摘 要

本文应用叠加熔烧法制备复合硅化物涂层，旨在综合提升铌钨合金的静载长程抗氧化能力和抗热震能力。试验结果显示，涂层在1800℃下的静态抗氧化寿命达到了10h以上，1700℃-室温空冷热震循环性能500次以上，1500℃乙炔焰冲刷3600s后涂层完好，涂层具有良好的耐高温、抗氧化性能。进一步分析显示，长时间氧化测试后，涂层开始贫Si化，同时涂层中的Nb含量因扩散作用而显著增加。当表层开始出现富Nb氧化物时，涂层失效。此外，涂层与NbW5-1合金仍然存在热膨胀系数的失配问题，导致1700℃热震测试600次以上后，涂层开始出现宏观裂纹，进而引起涂层失效。

关键词:复合硅化物；涂层；抗氧化；抗热震；乙炔焰冲刷

（1. Ningxia Orient Tantalum Industry Co., Ltd.， Shizuishan 753000， China）

（2. State Key Laboratory of Special Rare Metal Materials， Northwest Rare Metal Materials Research Institute， Shizuishan 753000， China）

（3. National Engineering Research Center of Tantalum and Niobium Materials， Shizuishan 753000， China）

Abstract: This paper introduced a laminated slurry melting method that prepared the anti-oxidation coating of Si-Mo-Nb/Si-Cr-Ti-Nb composite component on niobium -tungsten alloy (NbW5-1) aiming to comprehensively improve NbW5-1 alloy's long-range anti-oxidation ability and thermal shock reSistance. The analysis shows that the coating consists of a surface layer, a main layer and a diffusion layer with varying compositional gradients.Especially,the coating has good oxidation resistance at high temperature. The static oxidation resistance at 1800℃ has reached 11 hours or more, and the thermal shock at 1700℃ has exceeded 500 times . It also can withstand acetylene flame washing more than 3600s at 1500℃. Further analysis shows that after the long-range oxidation test, the coating begin to Si-depleted , and the Nb content in the alloy diffuses to the coating. And as the Nb oxide is present on the surface of the coating, the coating fails. In addition, there is still an another cause to the fail of the thermal shock test at 1700℃ for more than 600 times is that the difference between the coating and the NbW5-1 alloy's thermal expansion coefficient.

Keywords: Composite silicide; coating, anti-oxidation; thermal shock; resistanceacetylene flame washing;

引言

铌钨合金（牌号NbW5-1）自研制成功以来，因其密度适中、高温力学性能优良、加工/焊接性能出色等优点，在我国航天领域的应用逐年增多[1-6]。铌钨合金在高温有氧环境下会发生氧化“粉化”现象，必须涂覆抗氧化涂层材料。国内诸多单位如航天材料及工艺研究所、上海硅酸盐研究所、中南大学、昆明贵金属研究所等单位研制了多种铌钨合金用抗氧化防护涂层材料，主要分硅化物涂层和贵金属涂层两大类。其中硅化物涂层研究较多，形成了Si-Cr-Ti、Si-Cr-Fe、Si-Mo-W等多种体系。这些涂层使用温度一般在1400℃左右，短时可以在1500℃下使用，已经在多种航天轨、姿控发动机上应用[7-11]。

随着我国航天技术的快速进步和空间探测范围的进一步扩展，航天发动机比冲性能要求越来越高，由此导致发动机工作温度不断攀升，对发动机身部材料的需求也越来越高，现有涂层已经成为限制铌钨合金深入应用的瓶颈所在。为了解决这一问题，国内研究机构都在纷纷研制工作温度更高的抗氧化涂层，其中航天材料及工艺研究所引进乌克兰电弧沉积 包埋渗硅方法制造的MoSi2涂层性能极为优秀，已能满足部分发动机1600℃的使用要求。但是这种方法设备成本高、控制难度大、生产周期长[12-20]。为了解决这一问题，本文提出了叠层料浆熔烧法制备复合型硅化物涂层的方法，取得了良好的实验效果。

表1 铌钨合金物理参数、力学性能

Table 1 Physical parameters and mechanical properties of Nb-W alloy

图5为1800℃静态测试11h后的涂层试样，其表面高温部分完全釉质化，整体致密、均匀。失效部分有蓝白色的条纹状凸起。温度稍低的区域为氧化膜所覆盖，氧化膜颜色呈现明黄→浅黄→淡紫→蓝绿色的变化规律。

图6 氧化测试后的复合涂层表面形貌Ⅰ

Fig. 6 Surface morphology of the composite coating after

oxidation（Ⅰ）

图8 氧化测试后的复合涂层截面形貌

Fig. 8 Section morphology of the composite coating after oxidation

对涂层进行EDS分析，通过对未失效部分O含量的线扫描结果可知涂层最外层O含量较高，次外层裂纹、孔洞中O含量较高，而其余区域氧含量极低，证明这一层级未被完全氧化。同时，这一层级不同区域的Si、Nb的分布呈现较大的波动性，贴近主层的部分（图9中的浅灰色连续地带）Si、Nb比例已经与扩散层接近。

图11 正在经受乙炔火焰冲刷考核的涂层试样

Fig. 11 The coating specimens tested by acetylene flame scouring

图12 乙炔焰1500℃冲刷3600s后的涂层试样

Fig. 12 The coating samples scoured 3600s by Acetylene Flame at 1500℃

对热冲刷后的试样进行扫描电镜分析，经过3646s的冲刷考核，涂层表面没有出现烧蚀点和冲刷损伤，在冲刷区域出现了均匀的釉质膜。对涂层进行SEM分析，可以看到涂层表面出现了一层均匀的保护膜，阻止了氧元素对基材的侵蚀。

图13 乙炔焰冲刷后涂层的表面形貌（Ⅰ）

Fig. 13 The surface morphology of the coating after acetylene flame scouring

3结论

1）应用叠层料浆熔烧法，在铌钨合金(NbW5-1)上制备出了Si-Mo-Nb/Si-Cr-Ti-Nb复合成分抗氧化涂层，涂层由表层、主层层和扩散层组成；

2）涂层在高温下均有很好的抗氧化性能，1800℃静态抗氧化性能达到了11h以上，1700℃热震600次以上，可以经受乙炔焰1500℃冲刷3600s以上不失效。

3）涂层工作一段时间后，整体涂层开始贫Si化，同时涂层中的Nb含量显著增加。当表层开始出现富Nb氧化物时，涂层失效。

4）涂层与NbW5-1合金仍然存在热膨胀系数的失配问题，导致1700℃热震测试600次以上后，涂层开始出现宏观裂纹，进而引起涂层失效。

-Material Science ---

来源：第五届全国有色金属结构材料制备加工及应用技术交流会

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