硅化物涂层电子束重熔表面改性技术

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1、54中国空间科学技术2010年10,ElChineseSpaceScienceandTechnology第5期硅化物涂层电子束重熔表面改性技术于斌靳庆臣刘志栋何俊(兰州物理研究所，兰州730000)摘要在Nb521铌合金表面采用料浆烧结法制备硅化物涂层，利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行重熔处理，通过扫描电子显微镜对处理样品表面形貌进行组织结构分析。研究表明，经过电子束重熔处理，硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低，表面粗糙度降低，陶瓷颗粒之间烧结作用增强，重熔区域与未处理区域具有明显的边界，电子束能量分布较均匀，电子柬重熔提高了硅化物涂层的抗氧化性能和抗热震性能。关键

2、词电子束重熔表面粗糙度抗氧化性能形貌硅化物涂层卫星1引言铌是一种难熔金属，由于其在高温下有较好的力学性能而被广泛地应用于航空、航天等领域，但是铌合金的氧化行为使其应用受到限制[1]。硅化物涂层作为铌合金的高温保护涂层，在高温氧化时，涂层表面形成一层玻璃态氧化物膜，延长涂层的高温使用寿命，在高温氧化过程中，熔融态硅化物可以封闭涂层中的裂纹。这一现象受到学者们的广泛关注，并开展了进一步提高硅化物涂层的抗氧化性能的研究¨J。涂层的电子柬重熔可以改善涂层组织及提高性能口]。Weisenburge对镍基合金表面CoNiCrAlY涂层进行了电子束重熔研究，处理后超音速火焰喷涂

3、涂层和真空等离子喷涂涂层表面粗糙度分别由62pm和47“m下降至3．7肛m和8弘m，近表层30～40肛m厚度范围内气孔被彻底消除，高温氧化试验涂层氧化膜增长速率降低[4]。Hamatani对CoCrW合金表面应用高速火焰热喷涂法制备的NiCrFeSi涂层进行电子束重熔研究，指出涂层气孔数量、表面粗糙度和涂层／基体界面粘结强度是优化电子束改性工艺参数的标准[5]。Utu研究了电子束重熔对高速火焰热喷涂方法制备的CoNiCrAIY涂层耐腐蚀性能的影响，电子束重熔技术可以显著降低涂层气孔和氧化物含量，涂层耐腐蚀性能有较大程度的提高¨J。目前，星用发动机材料多为以硅化物体

4、为抗氧化涂层的铌合金，因此，延长硅化物涂层的抗氧化寿命是卫星长寿命发展的需求，为此作者研究了电子束重熔对铌合金表面硅化物涂层的表面形貌和性能的影响。2试验方法试验用基体材料为铌合金，利用烧结方法制备硅化物涂层，涂层试样尺寸为50mm×12mm×3mm，试验设备是法国TECHMETA公司生产的6kW电子束焊机。首先进行电子束扫描波形的设计，然后利用该波形的电子束对硅化物涂层进行重熔处理；通过工作台的移动实现电子束对试验样品表面的垂直辐照，在真空条件下，利用优化的工艺参数进行涂层单道电子束重熔改性处理。工艺参数见表1。利用JSM-5500扫描电镜分析重熔涂层表面组织形

5、貌。收稿日期：2009一II一03。收修改稿日期：2010—03—162010年10月中国空间科学技术表1硅化物涂层电子束重熔工艺参数工艺参数电压／kV电流／rnA重熔速率／(mm／min)扫描频率／Hz规范309300200电子束扫描波形设计电子束扫描能量输入均匀性是开展电子束表面改性技术前提，电子束扫描波形直接影响电子束熔覆涂层表面熔池的温度场，进而影响熔池表面温度及熔体的粘度、熔体密度、合金元素的扩散、熔覆改性层组织结构均匀性、表面平整度、气孔或裂纹。Knyazeva指出电子束扫描频率大于50Hz时在波形范围内产生的热输入等同于一个有效热源N]。电子束扫描控

6、制系统研究表明，频率至少在500Hz以上时，平面加热才可以认为是面热源，此时所获得温度场的温度起伏较小，当扫描的频率达到1000Hz时几乎可以认为没有温度的波动。电子束几乎没有质量和惯性，可以通过电磁场的控制实现电子柬的偏转扫描。通过前期大量试验验证，按照以下要求设计波形，可以保证电子束扫描波形范围内能量输入较均匀：1)扫描波形左右对称；2)扫描波形由光滑曲线构成；3)扫描波形上轨迹和下轨迹曲率相近，即包含的离散化数据点相近；4)扫描波形中不出现尖锐拐点；5)扫描波形高频扫描时无畸变现象；6)扫描波形纵向幅值小于横向幅值，纵向即为电子束重熔时工件运动方向。获取能量

7、输入较均匀的扫描波形参数和形状分别如表2和图l(a)所示。电子束扫描波形轨迹见图1，其中所设计扫描波形轨迹如图1(a)，电子束扫描等效热源近似形状如图1(b)。表2电子束扫描波形参数图1扫描波形轨迹波形参数波形幅值／ram束斑直径／ram扫描方式扫描波形轨迹设计1l2．6线扫描见图14试验结果与讨论图2左侧和右侧分别为同一试样铌合金硅化物涂层重熔后表面形貌和原涂层表面形貌，电子束重熔快速熔化和凝固过程导致涂层表面晶粒粒度降低，增强了硅化物金属陶瓷涂层的烧结作用，涂层表面大晶粒被电子束打碎熔化，凝结为小颗粒并烧结在一起，重熔层表面和原涂层表面界面分明说明电子束能量输

8、入较均匀。