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铌钨合金的抗氧化涂层

发布时间:2016-09-23

铌作为难熔金属,在航天领域得到了重要应用。铌钨合金在高温下具有高强度而在室温下又具有良好塑性,可用常规成形加工技术制成各种加工材和零件,用于航天飞机蒙皮、核反应堆工程、喷气发动机零件以及空间发电系统热辐射屏和导管等。我国嫦娥三号相关配套设施部分即采用铌钨合金。宁夏东方钽业公司新研制的铌钨合金成功地应用于“鑫诺6号”及“登月工程”等航天飞行器发动机上。

  

铌钨合金在高温有氧环境中会发生破坏性氧化,需要通过合金化改性和涂覆涂层进行保护,但合金化改性会严重影响材料高温力学性能,所以合金表面涂覆涂层防护成为研究重点,表面涂层抗高温氧化性能直接决定了航天飞行器发动机用铌钨合金的工作温度。东方钽业公司在所研制的铌钨合金上用料浆熔烧法制备了与之配套的硅化物涂层。他们研制的铌钨合金Nb521-1,主要成份为5W-2Mo-1Zr,其余为Nb。涂层制备工艺如下:将Si、Ti、Cr粉末按一定比例混合,加入一定量的有机溶剂,装入刚玉罐中,使用球磨机混料,滚筒转速200—300 r/min,刚玉滚球直径5—10 mm,球料体积比1:1,球磨时间24 h,混合均匀后制得粘稠悬浮料浆。料浆均匀涂敷于铌钨合金基材表面,置于真空烧结炉中于1320—1520 °C保温18—40 min,一次涂覆烧结后重复以上操作进行二次涂覆烧结,得到涂层。

  

他们发现,合金涂层在制备、使用的过程中会出现涂层堆积,堆积区域涂层表面明显异于其他正常区域,有点堆积和线堆积两种表面缺陷。涂层料浆中混杂涂层碎屑,在涂覆熔烧后会在制备的涂层表面产生点堆积;而在熔烧过程中,涂层出现脱落时,脱落面积超过剩余料浆的自流平弥补能力,就会产生线堆积,并与漏涂等表面缺陷伴生。对正常区域及堆积区域涂层的能谱扫描对比表明,点堆积或线堆积处涂层区域的成分与正常涂层的成分都没有显著差异;堆积涂层与正常涂层结构一致,主要由外层、主层和扩散层组成。正常涂层厚度为120微米左右,点堆积涂层厚度也在120微米左右,而线堆积区域涂层厚度波动较大,涂层较厚区域与其他区域有50微米左右的厚度差。点堆积是涂层颗粒嵌入涂层表层因而对截面影响不大,而线堆积是涂层制备过程中料浆的叠加,虽然不影响涂层的结构,但是会对涂层部分区域的厚度有较大影响。1800 °C静态抗氧化和1600 °C热循环寿命对比试验表明,点堆积涂层与正常涂层相差不大,这意味着在该试验条件下,点堆积对涂层性能不会造成恶劣影响;但线堆积一般都会有漏涂等表面缺陷伴生,高温测试证明,当工件表面有区域漏涂,则工件基体直接裸露在空气当中,势必导致工件在漏涂处快速失效。因此,只有对漏涂区域进行重新补涂,才能去除线堆积对于涂层性能的影响。

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