铌合金硅化物涂层的制备工艺及改进途径

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1、铌合金硅化物涂层的制备工艺及改进途径女ManufacturingProcessandImprovementofSiliconCoatingonNiobium-BasedAlloy兰州空间技术物理研究所何俊于斌张涛张永和【摘要】铌及铌合金以其熔点高、耐腐蚀和良好的高温强度成为重要的高温结构材料，但高温抗氧化性能较差是制约其应用的关键问题。本文论述了铌合金高温抗氧化硅化物涂层的研究进展，并阐述了不同制备方法的硅化物涂层形成机理和相应的抗氧化性能，分析了研究中面临的问题，并提出了解决途径。关键词：铌基合金硅化物涂层高温抗氧化料浆烧结扩散【ABSTRACTlNbandNb-basedal

2、loysareimpor-tanthightemperaturestructuralmaterialsbecauseoftheirhighmeltingpoint，corrosionresistance，andhightempera—turestrength．However,poorhightemperatureoxidationresistancerestrictstheirapplication．ThepresentStatuSofresearchonhightemperatureoxidationresistantsiliconcoatingsofNb—basedalloy

3、sisreviewedinthispaper,andthemechanismofsilicidecoatingsmanufactureandtheircorrespondinghightemperatureoxidationresistanceprop-ertiesareexpatiated．Existingproblemsareanalyzedandpossiblesolutionsalesuggested．Keywords：Nb-basedalloySiliconcoatingHigh-temperatureoxidationresistanceFusedslurryDiff

4、u-sion航空航天技术的高速发展，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，同时必须适应更高的工作温度。铌合金具有优良的高温机械性能，可替代现有的镍基合金超高温材料⋯，这使它成为航空、航天与核工业中高温结构件的重要候选材料之一12J。目前，铌合金已成功应用于发动机喷管延伸段，也是姿控轨控双组元液体发动机推力室的优选材料。现在双组元液体火箭发动机推力室材料已选用铌合金喷涂高温抗氧化涂层，为了使推力室壁温降到涂层能承受宰国家“十一五”总装预研项目(513180601)资助。74航空制造技术·2010年第1期的水平，设计上采用燃料液膜／辐射的组合冷却方式，这部分冷却的推进剂流量约占燃料的

5、30％～40％，造成推进剂浪费，所以提高铌合金硅化物的抗氧化性能从而减少推进剂消耗的措施必将带来巨大的经济效益。铌属VB族难熔金属，熔点2468℃，bcc结构，密度与钢相似，在1649℃以下仍能保持原有强度，有较好的延展性、良好的机械性能和稳定的物理化学性质。其热中子俘获截面小，在腐蚀介质中极为稳定，塑一脆转变温度低(一160。Co铌基合金在比传统的镍基和钴基高温合金的极限工作温度高几百度的温度工作时，仍具有良好的机械性能。铌基合金高温抗氧化技术的研究一直是高温材料领域研究的热点，纯铌在高于350℃时即发生剧烈氧化，在600℃就发生“pest”氧化现象13卅，铌的氧化产物在700

6、。C左右就开始挥发，且挥发速率随温度的提高急剧加快，在高温下其氧化产物层疏松多孔，不能对基体金属起防护氧化的作用，因此如何防止铌在高温时急剧氧化，是其能否有效地作为高温材料应用的关键性问题。l铌的氧化机理铌在氧化过程中，氧离子吸附于铌表面并由外向内迁移，而铌离子则由内向表面扩散，两者相遇即形成氧化物。在近表面约40nm的深度范围内氧与铌离子的浓度均较高，形成Nb：O，。随着氧化膜的增厚，扩散阻力增大，在氧化膜的内层中氧离子的浓度较低，氧化物的形式为Nb。0·NbO，协】。图l所示为Nb的氧化机理，图l(a)表示氧吸附在Nh表面，图1(b)表示氧向内扩散并建立过渡层，图1(C)表示

7、过渡层中氧含量几乎不变，图1(d)表示Nb表面形成化学比恒定的氧化膜，过渡层向内迁移。铌的氧化产物主要是Nb，0，，此外还有少量的NbO、NbO：⋯。氧化膜中浅色的外层和暗色的内层均由Nb，O。构成，颜色不同是由于内层缺氧所致。内层晶粒具有择优取向，可紧密地依附在基体上，而外层晶粒则是无序的，疏松易脱落。这是由于Nb：O，与基体的体积比太高RESEARCH学术论文(C)C吸附的氧●生成的氧化物●●●●●●●‘^·一一■-(d)堆甫的鲴虎恒定的膜图lNb的氧化机理Fig．1Mech