鉭鎢合金螺套高溫抗氧化涂層制備研究

王立斐，周小軍，趙 剛，梁 斌，劉 尖，白曉東

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏石嘴山 753002）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫材料的應(yīng)用溫度在不斷提高，尤其是超聲速巡航飛行器，伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)升級(jí)換代，對(duì)高溫材料提出更高的溫度及高溫性能要求［1］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度高，對(duì)其材料性能的要求十分苛刻，尤其是各部件之間連接問題顯得尤為突出，目前國(guó)內(nèi)在緊固連接件高溫抗氧化材料研制方面已取得了突破性進(jìn)展，但在C/C復(fù)合材料與其它部件連接中遇到瓶頸，由于C/C復(fù)合材料具有很好的高溫性能，但強(qiáng)度和力學(xué)性能差，在結(jié)構(gòu)件連接設(shè)計(jì)中C/C復(fù)合材料常用陰螺紋的方式與其它部件進(jìn)行連接，由于C/C復(fù)合材料強(qiáng)度、韌性和力學(xué)性能差，在C/C復(fù)合材料上加工陰螺紋存在較多問題：如極易出現(xiàn)分層、加工時(shí)易出現(xiàn)螺紋掉齒、在反復(fù)拆裝過程中出現(xiàn)脫扣等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)品連接強(qiáng)度低，質(zhì)量一致性差，裝機(jī)工作可靠性不足等問題。為解決該問題，對(duì)C/C復(fù)合材料陰螺紋采用加裝螺套設(shè)計(jì)［2］。由于鉭鎢合金具有高熔點(diǎn)、高熱強(qiáng)性和良好的加工性能，是航天飛行器關(guān)鍵高溫部件的主要結(jié)構(gòu)材料，因此螺套采用鉭鎢合金加工，而鉭鎢合金在高溫下會(huì)發(fā)生氧化破壞，為預(yù)防鉭鎢合金在高溫下氧化，必須在合金表面制備高溫抗氧化涂層加以防護(hù)［3］。由于螺套具有伸縮性，在安裝過程中需壓縮產(chǎn)生形變，而現(xiàn)有涂層脆性極大且結(jié)構(gòu)較疏松，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低，在類似螺套這種在安裝或工作過程中會(huì)產(chǎn)生形變的部件上使用時(shí)，涂層由于脆性大會(huì)因形變而產(chǎn)生裂紋或脆斷，隨著變形量的加大，由于涂層結(jié)構(gòu)疏松，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低而導(dǎo)致涂層脫落。因此，要研究一種韌性好、與基材結(jié)合力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)異的鉭鎢合金涂層，解決新型超音速發(fā)動(dòng)機(jī)研制中鉭鎢合金螺套高溫抗氧化防護(hù)的難題，使鉭鎢合金涂層能夠廣泛應(yīng)用在航空航天、武器裝備、原子能及化工工業(yè)領(lǐng)域中類似彈簧螺套這種在安裝或工作過程中會(huì)產(chǎn)生形變時(shí)涂層不會(huì)受損的高溫結(jié)構(gòu)部件上［4，5］。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 鉭鎢螺套涂層配方設(shè)計(jì)

選用硅化鉬體系涂層進(jìn)行涂層配方設(shè)計(jì)，涂層主體為MoSi2-Mo-Cr-M1-M2。

通過添加M1、M2等元素提高涂層與合金熱膨脹系數(shù)的匹配性，消除或降低涂層內(nèi)應(yīng)力，通過添加Ge、Ir等改性劑、氟化物或氯化物作為催化劑來提高合金化學(xué)活性，增加合金與涂層間互擴(kuò)散程度，提高涂層與合金的高溫結(jié)合強(qiáng)度。將設(shè)計(jì)配方中成分按一定質(zhì)量比添加功能元素后混合，加入乙醇為溶劑裝入球磨罐，用球磨機(jī)研磨制得涂層料漿［6］。

1.2 涂層制備工藝

在合金表面制備高溫涂層的工藝方法多種多樣，但應(yīng)用較多的有三種，分別是：（1）料漿熔燒法；（2）氣相化學(xué)沉積法；（3）電弧沉積法［7～9］。而料漿熔燒法特點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，適合于批量化生產(chǎn)，根據(jù)鉭鎢合金螺套批量化生產(chǎn)要求，試驗(yàn)選用料漿熔燒法制備鉭鎢合金螺套耐高溫抗氧化涂層。其技術(shù)工藝路線如圖1所示。

圖1 鉭鎢合金螺套涂層制備流程

1.3 涂層制備

根據(jù)金屬與非金屬在塑性與抗氧化性能上的互補(bǔ)性，選用Si作為助溶劑，配置具有抗氧化、易擴(kuò)散、易固溶等性能特點(diǎn)的單質(zhì)或合金粉，添加粘結(jié)劑，通過燒結(jié)方法在鉭鎢合金表面制備擴(kuò)散固溶的半陶瓷體，使之能在高溫大氣環(huán)境中，涂層表面與氧結(jié)合形成保護(hù)層，對(duì)合金基材起到抗氧化的作用［10］。

將制得的涂層料漿噴涂或浸澤于鉭鎢合金螺套和隨爐高溫測(cè)試樣表面后在真空電阻爐中燒結(jié)制備出涂層產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 鉭鎢合金涂層螺套

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層抗氧化性能

涂層抗氧化性能通過內(nèi)熱法測(cè)定，選用高溫測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，將帶有涂層的試樣（70 mm×8 mm×1 mm）安裝在兩電極中部，采用低電壓、大電流通電加熱的方式對(duì)試樣加熱，用MR雙色紅外測(cè)溫儀測(cè)定試樣溫度。

測(cè)定涂層靜態(tài)抗氧化性能時(shí)，通過調(diào)節(jié)電流電壓的輸出控制試樣的溫度，在大氣環(huán)境中15～20 s內(nèi)將試樣升至試驗(yàn)溫度后保溫，當(dāng)試樣出現(xiàn)目視可見的小黑點(diǎn)時(shí)，表明局部涂層已經(jīng)失效，停止測(cè)試。從開始保溫到涂層失效的時(shí)間即為涂層靜態(tài)高溫抗氧化壽命。

對(duì)制備的涂層試樣進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 涂層試樣及性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表1測(cè)試結(jié)果顯示，涂層1 600℃靜態(tài)壽命16 h，1 800℃靜態(tài)壽命12 h，1 900℃靜態(tài)壽命3 h，性能良好。

2.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度

在Φ25 mm×6 mm鉭鎢合金表面制備涂層（結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)樣）如圖3，采用Instron公司5882型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，膠粘劑FM-1000膠，按照J(rèn)GG-0.5.Q-0008的規(guī)定檢測(cè)涂層結(jié)合強(qiáng)度為75 MPa。

圖3 涂層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)樣

2.3 涂層韌性

將制得的鉭鎢合金涂層通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：試樣彎曲90°涂層無斷裂，也無脫落現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 涂層形貌分析

用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡對(duì)制得的鉭鎢合金螺套涂層微觀組織與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，如圖4所示。

從圖4圖像可以看出，涂層顯微組織為蜂窩狀彌散玻璃體（蜂窩狀涂層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的自愈性能），分布均勻，涂層微觀組織結(jié)構(gòu)完整，沒有出現(xiàn)涂層斷代、涂層空缺等缺陷。涂層結(jié)構(gòu)均勻、組織致密、擴(kuò)散層明顯，擴(kuò)散層厚度均勻，整體涂層與基體的結(jié)合嚴(yán)密，厚度分布均勻［10，11］。

3 涂層螺套熱試車考核

對(duì)制備的涂層螺套進(jìn)行了地面熱考核試驗(yàn)，試驗(yàn)中螺套位置的溫度達(dá)到1 800℃以上，試驗(yàn)后檢查螺套涂層結(jié)構(gòu)完好，結(jié)果滿足裝機(jī)使用要求，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

1.通過涂層配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究、涂層制備工藝研究，獲得一種與鉭鎢合金相匹配，具有優(yōu)良抗高溫氧化性能且結(jié)合力強(qiáng)、韌性好，可供鉭鎢螺套使用的高溫抗氧化涂層及制備工藝。

2.制備出鉭鎢合金涂層螺套。螺套涂層1 600℃靜態(tài)壽命16 h，1 800℃靜態(tài)壽命12 h，1 900℃靜態(tài)壽命3 h，性能良好。涂層螺套通過了熱考核試驗(yàn)，可用于超高溫發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)。

3.解決了C/C復(fù)合材料與其它高溫部件連接中遇到的瓶頸。

4.鉭鎢合金涂層螺套能夠廣泛應(yīng)用在航空航天、武器裝備、原子能及化工工業(yè)領(lǐng)域中類似彈簧螺套這種在安裝或工作過程中會(huì)產(chǎn)生形變時(shí)涂層不會(huì)受損的高溫結(jié)構(gòu)部件上。