阅读说明：本技术 一种Cr-Si-Zr-B渗剂及其在钽及钽合金表面的应用方法 (Cr-Si-Zr-B permeating agent and application method thereof on tantalum and tantalum alloy surface ) 是由 李涌泉 梁国栋 陈宇红 秦春 董福元 李宁 蒋亮 于 2019-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属材料表面加工技术领域,涉及一种Cr-Si-Zr-B渗剂及其在钽及钽合金表面的应用方法。一种Cr-Si-Zr-B渗剂,按照重量百分比计,包括8％～10％Cr粉,6％～8％Si粉,2％～3％Zr粉,1.2％～1.5％B粉,5％～6％NaF粉,1％～2％NH<Sub>4</Sub>Cl粉,余量为Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>粉；一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法,包括1.将钽及钽合金的试样或工件进行表面纳米化处理；2.包埋渗法制备Cr-Si-Zr-B涂层。该发明,提高了钽及钽合金的热防护性能,所获得的涂层结合力好,组织均匀、致密,工艺简单、过程稳定、操作方便、加工效率高、成本低廉、易于实现。(The invention belongs to the technical field of metal material surface processing, and relates to a Cr-Si-Zr-B penetrating agent and an application method thereof on the surface of tantalum and tantalum alloy. A Cr-Si-Zr-B penetrant is prepared from Cr powder (8-10 wt.%), Si powder (6-8), Zr powder (2-3), B powder (1.2-1.5), NaF powder (5-6) and NH (1-2) 4 Cl powder and the balance of Al 2 O 3 Pulverizing; an application method of Cr-Si-Zr-B penetrant on the surface of tantalum and tantalum alloy comprises 1, carrying out surface nanocrystallization treatment on a sample or a workpiece of tantalum and tantalum alloy; 2. the embedding infiltration method is used for preparing the Cr-Si-Zr-B coating. The invention improves the thermal protection performance of tantalum and tantalum alloy, and the obtained coating has good binding force, uniform and compact structure, simple process, stable process, convenient operation, high processing efficiency, low cost and easy realization.)

一种Cr-Si-Zr-B渗剂及其在钽及钽合金表面的应用方法

技术领域

本发明属于金属材料表面加工技术领域，涉及一种Cr-Si-Zr-B渗剂及其在钽及钽合金表面的应用方法。

背景技术

钽及钽合金因其高熔点、高密度、超耐腐蚀、良好的高温强度和可加工性，成为航空航天、船舶等领域的高温结构候选材料。然而，钽及钽合金的高温热防护性能，主要为抗氧化性能极差，严重制约了其生产应用。因此，提高钽及钽合金的高温热防护性能是解决钽合金作为高温结构材料的当务之急。

目前，提高钽及钽合金抗高温氧化性能的方法主要为合金化和表面涂层技术。前者通过添加合金化元素W、Nb、Hf、V、Al、C和Y等，形成了Ta-W、Ta-V、Ta-Hf、Ta-W-Al-Y等系列合金，虽然取得了一定的成果，但过度的合金化也影响了材料的其它性能，特别是高温力学性能。因此，表面涂层技术是改善钽及钽合金高温性能的必由之路。

Li.H等人在《International Journal of Refractory Metals&Hard Materials》中发表的文章《Microstructure andphase evolution of ceramic layers on Ta-2.5Walloy》指出，采用离子渗氮技术在钽合金表面制备了Ta-N陶瓷层，显著的提高了合金的硬度和高温性能；唐勇等人在《稀有金属材料与工程》发表的文章《钽合金高温抗氧化铱涂层的制备》指出，在Ta-12W合金上制备了铱涂层，在1700℃时，涂层的抗氧化寿命可达15min。另外，已有的研究表明，铬、硅元素氧化后生成的膜层有优异的自弥合性和阻止氧扩散能力，是一种良好的高温热防护涂层，但单一的铬、硅化物涂层韧性不足，需要添加其它元素来提高其韧性和抗剥落能力，如，在涂层中添加适量的活性元素Zr、B等，利用其活性元素效应(REE,Reactive Element Effect)，有效改善涂层的组织结构及其与基体的结合力，增加涂层的高温抗氧化及力学性能。

通过包埋渗(扩散渗)法制备上述涂层时，需要较高的温度，对基体合金的性能会造成一定程度的影响，而表面纳米化技术，可以使金属表面的晶粒发生往复强烈塑性变形而细化至纳米量级，表面高体积分数的纳米晶界面具有加快化学反应和为原子扩散提供通道的作用，可大大地简化包埋渗的条件，如降低温度缩短时间等。

目前，通过表面纳米化低温包埋渗法在钽及钽合金表面制备热防护Cr-Si-Zr-B涂层的制备技术及其应用尚属空白。因此，研究和实现具备热防护性能的Cr-Si-Zr-B涂层的制备技术对钽及钽合金工程应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Cr-Si-Zr-B渗剂，可在钽及钽合金表面形成Cr-Si-Zr-B涂层，结合力好，组织均匀且致密，有效提高钽及钽合金的热防护性能。

本发明的目的还在于提供一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法，通过在钽及钽合金表面纳米化低温渗Cr-Si-Zr-B涂层，减小对基体合金性能的影响，工艺简单、易于实现。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种Cr-Si-Zr-B渗剂，按照重量百分比计，包括8％～10％Cr粉，6％～8％Si粉，2％～3％Zr粉，1.2％～1.5％B粉，5％～6％NaF粉，1％～2％NH₄Cl粉(分析纯)，余量为Al₂O₃粉。该渗剂，为制备Cr-Si-Zr-B涂层的渗剂，简称为Cr-Si-Zr-B渗剂。

一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法，包括如下步骤：

(1)将钽及钽合金的试样或工件进行表面纳米化处理；

(2)包埋渗法制备Cr-Si-Zr-B涂层。

进一步地，该应用方法，步骤(1)表面纳米化处理过程，包括如下步骤：

S1.将钽及钽合金的试样或工件置于喷丸腔室；

S2.机械振动式喷丸；

S3.将喷丸后的试样或工件使用流动水冲洗，再进行烘干，备用。

更进一步地，步骤S2机械振动式喷丸中，弹丸直径为5～7mm，机械振动频率为50Hz，弹丸与样品相距15～17mm，喷丸时间为80～100min。

进一步地，该应用方法，步骤(2)包埋渗Cr-Si-Zr-B涂层的过程，包括如下步骤：

S1.将经过表面纳米化处理的试样或工件使用流动水冲洗，吹干；

S2.配制Cr-Si-Zr-B渗剂并置于球磨机中研磨；

S3.将Cr-Si-Zr-B渗剂置于温度为180℃的烘箱中保温1～2h进行烘干；

S4.将烘干后的Cr-Si-Zr-B渗剂装入坩埚，并把试样埋入其中，且相邻试样之间保持一定距离；

S5.把装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后，再置于马弗炉中，并在180℃下保温0.5h；

S6.马弗炉升温至920～940℃并保温3～5h后，随炉冷却至室温；

S7.取出试样，使用流动水冲洗，再进行烘干，结束。

更进一步地，步骤S5中，硅溶胶及三氧化二铝的配制方法为，每1L硅溶胶中加入1.5kgAl₂O₃并混合。

本发明Cr-Si-Zr-B渗剂及其在钽及钽合金表面的应用方法的有益效果为，在钽及钽合金表面纳米化低温渗Cr-Si-Zr-B涂层，有效解决了钽及钽合金热防护性能差的技术难题，同时，所获得的涂层结合力好，组织均匀、致密，所提供的制备方法，工艺简单、过程稳定、操作方便、加工效率高、成本低廉、易于实现，适于生产和应用。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明中实施例1所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的表面显微形貌图；

图3为本发明中实施例1所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的截面显微形貌图；

图4为本发明中实施例2所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的表面显微形貌图；

图5为本发明中实施例2所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的截面显微形貌图；

图6为本发明中实施例3所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的表面显微形貌图；

图7为本发明中实施例3所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的截面显微形貌图。

具体实施方式

实施例1

如图1所述，一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法，包括如下步骤。

(1)表面纳米化；

a.将钽及钽合金的试样或工件置于喷丸腔室；

b.机械振动式喷丸：弹丸直径6mm，机械振动频率50Hz，弹丸与样品相距16mm，喷丸时间90min；

c.将喷丸后的试样或工件使用流动水冲洗，再进行烘干，备用。

(2)包埋渗Cr-Si-Zr-B涂层；

a.水洗：将试样或工件使用流动水冲洗，吹干；

b.配制渗剂：按量准确称取渗剂，Cr-Si-Zr-B渗剂的配比按重量百分比为：9％Cr粉，7％Si粉，2.5％Zr粉，1.3％B粉，5.5％NaF(分析纯)，1.5％NH₄Cl(分析纯)，其余为Al₂O₃；将配制好的Cr-Si-Zr-B渗剂置于球磨机中研磨8h，细化颗粒并使其均匀；

c.将Cr-Si-Zr-B渗剂置于温度为180℃的烘箱中保温1.5h进行烘干；

d.将烘干后的Cr-Si-Zr-B渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中，相邻试样之间保持一定距离；

e.把装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后，再置于马弗炉中，并在180℃下保温0.5h，使硅溶胶及三氧化二铝密封剂完全固化；

f.马弗炉升温1h至930℃，保温5h后随炉冷却至室温；

g.取出试样，使用流动水冲洗，再进行烘干，结束。

其中，硅溶胶及三氧化二铝的配制方法为，每1L硅溶胶加入1.5kgAl₂O₃并混合。

实施例2

如图1所示，一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法，包括如下步骤。

(1)表面纳米化；

a.将试样或工件置于喷丸腔室；

b.机械振动式喷丸：弹丸直径5mm，机械振动频率50Hz，弹丸与样品相距15mm，喷丸时间80min；

c.将喷丸后的试样或工件使用流动水冲洗，再进行烘干，备用。

(2)包埋渗Cr-Si-Zr-B涂层；

a.水洗：将试样或工件使用流动水冲洗，吹干；

b.配制渗剂：按量准确称取渗剂，Cr-Si-Zr-B渗剂的配比按重量百分比为：8％Cr粉，6％Si粉，2％Zr粉，1.2％B粉，5％NaF(分析纯)，1％NH₄Cl(分析纯)，其余为Al₂O₃；将配制好的Cr-Si-Zr-B渗剂置于球磨机中研磨8h，细化渗剂颗粒并使其均匀；

c.将Cr-Si-Zr-B渗剂置于温度为180℃的烘箱中保温1h进行烘干；

d.把烘干后的Cr-Si-Zr-B渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中，相邻试样之间保持一定距离；

e.把装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后，再置于马弗炉中，并在180℃下保温0.5h，使硅溶胶及三氧化二铝密封剂完全固化；

f.马弗炉升温1h至920℃，保温4h后随炉冷却至室温；

g.取出试样，使用流动水冲洗，再进行烘干，结束。

其中，硅溶胶及三氧化二铝的配制方法为，每1L硅溶胶加入1.5kgAl₂O₃并混合。

实施例3

如图1所示，一种Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面的应用方法，包括如下步骤。

(1)表面纳米化；

a.将试样或工件置于喷丸腔室；

b.机械振动式喷丸：弹丸直径7mm，机械振动频率50Hz，弹丸与样品相距17mm，喷丸时间100min；

c.将喷丸后的试样或工件使用流动水冲洗，再进行烘干，备用。

(2)包埋渗Cr-Si-Zr-B涂层；

a.水洗：将试样或工件使用流动水冲洗，吹干；

b.配制渗剂：按量准确称取渗剂，Cr-Si-Zr-B渗剂的配比按重量百分比为：10％Cr粉，8％Si粉，3％Zr粉，1.5％B粉，6％NaF(分析纯)，2％NH₄Cl(分析纯)，其余为Al₂O₃；将配制好的Cr-Si-Zr-B渗剂置于球磨机中研磨8h，细化渗剂颗粒并使其均匀；

c.将Cr-Si-Zr-B渗剂置于温度为180℃的烘箱中保温2h进行烘干；

d.把烘干后的Cr-Si-Zr-B渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中，相邻试样之间保持一定距离；

e.把装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后，再置于马弗炉中，并在180℃下保温0.5h，使硅溶胶及三氧化二铝密封剂完全固化；

f.马弗炉升温1h至940℃，保温3h后随炉至室温；

g.取出试样，使用流动水冲洗，再进行烘干，结束。

其中，硅溶胶及三氧化二铝的配制方法为，每1L硅溶胶加入1.5kgAl₂O₃并混合。

图2至图7为采用本发明实施例1至实施例3所获得的Cr-Si-Zr-B涂层的表面及截面显微形貌图，通过图可看出，采用纳米化低温渗Cr-Si-Zr-B涂层的方法，可使Cr-Si-Zr-B渗剂在钽及钽合金表面形成结合力好的涂层，且组织均匀、致密，有效提高钽及钽合金的热防护性能。