[發明專利]一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法

有效

• 申請號: 201510041211.4
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104630722B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 李海慶;陳道勇;徐方濤;張緒虎;賈中華;何開民;張春基;胡國林;賈文軍
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;C23C14/58;C23C12/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 張麗娜

技術領域

本發明涉及一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法，屬于高溫涂層技術領域，特別是涉及一種用于軌控發動機燃燒室高溫抗氧化涂層的制備方法及性能。

背景技術

雙組元液體推進劑姿軌控發動機是現代空間飛行器及戰略戰術武器的重要組成部分，廣泛應用于軌道控制、姿態調整等。近年來，新型飛行器或武器的研制，對發動機性能的要求不斷提高，要求其提高比沖，增加室壓，從而減少推進劑的消耗量和減輕發動機重量，以及延長發動機壽命或增大戰略武器射程。推力室許用溫度是決定發動機比沖的主要因素之一，而推力室材料及高溫抗氧化涂層性能則決定了推力室的工作溫度和抗沖刷性能。目前，我國應用于空間飛行器軌道導入和姿態控制的雙組元液體火箭發動機主要使用硅化物涂層的鉭合金作推力室材料。對于鉭鉿-硅鉻鈦發動機推力室，基體采用鉭鉿合金，涂層工藝和體系為料漿燒結的硅鉻鈦涂層以及硅鉻鈦鉿涂層，其工作溫度為1400℃左右。

現有發動機推力室材料以及涂層體系不能滿足新一代高比沖長壽命軌姿控發動機對推力室的更高的要求。根據新一代軌姿控發動機對推力室提出的要求，推力室選擇耐高溫更強的鉭合金，在其表面研制抗高溫氧化的硅化鉬涂層體系是一種解決方案。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種在鉭合金材料表面制備抗氧化涂層的方法，步驟為：

第一步：鉭合金表面鉬涂層制備

1)根據姿軌控發動機推力室形狀尺寸制備陰極鉬靶材，并除去鉬靶材表面的污染物，比如油漬，然后安裝在真空陰極電弧沉積設備上，作為陰極；對真空陰極電弧沉積設備抽真空，在真空條件下對鉬靶材進行起弧，以去除鉬靶材表面的雜質，比如氧化物；

所述的鉬靶材純度大于99.9at.％；

2)對鉭合金工件表面進行酸洗，其目的是為了去除表面的油漬、氧化物等雜質，酸洗所使用的溶液為酸液，酸液包括硝酸和硫酸，硝酸和硫酸的質量配比為4：1；酸洗時間控制在8-10分鐘之間，再用去離子水超聲波清洗，然后進行烘干，烘干后放在真空陰極電弧沉積設備的樣品臺上，鉭合金工件與鉬靶材距離為2-10毫米；姿軌控發動機推力室作為陽極；

3)對真空陰極電弧沉積設備抽取真空，真空度≤1.33×10^-2Pa時開始沉積鉬涂層；沉積工藝參數為：弧電流為50～70A，線圈電流1～10A；沉積時間以實際需要為準，保證鉬涂層的厚度在30～60μm；

4)鉭合金表面沉積完成后，鉭合金工件隨真空室冷卻至50℃以下后，打開真空室取出樣品；

第二步：鉭合金表面鉬涂層擴散處理

1)將第一步制備的樣品放置在真空熱處理爐中；

2)將真空熱處理爐進行抽真空，當真空度≤5×10^-2Pa時，進行加熱，加熱速率為5-15℃/min，加熱至1200-1400℃，保溫2-5h，此時，鉬涂層和鉭合金發生相互擴散，在鉬涂層和鉭合金基體之間形成鉬-鉭互擴散層，然后隨爐冷卻至室溫，取出樣品。

3)鉬涂層與鉭合金工件的結合力檢驗；將樣品進行彎曲試驗，結果表明鉬涂層沒有起泡、剝落和分層，其結合力達到使用要求；

第三步：真空活化包滲制備MoSi₂梯度涂層

1)將硅粉和硼粉進行真空干燥后進行混合，混合采用球磨機混合均勻，得到混合粉料；

2)將步驟1)得到的混合粉料倒入石墨坩鍋中，將第二步制備的樣品埋入石墨坩鍋內的混合粉料中，然后將石墨坩鍋放入真空爐中，在1200～1350℃保溫5～10h，真空度≤5×10^-2Pa；同時，將鹵化物活化劑放入活化劑蒸發容器內，使蒸發的鹵化物活化劑進入到真空爐的石墨坩堝內，加速硅粉和硼粉與鉬涂層的反應速率，蒸發容器的溫度為700～850℃，從而由鉬涂層至鉭合金基體依次形成抗氧化涂層、中間層、過渡層和基體；抗氧化涂層為以二硅化鉬為主，摻雜有硼元素的復合涂層；中間層為以硅化鉬、硅化鉭為主，摻雜有硼元素的復合涂層；過渡層為以硅化鉭為主，摻雜有硼元素的復合涂層；基體為鉭合金；

以硅粉和硼粉的質量為100份計算，硅粉的質量份數為85-99，硼粉的質量份數為1-15，鹵化物活化劑的質量份數為0.5-8，鹵化物活化劑為氯化鈉、氟化鈉或氟化鉀；

3)在真空條件下進行冷卻至室溫，取出產品，最終得到的MoSi₂復合涂層厚度為60～120μm。