一种难熔金属硅硼涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种难熔金属硅硼涂层的制备方法 (Preparation method of refractory metal silicon-boron coating ) 是由 苏琳芬 杨建勇 卓冠群 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种难熔金属硅硼涂层的制备方法,包括如下步骤：(1)将Si粉、B粉、NaF和SiO-2置于球磨机中进行球磨,获得混合粉末；(2)在惰性气体保护下,将上述混合粉末与难熔金属基体或难熔合金基体置于高温管式炉中,通过包埋渗制备硅硼涂层。本发明简单实用、成本较低,可有效提高难熔金属上通过包埋法制备的硅硼涂层的高温抗氧化性。(The invention discloses a preparation method of a refractory metal silicon boron coating, which comprises the following steps: (1) mixing Si powder, B powder, NaF and SiO 2 Placing the mixture in a ball mill for ball milling to obtain mixed powder; (2) and under the protection of inert gas, putting the mixed powder and the refractory metal matrix or the refractory alloy matrix into a high-temperature tube furnace, and preparing the silicon-boron coating through embedding infiltration. The invention is simple and practical, has lower cost, and can effectively improve the high-temperature oxidation resistance of the silicon-boron coating prepared by the embedding method on refractory metals.)
技术领域
本发明属于金属涂层制备技术领域，具体涉及一种难熔金属硅硼涂层的制备方法。
背景技术
高温保护性涂层对于航空发动机和航空涡轮叶片的氧化保护具有重要的作用。当硅硼涂层处在高温环境中，它可以在涂层表面形成低粘度的硼硅酸盐玻璃层，填充涂层表面形成的裂纹和孔洞，为涂层提供了自愈的能力。因此，硅硼涂层被认为是最有发展潜力的抗氧化保护性涂层之一。
现有技术中，包埋渗具有操作简单、沉积效率高、制备成本低等优点，是目前制备硅硼涂层的有效技术之一。硅硼涂层在高温作业时，由于制备试样的边角存在应力集中等问题，涂层的边角容易发生开裂、氧化膜剥落等现象，从而影响到涂层的使用寿命。目前，硅硼涂层主要采用Al2O3作为包埋渗渗料中的惰性填充剂，但无法有效地解决涂层氧化膜出现裂纹以及涂层退化等问题。因此，仍需研发一种有效改善包埋渗硅硼涂层高温抗氧化性的方法，以保证硅硼涂层在高温环境下作业的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种难熔金属硅硼涂层的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种难熔金属硅硼涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Si粉、B粉、NaF和SiO2置于球磨机中进行球磨，获得混合粉末；
(2)在惰性气体保护下，将上述混合粉末与难熔金属基体或难熔合金基体置于高温管式炉中，通过包埋渗制备硅硼涂层。
在本发明的一个优选实施方案中，所述混合粉末中含有Si 20-40wt％、B 1-3wt％、NaF 2-5wt％和55-75wt％。
进一步优选的，所述混合粉末中含有Si 33-34wt％、B 1wt％、NaF 2.5-3wt％和62-63.5wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述惰性气体为氩气。
进一步优选的，所述氩气的纯度为99.9％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述包埋渗的温度为900-1200℃。
进一步优选的，所述包埋渗的时间为30-60h。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中，将所述混合粉末与难熔金属基体或难熔合金基体一同放入氧化铝坩埚内，再置于高温管式炉中。
在本发明的一个优选实施方案中，所述难熔金属基体为Mo基体。
在本发明的一个优选实施方案中，所述难熔合金基体为Nb-Si基体。
本发明的有益效果是：
1、本发明所制备的硅硼涂层上附着有晶态SiO2：在包埋渗制备过程中，部分尖角形状的SiO2颗粒会在难熔金属的表面熔化，熔化后的SiO2具有一定的粘性，在冷却至室温后，涂层的表面会附着晶态SiO2。
2、本发明在高温环境下，涂层表面附着的晶态SiO2将转化为高流动性的熔融SiO2，可提前生成SiO2氧化膜，并且有效修补涂层表面的微裂纹。
3、本发明简单实用、成本较低，可有效提高难熔金属上通过包埋法制备的硅硼涂层的高温抗氧化性。
附图说明
图1为本发明实施例1中使用不同填充剂在Nb-Si基合金上制备的硅硼涂层的氧化增重对比曲线图。
图2为本发明实施例1中使用不同填充剂在Nb-Si基合金上制备的硅硼涂层的截面对比情况图。其中，(a)氧化前；Al2O3填充剂(b)氧化后；Al2O3填充剂(c)氧化前；SiO2填充剂(d)氧化前；SiO2填充剂
图3为本发明实施例2中使用不同填充剂在Mo上制备的硅硼涂层的氧化增重对比曲线图。
图4为本发明实施例2中使用不同填充剂在Mo上制备的硅硼涂层的截面对比情况图。(a)氧化前；Al2O3填充剂(b)氧化后；Al2O3填充剂(c)氧化前；SiO2填充剂(d)氧化前；SiO2填充剂。
图5为本发明实施例3中使用不同填充剂在Nb-Si基合金上制备的钼硅硼涂层的氧化增重对比曲线图。
图6为本发明实施例1制得的硅硼涂层的扫描电镜照片。
图7为本发明实施例1制得的硅硼涂层在在高温氧化10h后的断面电镜照片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)选取Nb-Si基合金作为基体，将基体通过线切割机切割成10×10×Smm3的块体后，经过研磨、抛光等方法去除基体表面的杂物以及氧化物。
(2)选用纯度为99.9％的Si和B作为原料、NaF作为活化剂、平均粒径为20μm的SiO2作为惰性填充剂，以此为实验组。粉末材料的重量比为：Si 34wt％、B 1wt％、NaF 3wt％、SiO2 62wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀。
(3)选用Si和B作为原料、NaF作为活化剂、传统的Al2O3粉末作为惰性填充剂，以此为对照组，用来与实验组进行对比，比较二者的高温抗氧化性的差异。粉末材料的重量比为：Si 34wt％、B 1wt％、NaF 3wt％、Al2O3 62wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀，获得混合粉末。
(4)将混合粉末与Nb基合金一同放入氧化铝坩埚内，将坩埚置于高温管式炉中，进行涂层的制备实验。制备涂层的温度为1000℃，所需的保温时间为50h。整个实验过程中通入纯度为99.9％的氩气保护。
(5)随后取出氧化铝坩埚，清理包埋渗粉料得到硅硼涂层试样。
(6)将实验组和对照组一同置于氧化铝坩埚内，再放入高温管式炉中进行高温静态氧化实验。其中，温度为1250℃，氧化时间为100h。实验之前，所有试样都应精确的测量重量及尺寸。
(7)高温氧化实验结束后，分析实验组和对照组的氧化增重曲线。利用扫描电镜观察氧化前后试样的截面，比较两者的高温抗氧化性差异。
由图1可以看出，经1250℃高温氧化100h后，实验组和对照组的氧化增重分别为2.27mg/cm2、3.36mg/cm2。实验组的氧化增重明显低于对照组。
由图2可以看出，实验组和对照组中的硅硼涂层厚度约为190μm。经1250℃高温氧化100h后，实验组和对照组的抗氧化涂层厚度分别约为160μm和140μm，实验组和对照组的涂层减少量分别为30μm和50μm。由此可知，实验组的保护性涂层的减小量明显小于对照组。说明由SiO2填充剂所制备的包埋渗硅硼涂层具有更好的高温抗氧化性能。
由图6所示，本实施例在包埋渗制备过程中，部分尖角形状的SiO2颗粒会在难熔金属的表面熔化，熔化后的SiO2具有一定的粘性，在冷却至室温后，所制得的硅硼涂层的表面会附着晶态SiO2。
由图7所示，本实施例制得的硅硼涂层在高温氧化10h后，涂层的表面已有一层致密的SiO2保护膜(在高温环境下，硅硼涂层表面附着的晶态SiO2将转化为高流动性的熔融SiO2，可提前生成SiO2氧化膜，并且有效修补涂层表面的微裂纹)。
实施例2
(1)选取Mo作为基体，将基体通过线切割机切割成的块体后，经过研磨、抛光等方法去除基体表面的杂物以及氧化物。
(2)选用纯度为99.9％的Si和B作为原料、NaF作为活化剂、平均粒径为20μm的SiO2作为惰性填充剂，以此为实验组。粉末材料的重量比为：Si 34wt％、B 1wt％、NaF 2.5wt％、SiO2 62.5wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀，获得混合粉末。
(3)选用纯度为99.9％的Si和B作为原料、NaF作为活化剂、平均粒径为40μm的Al2O3粉末作为惰性填充剂，以此为对照组。用来与实验组进行对比，比较二者的高温抗氧化性的差异。粉末材料的重量比为：Si 34wt％、B 1wt％、NaF 2.5wt％、Al2O3 62.5wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀，获得混合粉末。
(4)将混合粉末与基体一同放入氧化铝坩埚内，将坩埚置于高温管式炉中，进行涂层的制备实验。制备涂层的温度为1000℃，所需的保温时间为50h。整个实验过程中通入纯度为99.9％的氩气保护。
(5)随后取出氧化铝坩埚，清理包埋渗粉料得到硅硼涂层试样。
(6)将实验组和对照组一同置于氧化铝坩埚内，再放入高温管式炉中进行高温静态氧化实验。其中，温度为1250℃，氧化时间为100h。在实验之前，所有试样都将精确的测量重量及尺寸。
(7)高温氧化实验结束后，分析实验组和对照组的氧化增重曲线，利用扫描电镜观察氧化前后试样的截面，比较两者的高温抗氧化性差异。
由图3可以看出，经1250℃高温氧化100h后，实验组和对照组的氧化增重分别为0.47mg/cm2、2.79mg/cm2。实验组的氧化增重明显低于对照组。
由图4可以看出，实验组和对照组中的硅硼涂层厚度约为100μm。经1250℃高温氧化100h后，实验组和对照组的抗氧化涂层厚度分别约为75μm和55μm。实验组和对照组的涂层减少量分别为25μm和45μm。由此可知，实验组的保护涂层的减小量明显小于对照组。说明由SiO2填充剂所制备的包埋渗硅硼涂层具有更好的高温抗氧化性能。
实施例3
(1)选取Nb-Si基合金作为基体，将基体通过线切割机切割成10×10×8mm3的块体后，经过研磨、抛光等方法去除基体表面的杂物以及氧化物。
(2)在Nb-Si基合金上制备Mo层。通过热喷涂的方法，在Nb-Si基合金上制备厚度约为90μm的Mo层。
(3)选用纯度为99.9％的Si和B作为原料、NaF作为活化剂、平均粒径为20μm的SiO2作为惰性填充剂，以此为实验组。粉末材料的重量比为：Si 33wt％、B 1wt％、NaF 2.5wt％、SiO2 63.5wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀，获得混合粉末。
(4)选用纯度为99.9％的Si和B作为原料、NaF作为活化剂、平均粒径为40μm的Al2O3粉末作为惰性填充剂，以此为对照组。用来与实验组进行对比，比较二者的高温抗氧化性的差异。粉末材料的重量比为：Si 33wt％、B 1wt％、NaF 2.5wt％、Al2O3 63.5wt％。将粉末放入球磨机中研磨2h，以确保成分均匀，获得混合粉末。
(5)将混合粉末与基体一同放入氧化铝坩埚内，将坩埚置于高温管式炉中，进行涂层的制备实验。制备涂层的温度为1000℃，所需的保温时间为50h。整个实验过程中通入纯度为99.9wt.％的氩气保护。
(6)随后取出氧化铝坩埚，清理包埋渗粉料得到硅硼涂层试样。
(7)将实验组和对照组一同置于氧化铝坩埚内，再放入高温管式炉中进行高温静态氧化实验。其中，温度为1250℃，氧化时间为100h。在实验之前，所有试样都将精确的测量重量及尺寸。
(8)高温氧化实验结束后，分析实验组和对照组的氧化增重曲线，比较两者的高温抗氧化性差异。
由图5可以看出，经1250℃高温氧化100h后，实验组和对照组的氧化增重分别为0.47mg/cm2、17.2mg/cm2。实验组的氧化增重明显低于对照组。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。