專利名稱：在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法
技術領域：
本發明涉及用冷噴涂和激光熔覆技術在鈮鎢合金(Nb521)表面制備高溫抗氧化 納米復合涂層的方法，尤其是在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法。
背景技術：
目前，我國正在擴展太空運載火箭工業，以便支持衛星發射服務和載人航天及月 球探索計劃。在擴展太空運載火箭工業的同時，火箭發動機也在不斷升級，隨著火箭發動機 的升級，新型高溫高比強度鈮鎢合金(Nb521)材料在發動機高溫部件的應用也越來越多， 而應用于這些高溫部件的鈮鎢合金(Nb521)大多是表面加制高溫抗氧化，抗腐蝕性能涂層 的材料。目前，國內鈮鎢合金(Nb521)涂層的制備方法主要是采用微米涂層粉體使用漿料 熔燒法。其方法是取300 500目(粒度觀 48微米)的幾種涂層配方粉料，加入無水 乙醇或純水均勻混合制成涂層料漿，然后將涂層料漿涂覆在鈮鎢合金(Nb521)基材上，在 溫度1350°C 1650°C真空爐中燒結制得。該方法詳見公開(公告)號為CN1948218，發明 名稱為《高溫抗氧化材料及由其制備的高溫抗氧化涂層》發明專利申請文件。但申請人在使用中發現上述方法采用微米涂層粉體使用漿料熔燒法，該制備方法 涂層使用粉體為300 500目，也就是粒度為觀 48微米，這種微米粉體制備的涂層結 構疏松，涂層粉體間隙大，在高溫大氣環境下，由于氧的侵蝕，涂層先從粉體間隙開始破壞 進而擴散，這種局部性破壞，導致整個零件提前報廢，大大縮短了零件和涂層的整體壽命。 而且用該方法制備的鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化涂層涂層和基材的結合力不強，且涂層 脆，彎曲大于45°涂層會發生脆斷，且彎曲區涂層會出現脫落，導致該涂層在安裝或工作過 程需彎曲的高溫工件上無法使用。
發明內容
本發明的目的是提供一種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，該方法能夠 提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質的滲透，在高溫大氣環境下，避免涂層出現局部破壞而影 響整體涂層的使用，涂層達到壽命時整體失效，避免了因局部涂層破壞而使整個零件提前 報廢，尤其是用該方法制備的鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化涂層的韌性好，涂層和基材的 結合力強，彎曲180°涂層不會脆斷也不會脫落。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是—種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特別之處在于，包括如下步 驟a、取高溫抗氧化材料，將其中的Mo和Si組分分別加工成納米粉體待用，然后將其 余組分混合后也加工成納米粉體待用；b、先將Si納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；C、再將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；
d、然后將Mo納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上，此時所有涂層總厚度控制在 50 140微米；e、將噴涂后的鈮鎢合金基材用激光束輻照掃描熔化涂層即可。其中步驟b中使用冷噴涂設備將鈮鎢合金基材固定在機架上，將Si納米粉體加入 送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工 作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣 為工作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂過程；步驟c中將步驟a中所述 的其余組分混合后的納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直 徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂 過程；步驟d中將Mo納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa，噴嘴選用喉部直徑 2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米vw，啟動設備完成噴涂過 程。其中步驟e中激光束輻照掃描過程激光波長10. 6 μ m,激光輸出功率2. 8 4kW、 光束掃描速度2. 5 5. 5mm/s。一種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特別之處在于，包括如下步 驟a、取高溫抗氧化材料，將其中的Mo和Si組分分別加工成納米粉體待用，然后將其 余組分混合后也加工成納米粉體待用；b、先將Mo納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；C、再將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；d、然后將Si納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上，此時所有涂層總厚度控制在 50 140微米；e、將噴涂后的鈮鎢合金基材用激光束輻照掃描熔化涂層即可。其中步驟b中使用冷噴涂設備將鈮鎢合金基材固定在機架上，將Mo納米粉體加入 送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工 作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣 為工作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂過程；步驟c中將步驟a中所述 的其余組分混合后的納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直 徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm,用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂 過程；步驟d中將Si納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa，噴嘴選用喉部直徑 2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米vw，啟動設備完成噴涂過 程。其中步驟e中激光束輻照掃描過程激光波長10. 6 μ m,激光輸出功率2. 8 4kW、 光束掃描速度2. 5 5. 5mm/s。本發明是用冷噴涂和激光熔覆技術在鈮鎢合金(Nb521)表面制備高溫抗氧化納米復合涂層，用該技術制備的鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化納米復合涂層結構致密，涂層 粉體間組織緊密，大大提高了涂層的致密性。通過提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質的滲 透，在高溫大氣環境下，避免涂層出現局部破壞而影響整體涂層的使用，涂層達到壽命時整 體失效，避免了因局部涂層破壞而使整個零件提前報廢。尤其是用該方法制備的鈮鎢合金 (Nb521)高溫抗氧化涂層的韌性好，涂層和基材的結合力強，彎曲180°涂層不會脆斷也不 會脫落，解決了鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化涂層在安裝或工作過程需彎曲的高溫工件上 無法使用的問題。本發明采用的冷噴涂工藝噴涂時，在盡可能低的溫度下進行噴涂，噴涂粒子以高 速撞擊基體表面，在整個過程中粒子沒有熔化，保持固體狀態，粒子發生純塑性變形聚合形 成涂層，涂層與基材不會被氧化。冷噴涂工藝制成的涂層，孔隙度很低，而且防氧化、防相 變，對多種金屬或其它材料組合均可減少張應力。冷噴涂技術無需熔化粉末，直接進行涂 覆。在冷噴涂過程中，由于噴涂溫度較低，發生相變的驅動力較小，固體粒子晶粒不易長大， 氧化現象很難發生。用傳統的熱噴涂方法噴涂到基體表面上會引起其成分、性能與結構的 變化。而用冷噴涂將會保留其基本的結構和性質。由于噴涂后的涂層與基材的結合一般是 機械結合方式，其結合強度較低。噴涂后用激光熔覆技術進行激光熔覆，在激光束輻照熔化 涂層時，基材表面也出現一薄層0. 05-0. Imm微熔層，在快速凝固后涂層與基體形成冶金結 合，涂層與基材結合強度極高。
具體實施例方式本發明方法所采用的高溫抗氧化材料是指背景技術中公開(公告)號為 CN1948218，中請號為2006101372M. 2，發明名稱為《高溫抗氧化材料及由其制備的高溫抗 氧化涂層》的發明專利申請文件中公開的高溫抗氧化材料。用冷噴涂和激光熔覆技術在鈮鎢合金(Nb521)表面制備高溫抗氧化納米復合涂 層，涂層設計方案選用Si+W+Mo合金系。涂層厚度通過送粉量控制在50 140微米。主 要設備1.KINETIKS 4000系統冷噴涂機組(包括控制柜、加熱器、送粉器、冷噴涂噴槍)2. AMS-W1000WA 激光器。實施例1 第一步采用液氮低溫球磨技術將粒度為28 48微米的Mo、Si粉體納米化加工 制備出高熱穩定性的納米粉體，一起將其它粒度為觀 48微米的粉體MoSi2、W、Hf02、Y按 專利申請CN1948218中的配比混合后采用液氮低溫球磨15-20小時納米化加工。第二步將鈮鎢合金(Nb521)試樣固定在機架上，將液氮低溫球磨制得的Si納米 粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克 /分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa。噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm。 用氮氣(N2)為工作氣，N2流量為30-55標米7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動 完成噴涂過程。第三步將MoSi2、W、HfO2, Y納米化加工后的混合粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進 口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增 壓至3. 5Mpa。噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm。用隊為工作氣，隊流量為 30-55標米7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動完成噴涂過程。
第四步將液氮低溫球磨制得的Mo納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工 作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至 3. 5Mpa。噴嘴選用喉部直徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm。用N2為工作氣，N2流量為30-55標米 7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動完成噴涂過程。第五步將噴涂后的試樣用激光束輻照掃描熔化涂層，在激光輻照熔化涂層時， 鈮鎢合金(Nb521)表面也出現一薄層0. 05-0. Imm微熔層，在快速凝固后涂層與鈮鎢合金 (Nb521)基體形成冶金結合。此時，便制成鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化復合涂層。冷噴涂 完成激光熔覆之后的復合涂層涂層厚度90微米。實施例2 第一步采用液氮低溫球磨技術將粒度為28 48微米的Mo、Si粉體納米化加工 制備出高熱穩定性的納米粉體，一起將其它粒度為觀 48微米的粉體MoSi2、W、Hf02、Y按 專利申請CN1948218中的配比混合后采用液氮低溫球磨15-20小時納米化加工。第二步將鈮鎢合金(Nb521)試樣固定在機架上，將液氮低溫球磨制得的Mo納米 粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克 /分，工作氣加熱到550°C，增壓至3.5Mpa。噴嘴選用喉部直徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm。用 N2為工作氣，N2流量為30-55標米7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動完成噴涂 過程。第三步將MoSi2、W、HfO2, Y納米化加工后的混合粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進 口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增 壓至3. 5Mpa。噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm。用隊為工作氣，隊流量為 30-55標米7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動完成噴涂過程。第四步將液氮低溫球磨制得的Si納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工 作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至 3. 5Mpa。噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm，出口直徑8. 6mm。用N2為工作氣，N2流量為30-55 標米7時。在控制系統設置好參數，啟動系統自動完成噴涂過程。第五步將噴涂后的試樣用激光束輻照掃描熔化涂層，在激光輻照熔化涂層時， 鈮鎢合金(Nb521)表面也出現一薄層0. 05-0. Imm微熔層，在快速凝固后涂層與鈮鎢合金 (Nb521)基體形成冶金結合。此時，便制成鈮鎢合金(Nb521)高溫抗氧化復合涂層。冷噴涂 完成激光熔覆之后的復合涂層涂層厚度90微米。用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡對制得鈮鎢合金(Nb521)涂層的微觀組織與結 構進行了詳細分析發現，冷噴涂后再經激光熔覆的涂層致密化程度比微米粉體料漿熔燒法 制得涂層致密化程度有了很大的提高，Mo和Si納米顆粒不僅填充在晶粒之間，而且還嵌入 在大晶粒內部。對Mo、Si粉體和涂層的顯微結構及物相組成進行了觀察和確定，采用該技 術制備的鈮鎢合金(Nb521)表面納米復合涂層，與原始的納米粉體相比，納米涂層沒有發 生相變，晶粒也沒有長大。將制得的鈮鎢合金(Nb521)納米復合涂層進行高溫抗氧化性能測試，結果見表1.
高溫抗氧化性能實驗數據表權利要求
1.一種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟a、取高溫抗氧化材料，將其中的Mo和Si組分分別加工成納米粉體待用，然后將其余組 分混合后也加工成納米粉體待用；b、先將Si納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；C、再將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；d、然后將Mo納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上，此時所有涂層總厚度控制在50 140 微米；e、將噴涂后的鈮鎢合金基材用激光束輻照掃描熔化涂層即可。
2.如權利要求1所述的在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于其中步驟b中使用冷噴涂設備將鈮鎢合金基材固定在機架上，將Si納米粉體加入送粉 器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣 加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工 作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂過程；步驟c中將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口 處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增壓 至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為 30-55標米，啟動設備完成噴涂過程；步驟d中將Mo納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴嘴選用喉部直徑 2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米vw，啟動設備完成噴涂過 程。
3.如權利要求1所述的在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于其中步驟e中激光束輻照掃描過程激光波長10. 6 μ m,激光輸出功率2. 8 4kW、光束 掃描速度2. 5 5. 5mm/So
4.一種在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟a、取高溫抗氧化材料，將其中的Mo和Si組分分別加工成納米粉體待用，然后將其余組 分混合后也加工成納米粉體待用；b、先將Mo納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；C、再將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；d、然后將Si納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上，此時所有涂層總厚度控制在50 140 微米；e、將噴涂后的鈮鎢合金基材用激光束輻照掃描熔化涂層即可。
5.如權利要求4所述的在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于其中步驟b中使用冷噴涂設備將鈮鎢合金基材固定在機架上，將Mo納米粉體加入送粉 器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣 加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工 作氣，氮氣流量為30-55標米，啟動設備完成噴涂過程；步驟c中將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口 處工作氣壓力調整為3Mpa，溫度350°C，送粉速度為30克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴槍噴嘴選用喉部直徑2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為 30-55標米3/時，啟動設備完成噴涂過程；步驟d中將Si納米粉體加入送粉器，將噴槍噴嘴進口處工作氣壓力調整為3Mpa，溫 度450°C，送粉速度為20克/分，工作氣加熱到550°C，增壓至3. 5Mpa,噴嘴選用喉部直徑 2. 7mm,出口直徑8. 6mm，用氮氣為工作氣，氮氣流量為30-55標米vw，啟動設備完成噴涂過 程。
6.如權利要求4所述的在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于 其中步驟e中激光束輻照掃描過程激光波長10. 6 μ m,激光輸出功率2. 8 4kW、光束 掃描速度2. 5 5. 5mm/So
全文摘要
本發明涉及用冷噴涂和激光熔覆技術在鈮鎢合金(Nb521)表面制備高溫抗氧化納米復合涂層的方法，尤其是在鈮鎢合金上制備高溫抗氧化涂層的方法。其特點是，包括如下步驟a、取高溫抗氧化材料，將其中的Mo和Si組分分別加工成納米粉體待用，然后將其余組分混合后也加工成納米粉體待用；b、先將Si納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；c、再將步驟a中所述的其余組分混合后的納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上；d、然后將Mo納米粉體冷噴涂在鈮鎢合金基材上，此時所有涂層總厚度控制在50～140微米；e、將噴涂后的鈮鎢合金基材用激光束輻照掃描熔化涂層即可。本發明方法令涂層粉體間組織緊密，大大提高了涂層的致密性。
文檔編號C23C24/10GK102071419SQ20111002493
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者周小軍, 王秋迎, 王立斐, 王莉, 趙剛 申請人:寧夏東方鉭業股份有限公司