②申请号为201110024937.9的中国专利，公开了一种在铌钨合金上制备高温抗氧化涂层的方法，该专利主要是通过用冷喷涂和激光熔覆技术在铌钨合金(Nb521)表面制备高温抗氧化纳米复合涂层，该方法令涂层粉体间组织紧密，大大提高了涂层的致密性；③申请号为200610137224.2的中国专利，公开了一种高温抗氧化材料及由其制备的高温抗氧化涂层，该专利主要是通过将高温抗氧化材料制成粉末，加入其他涂料混合后涂覆于基体后进行熔烧制备涂层进行熔烧，该涂层具有抗氧化腐蚀、抗冲刷等性能，并能够广泛应用在发动机喷嘴、涡轮叶片、燃烧室以及其他高温结构部件上；④申请号为200710192652.X的中国专利，公开了一种铌合金高温抗氧化硅化物涂层及其制备方法，该专利首先在铌合金基体表层通过真空烧结粒度钼层，然后在氩气保护下，通过包渗硅化制备涂层，该方法制备的涂层组分和厚度较均匀，致密度较料浆反应烧结法有较大提高，且工艺简单，对设备要求低。本发明采用包埋渗铝技术及化学镀技术，能明显提高铌及铌合金的高温抗氧化和抗腐蚀性能，目前，未见相关文献报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对铌及铌合金高温抗氧性差的缺点，利用化学镀技术和包埋渗技术，提供一种新型的高温抗氧化复合涂层及其制备方法，较大幅度的提高了复合涂层的高温抗氧化效果，延长铌及铌合金的使用寿命。
[0005]本发明的技术方案为:
[0006]一种高温抗氧化复合涂层，先通过包埋渗铝技术，在基材上渗入铝，形成渗铝层，再通过化学镀技术，在渗铝层上沉积N1-P镀层，形成高温抗氧化复合涂层；
[0007]所述包埋渗铝技术的渗剂组分按重量百分比为！Al2O3粉85?89%、Al粉9?11%、NaF 粉 2 ?4% ；
[0008]所述化学镀技术的镀液配方为:硫酸镍25?35g/L、次亚磷酸钠15?25g/L、柠檬酸三钠15?20g/L、氯化铵10?25g/L、乙酸钠15?25g/L。
[0009]以上所述的高温抗氧化复合涂层，所述基材优选为铌或铌合金，也可为其他的耐高温的材料。
[0010]一种以上所述高温抗氧化复合涂层的制备方法，包括前处理、包埋渗铝、化学镀预处理、制备N1-P镀层步骤:
[0011]1.前处理:将基材先后在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗各lOmin，吹干；
[0012]2.包埋渗铝:按如下重量百分比配制渗剂！Al2O3粉85?89%、Al粉9?11%、NaF粉2?4%，混匀研磨，将充分混匀的渗剂及前处理好的基材置管式炉中，抽真空至2 X KT1?3 X 10-1Pa,管式炉升温速率为6?7°C /min，在温度为850?950°C的炉温下保温3?4小时，保温完成后，随炉冷却到室温，得到渗铝层；
[0013]3.化学镀预处理:将前处理好的基材放入配方为“15?20g/LSnCl2、3.5?4%盐酸(体积比，其中盐酸浓度为36?38% ) ”的水溶液中进行敏化，敏化时间为2min，水洗，再放入配方为“0.002?0.003g/L PbCl2、3.5?4%盐酸(体积比，其中盐酸浓度为36?38% ) ”的水溶液中进行活化，活化时间为5min，水洗；
[0014]4.制备N1-P镀层:按如下配方配制镀液:硫酸镍25?35g/L、次亚磷酸钠15?25g/L、柠檬酸三钠15?20g/L、氯化铵10?25g/L、乙酸钠15?25g/L，用氨水调节镀液的pH值至7.5?9.0，将经包埋渗铝并预处理好的基材悬挂于镀液中，置温度为70?85°C的水浴锅中反应0.5?1.5小时，得到高温抗氧化复合涂层。
[0015]以上所述的高温抗氧化复合涂层，所述基材优选为铌或铌合金，也可为其他的耐高温的材料，如金属、合金等。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017]1.本发明采用包埋渗技术和化学镀技术制备的复合涂层，利用扫描电镜(SEM)观察:表面呈胞状物结构，胞状物之间结合紧密，无裂纹、孔洞现象，涂层表明结构致密。
[0018]2.该复合涂层是在基材表面渗入铝再镀N1-P镀层，区别于其他直接将Al、Ni等元素添加到铌及铌合金的方法，本发明在渗铝过程中将Al渗透至基材内层，发生明显的扩散，再镀N1-P镀层，复合涂层截面主要含渗Al涂层、N1-P镀层，涂层与镀层、基材之间结合力均紧密、良好，是一种新型合金化手段，具有良好的抗腐蚀性和耐磨性。
[0019]3.该复合涂层能有效延长铌及铌合金的使用寿命。涂层表面富Al、Ni，在高温环境中生成连续致密的Al2OJ莫、AlNi相、N1相等，从而延缓涂层的退化，表现出良好的抗高温氧化性能，高温氧化增重试验表明，1000°C的高温抗氧化性能比基材提高25?59倍。
[0020]4.通过控制沉积参数可获得不同成分和厚度的涂层，工艺简单且重复性好，可用于工业大面积制备。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1复合涂层XRD图谱
[0022]图2为本发明实施例1复合涂层表面形貌
[0023]图3为本发明实施例1复合涂层截面形貌
[0024]图4为本发明实施例1复合涂层在1000°C氧化20h的XRD图谱
[0025]图5为本发明实施例1复合涂层在1000 °C氧化20h的截面形貌
[0026]图6为本发明实施例2复合涂层截面形貌
[0027]图7为本发明实施例2复合涂层在1000°C氧化20h的XRD图谱
[0028]图8为本发明基材与实施例1、实施例2复合涂层的样品在1000°C氧化20h的氧化增重曲线
[0029]图9为本发明实施例3复合涂层在1000 °C氧化20h的表面形貌
[0030]图3、5、7、8中的序号分别为:
[0031]1.N1-P镀层;2.渗铝层;3.基材;4.Al2O3膜;5.复合涂层；
[0032](a)实施例2样品(b)实施例1样品(C)铌合金基材
【具体实施方式】
[0033]下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述，但不限制本发明的保护范围和应用范围。
[0034]一、抗高温氧化复合涂层的制备方法
[0035]实施例1
[0036]一种高温抗氧化复合涂层的制备方法，包括以下操作步骤:
[0037]1.前处理:将铌合金基材(其元素含量为:Hf 10.0%, Ti 1.30%, Zr 0.34%, W0.31%, Ta 0.30%, C < 0.005%, N < 0.014%, O < 0.013%，余量为 Nb)先后在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗各lOmin，吹干；
[0038]2.包埋渗铝:按如下重量百分比配制渗剂！Al2O3粉87%、A1粉10%、NaF粉3%，混匀研磨，将充分研磨的渗剂及前处理好的铌合金基材置管式炉中，抽真空至3 X KT1Pa,管式炉升温速率为7°C /min,在温度为950°C的炉温下保