一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法，運用包埋滲技術以及合理的鋁硼包埋滲劑的配比成功在鈮基高溫合金上制備出鋁硼高溫抗氧化涂層；其中所述的涂層厚度為30μm～70μm；這種高溫抗氧化涂層包含NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四個相。本發明優點：1.本發明的工藝簡單，操作方便，獲得的高溫抗氧化涂層均勻連續致密、結合性好，不易脫落分離，對Al2O3氧化涂層起到修補作用，有效的改善了基體的高溫抗氧化性能。2.在相同的條件下，在本專利寫出的溫度范圍內，該涂層包埋滲的溫度越高，涂層的高溫抗氧化性能越好。
【專利說明】一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及合金的腐蝕與防護【技術領域】，具體是一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法，采用包埋滲技術在基體上制備高溫抗氧化涂層，從而達到提高基體抗氧化的目的。
【背景技術】
[0002]隨著各種工業燃氣輪機、航空噴氣發動機等熱端部件的進一步發展，現在廣泛使用的鎳基高溫合金的使用溫度(1100~1150°C)已經不能滿足技術發展的需求，亟需研發能在1200~1400°C使用的新型超高溫金屬結構材料及其相應的涂層制備應用技術，鈮基高溫合金由于其本身優異的物理與化學性能而成為重要首選材料之一。但鈮合金易發生氧化，純鈮甚至在600°C就發生粉化氧化的現象。在鈮基高溫合金表面制備高溫防護涂層是有效的解決措施，研究表明，合金表面滲鋁，滲硅，滲鋁硅，滲鋁鉿，滲鉻硅等涂層能有效的改善合金抗氧化性能。例如CN101824590A發明了一種Nb/NbCr2基高溫合金表面抗氧化復合涂層的制備方法，其特征是方法步驟為:(I) S1-Al涂層的制備；(2)Sol-gel方法制備Al (OH)3溶膠；(3)熱壓。CN102424948A發明了一種采用包埋滲工藝在Ni基高溫合金上制備CoAlNi涂層的方法，所述CoAlNi涂層厚度為10 ii m~30 ii m，CoAlNi涂層包含Ala 9NiL:和AlCo兩相。制得的CoAlNi涂層在1050°C高溫氧化時能夠形成連續、致密的Al2O3氧化物層，從而阻止涂層和基體的進一步被氧化，改善了基體的高溫抗氧化性能。制得的CoAlNi涂層在高溫900°C~950°C下具有良好的抗熱腐蝕性能。然而有關用包埋滲技術制備鈮基高溫合金涂層的專利鮮有報道。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法。
[0004]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:
[0005]一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法是按以下步驟操作:
[0006]第一步:鈮基高溫合金的前處理
[0007](1)依次用80#~1000#的SiC水磨砂紙將鈮基高溫合金進行表面磨光處理，制得第一試樣。
[0008](2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲波清洗15~20min，獲得第二試樣。
[0009]第二步:制作包埋滲料
[0010](I)制作100g鋁硼包埋滲料由IOg~Ilg粒度為100目的鋁粉、2g~4g粒度為200目的硼粉、3g~5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0011](2)制作100g鋁包埋滲料由IOg~Ilg粒度為100目的鋁粉、3g~5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0012](3)制作100gAl2O3粉包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0013]第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層[0014](I)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3粉包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品。
[0015](2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管30min~60min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內。
[0016](3)設置管式電阻爐的升溫速率為5~7°C/min，包埋滲溫度860°C~940°C，包埋滲的時間4~6h。
[0017](4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣。
[0018](5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗15~20min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金試樣表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。 [0019]上述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層包含有NbAl3、NbB2、AlB12和Nb5B6四個相。
[0020]上述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層厚度為30 ii m~70 ii m。
[0021]上述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層在高溫1000°C氧化時能主要形成連續的AlNbO4氧化涂層，其進一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂層，并且其中AlB12可以對Al2O3氧化涂層起到修補作用。
[0022]本發明的優點:本發明的工藝簡單，操作方便，所獲得的高溫抗氧化涂層均勻連續致密，并且與基體的結合性好，不宜脫落分離。制得的高溫抗氧化涂層在1000°c高溫氧化主要形成了連續的AlNbO4氧化涂層，其進一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂層，并且其中AlB12可以對Al2O3氧化涂層起到修補作用，從而阻止涂層和基體的進一步被氧化，有效的改善了基體的高溫抗氧化性能，因而可以在鈮基高溫合金上得到廣泛使用。在相同的條件下，在本專利寫出的溫度范圍內，該涂層包埋滲的溫度越高，涂層的高溫抗氧化性能越好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明包埋鈮基高溫合金在坩堝中的示意圖。
[0024]圖中，鋁硼包埋滲料I，鋁包埋滲料2，Al2O3粉包埋滲料3，鈮基高溫合金基體4，坩禍5。
[0025]圖2是本發明鋁硼共滲涂層XRD圖譜。
[0026]圖3是本發明鋁硼共滲涂層表面SEM微觀形貌。
[0027]圖4是本發明鋁硼共滲涂層1000°C高溫氧化20h后其表面XRD圖譜。
[0028]圖5是本發明鋁硼共滲涂層1000°C氧化動力曲線。
[0029]圖6是本發明鈮基C-103合金無涂層基體1000°C高溫氧化20h后表面的形貌照片。
[0030]圖7是本發明鋁硼共滲涂層1000°C高溫氧化20h后表面的形貌照片。
【具體實施方式】[0031]下面結合實施例對本發明作進一步闡述。
[0032]實施例1
[0033]采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層
[0034]基體選用Nb_C103合金。
[0035]第一步:基體的前處理
[0036](I)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂紙將鈮基高溫合
金進行表面磨光處理，制得第一試樣。
[0037](2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲清洗20min后，獲得第二試樣。
[0038]第二步:制作包埋滲料
[0039](I)制作100g鋁硼包埋滲料由IOg粒度為100目的鋁粉、2g粒度為200目的硼粉、3g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0040]在本發明中，加入的Al2O3粉在包埋滲過程中不參與反應，只作為填料。該填料在不影響涂層形成的基礎上，可以有效的降低生產成本，同時也減少了反應物的浪費。
[0041]在本發明中，加入NaF粉能夠與鋁粉和硼粉反應，形成相應的氣體化合物，只有該化合物才能產生出鋁、硼的活性原子，滲入到鈮基高溫合金表面。
[0042](2)制作100g鋁包埋滲料由IOg粒度為100目的鋁粉、3g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0043](3)制作100g Al2O3包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0044]第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層
[0045](I)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品。
[0046](2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管60min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內。
[0047](3)設置管式電阻爐的升溫速率為7 V Mn,包埋滲溫度940°C，包埋滲的時間4h。
[0048](4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣。
[0049](5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗20min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。
[0050]將實施例1制備的高溫抗氧化涂層經SEM和XRD分析表明，高溫抗氧化涂層包含NbAl3'NbB2'AlB12 和 Nb5B6 四個相，厚度約為 49.8 u m0
[0051]將實施例1制備的高溫抗氧化涂層在溫度1000°C的條件下，高溫氧化20小時后，觀察試樣，其表面平整、無剝落，說明經本發明包埋滲法制備的高溫抗氧化涂層具有很好的高溫抗氧化性能。
[0052]實施例2
[0053]采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層[0054]基體選用Nb_C103合金。
[0055]第一步:基體的前處理
[0056](I)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂紙將Nb基高溫合
金進行表面磨光處理，制得第一試樣。 [0057](2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲清洗20min后，獲得第二試樣。
[0058]第二步:制包埋滲料
[0059](I)制作100g鋁硼包埋滲料由IOg粒度為100目的鋁粉、2g粒度為200目的硼粉、3g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0060]在本發明中，加入的Al2O3粉在包埋滲過程中不參與反應，只作為填料。該填料在不影響涂層形成的基礎上，可以有效的降低生產成本，同時也減少了反應物的浪費。
[0061]在本發明中，加入NaF粉能夠與鋁粉和硼粉反應，形成相應的氣體化合物，只有該化合物才能產生出鋁、硼的活性原子，滲入到鈮基高溫合金表面。
[0062](2)制作100g鋁包埋滲料由IOg粒度為100目的鋁粉、3g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0063](3)制作100g Al2O3包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0064]第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層
[0065](I)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品。
[0066](2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管60min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內。
[0067](3)設置管式電阻爐的升溫速率為7V /min，包埋滲溫度860°C，包埋滲的時間4h ；
[0068](4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣；
[0069](5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗20min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。
[0070]將實施例2制備的高溫抗氧化涂層經SEM和XRD分析表明，高溫抗氧化涂層包含NbAl3'NbB2'AlB12 和 Nb5B6 四個相，厚度約為 29.6 u m0
[0071]將實施例2制備的高溫抗氧化涂層在溫度1000°C的條件下，高溫氧化20小時后，觀察試樣，其表面平整、無剝落，說明經本發明包埋滲法制備的高溫抗氧化涂層具有很好的高溫抗氧化性能。
[0072]實施例3
[0073]采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層
[0074]基體選用Nb_C103合金。
[0075]第一步:基體的前處理[0076](I)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂紙將鈮基高溫合
金進行表面磨光處理，制得第一試樣。
[0077](2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲清洗15min后，獲得第二試樣。
[0078]第二步:制包埋滲料
[0079](I)制作100g鋁硼包埋滲料由Ilg粒度為100目的鋁粉、4g粒度為200目的硼粉、5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0080]在本發明中，加入的Al2O3粉在包埋滲過程中不參與反應，只作為填料。該填料在不影響涂層形成的基礎上，可以有效的降低生產成本，同時也減少了反應物的浪費。
[0081]在本發明中，加入NaF粉能夠與鋁粉和硼粉反應，形成相應的氣體化合物，只有該化合物才能產生出鋁、硼的活性原子，滲入到鈮基高溫合金表面。
[0082](2)制作100g鋁包埋滲料由Ilg粒度為100目的鋁粉、5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0083](3)制作100g Al2O3包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0084]第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層
[0085](I)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第 二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品。
[0086](2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管30min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內。
[0087](3)設置管式電阻爐的升溫速率為5°C /min,包埋滲溫度940°C，包埋滲的時間6h。
[0088](4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣。
[0089](5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗15min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。
[0090]將實施例3制備的高溫抗氧化涂層經SEM和XRD分析表明，高溫抗氧化涂層包含NbAl3'NbB2'AlB12 和 Nb5B6 四個相，厚度約為 71.7um0
[0091]將實施例3制備的高溫抗氧化涂層在溫度1000°C的條件下，高溫氧化20小時后，觀察試樣，其表面平整、無剝落，說明經本發明包埋滲法制備的高溫抗氧化涂層具有很好的高溫抗氧化性能。
[0092]實施例4
[0093]采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層
[0094]基體選用Nb_C103合金。
[0095]第一步:基體的前處理
[0096](I)用依次用80#、160#、320#、600#、800#和1000#的SiC水磨砂紙將鈮基高溫合
金進行表面磨光處理，制得第一試樣。
[0097](2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲清洗15min后，獲得第二試樣。[0098]第二步:制包埋滲料
[0099](I)制作100g鋁硼包埋滲料由I Ig粒度為100目的鋁粉、3g粒度為200目的硼粉、4g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0100]在本發明中，加入的Al2O3粉在包埋滲過程中不參與反應，只作為填料。該填料在不影響涂層形成的基礎上，可以有效的降低生產成本，同時也減少了反應物的浪費。
[0101]在本發明中，加入NaF粉能夠與鋁粉和硼粉反應，形成相應的氣體化合物，只有該化合物才能產生出鋁、硼的活性原子，滲入到鈮基高溫合金表面。
[0102](2)制作100g鋁包埋滲料由Ilg粒度為100目的鋁粉、4g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0103](3)制作100g Al2O3包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成。
[0104]第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層
[0105](I)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品。
[0106](2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管45min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內。
[0107](3)設置管式電阻爐的升溫速率為5°C /min，包埋滲溫度860°C，包埋滲的時間6h。
[0108](4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣。
[0109](5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗15min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。
[0110] 將實施例4制備的高溫抗氧化涂層經SEM和XRD分析表明，高溫抗氧化涂層包含NbAl3'NbB2'AlB12 和 Nb5B6 四個相，厚度約為 44.9 u m0
[0111]將實施例4制備的高溫抗氧化涂層在溫度1000°C的條件下，高溫氧化20小時后，觀察試樣，其表面平整、無剝落，說明經本發明包埋滲法制備的高溫抗氧化涂層具有很好的高溫抗氧化性能。
【權利要求】
1.一種采用鋁硼共滲工藝在鈮基合金上制備涂層的方法，其特征在于，按以下步驟操作: 第一步:鈮基高溫合金的前處理 (1)依次用80#~1000#的SiC水磨砂紙將鈮基高溫合金進行表面磨光處理，制得第一試樣； (2)將第一試樣放入無水乙醇中進行超聲波清洗15~20min，獲得第二試樣； 第二步:制作包埋滲料 (1)制作100g鋁硼包埋滲料由IOg~Ilg粒度為100目的鋁粉、2g~4g粒度為200目的硼粉、3g~5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成； (2)制作100g鋁包埋滲料由IOg~Ilg粒度為100目的鋁粉、3g~5g粒度為100目的NaF粉和余量粒度為100目的Al2O3粉組成； (3)制作100gAl2O3粉包埋滲料僅由粒度為100目的Al2O3粉組成； 第三步:采用包埋鋁硼共滲工藝制備高溫抗氧化涂層 (1)將第二步制得的鋁硼包埋滲料放入坩堝底部，大約填滿坩堝六分之一，然后將第一步中處理后的第二試樣放入坩堝中間部位并置于鋁硼包埋滲料表面上，并將其四周填滿鋁硼包埋滲料直至填滿坩堝大約三分之一；再將第二步制得的鋁包埋滲料放入坩堝中，又填滿坩堝三分之一；接著將第二步制得的Al2O3粉包埋滲料將坩堝填滿，蓋上坩堝蓋子并密封后，形成熱處理樣品； (2)將熱處理樣品放入石英管的中間部位，接著將石英管密封，然后用機械真空泵抽石英管30min~60min后，再將石英管封管，最后將石英管放入管式電阻爐內； (3)設置管式電阻爐的升溫速率為5~7°C/min,包埋滲溫度860°C~940°C，包埋滲的時間4~6h ; (4)開啟管式電阻爐，按照規定的包埋滲時間進行加熱與保溫，在包埋滲時間結束時，關閉管式電阻爐，隨管式電阻爐冷卻至室溫；從管式電阻爐中拿出石英管并且解封石英管后取出樣品，即制得最終試樣； (5)將最終試樣放入酒精中經超聲波清洗15~20min后，冷風吹干，得到在鈮基高溫合金試樣表面滲有鋁硼的高溫抗氧化涂層。
2.根據權利要求1所述的采用包埋鋁硼共滲工藝在鈮基高溫合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于:所述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層包含有NbAl3、NbB2, AlB12和Nb5B6四個相。
3.根據權利要求1所述的采用包埋鋁硼共滲工藝在鈮基高溫合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于:所述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層厚度為30 ~70 ym。
4.根據權利要求1所述的采用包埋鋁硼共滲工藝在鈮基高溫合金上制備高溫抗氧化涂層的方法，其特征在于:所述制得的鋁硼的高溫抗氧化涂層在高溫1000°C氧化時能形成連續的AlNbO4氧化涂層，其進一步氧化可以得到Al2O3的氧化涂層，并且其中AlB12可以對Al2O3氧化涂層起到修補作用。
【文檔編號】C23C12/02GK103614692SQ201310674259
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】李偉洲, 秦澤華, 劉偉, 許安, 周敏, 楊陽, 陳泉志, 袁明佳 申請人:廣西大學