新型Nb硅化物基超高温合金的氧化行为及其抗氧化涂层技术研
2010-06-03 17:25:33 阅读7 评论0 字号：大中小
任家松(西北工业大学)
摘 要
本文设计了新型Nb硅化物基超高温合会的成分，并采用真空自耗电弧熔炼法制备了其母合金锭。利用高温拉伸氧化炉对母合金态试样进行了高温氧化实验，分析了材料的氧化组织及高温氧化动力学。利用真空可控气氛包埋渗炉在电弧熔炼态母合金试样上制备了硅化物涂层，分析了涂层的组织结构和涂层后试样在1250℃的氧化行为。
在850℃、1150"C和1250℃下，新型Tb硅化物基超高温合会的氧化膜均随着氧化时间的延长而变厚。内外氧化层的分界面比较明显，外氧化膜组织较为粗大，呈块状和颗粒状，有一些圆形或椭圆形的孔洞。而内氧化区组织比较致密，其断面上是方向较杂乱的条状孔洞，长度为5～40?m，宽约0.5～15?m。
综合能谱分析和x射线衍射分析的结果，发现新型Nb硅化物基超高温合金在850℃氧化50h时，其氧化产物为固溶了Cr、Al、Si和Hf的(Ti，Nb)O 2、SiO 2和Cr2 O 3 ；1150℃氧化5h后，氧化产物为固溶了Cr、A1、Si和Hf的(Ti，Nb)O 2和TiNb2O7，氧化50h后氧化产物中还出现了SiO21;250℃氧化20h后。氧化产物为固溶了Cr、Al、Si和Hf的(Ti，Nb)O 2、Ti2Nb10O7和Ti2Nb10O4。氧化100h后，Ti 2Nb10O29。的含量有所上升，同时还出现了SiO2。内氧化层中，氧元素的含量较低，能谱分析结果表明还有部分未被氧化的Nb7Si10新型№硅化物基超高温合会在850℃和1150℃时的氧化遵循抛物线规律。在1250℃50h内的氧化也遵循抛物线的动力学规律。
用包埋渗硅法制备出了均匀致密的(Nb，X)Si2。涂层主体(X表示Ti、cr、Hf、Al等元素)，涂层与基体之问界限明显，过渡层组织主要为低硅化物Nb，Si，以及存在互扩散层。涂层后试样在1250℃下的氧化过程中，由于涂层中Si含量较大，主要的氧化物为si O2和TiO2。涂层试样在1250℃氧化50h内，试样的横截面可分为四层：最外层为氧化层，然后是涂层主体，涂层下面是互扩散层，{zd2}层是基体。涂层试样在1250℃氧化50h内的氧化过程符合抛物线的动力学规律。
关键词
新型№硅化物基超高温合舍，高温氧化，氧化动力学，包埋渗，硅化物涂层
{dy}章 资料综述
1.1 引言
目前，高温合余和高温防护涂层已广泛应用于各种燃气涡轮机及各种航天器、火箭发动机、核反应堆、潜艇、火力发电厂及石油化工设备等各方面。其中作为航空航天发动机的热端材料，尤为引人关泣。为保证这些部件具有一定的使用寿命，必须使其同时满足充分的机械强度和良好的抗高温氧化及热腐蚀性能。航空航天技术的高度发展，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这便要求发动机具有更高的工作温度。研究超越传统高温合会和铝系金属间化合物性能的新型高温结构材料成为目前的迫切需求。近十年柬具有更高熔点的难熔金属硅化物异军突起，成为高温结构用余属问化合物领域研究的{zx1}热点。
表1且有2000℃以上熔点的群化物
目前，对新一代高温结构材料的使用温度要求达到1600 4C左右，若按0.8T。计算{zg}使用温度，则硅化物的熔点至少要在2000℃以上才可作为新型高温结构材料的候选者。表1列出了熔点在2000℃以上的难熔金属硅化物的部分性能指。在这些硅化物中，Nb5Si3具有极高的熔点(248℃)，并且密度(7.16g/cm’)低于Ni基高温合会的密度，所以铌基合会最育希望作为2l世纪的超高温结构材料而替代镍基高温合会。其中Nb/Nb5Si3原位复合材料以其高熔点(1918℃)、高刚度、低密度(7.1g/cm’)以及极高的高温强度，近年束备受关注。但是，铌基合会在600℃以上的空气中会发生剧烈氧化，所以在l 100℃～1500℃应用的铌基合舍虽其强度较高，但氧化却很迅速，以至于在无保护的情况下不能在含氧环境中使用。到目前为止，人们研究过的能有效提高铌基合会抗氧化性的途径有两个：一个是合金化，即在铌基合会中添加Ti和Al等元素，使合会能在高温应用时自生氧化物保护膜，从而提高其抗氧化性;另一个是在铌基合金表面涂覆抗氧化涂层。合金化的方法虽对铌及铌合会的抗氧化性能有所改善，但合金化元素的加入量必须超过一个临界值才能对基体起到有效的保护作用，这样一束势必影响其他性能，特别是造成基体高温力学性能的下降，可见合会化的方法有其自身的局限性。表面涂层保护是兼顾铌基合余高温力学性能与抗氧化性能的切实有效的途径。本章将综述目前在新型Nb硅化物基超高温合金研究方面所作的工作，并将其氧化行为和抗氧化涂层作为重点考虑的两个方面，探讨通过新的途径来进一步提高新型Nb硅化物基超高温合会的综合性能。
