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

（寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏石嘴山 753002）

隨著科學技術的不斷發展，高溫材料的應用溫度在不斷提高，尤其是超聲速巡航飛行器，伴隨發動機的持續升級換代，對高溫材料提出更高的溫度及高溫性能要求［1］。由于發動機工作溫度高，對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，目前國內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展，但在C/C復合材料與其它部件連接中遇到瓶頸，由于C/C復合材料具有很好的高溫性能，但強度和力學性能差，在結構件連接設計中C/C復合材料常用陰螺紋的方式與其它部件進行連接，由于C/C復合材料強度、韌性和力學性能差，在C/C復合材料上加工陰螺紋存在較多問題：如極易出現分層、加工時易出現螺紋掉齒、在反復拆裝過程中出現脫扣等現象，從而導致產品連接強度低，質量一致性差，裝機工作可靠性不足等問題。為解決該問題，對C/C復合材料陰螺紋采用加裝螺套設計［2］。由于鉭鎢合金具有高熔點、高熱強性和良好的加工性能，是航天飛行器關鍵高溫部件的主要結構材料，因此螺套采用鉭鎢合金加工，而鉭鎢合金在高溫下會發生氧化破壞，為預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［3］。由于螺套具有伸縮性，在安裝過程中需壓縮產生形變，而現有涂層脆性極大且結構較疏松，涂層與基體結合強度低，在類似螺套這種在安裝或工作過程中會產生形變的部件上使用時，涂層由于脆性大會因形變而產生裂紋或脆斷，隨著變形量的加大，由于涂層結構疏松，涂層與基體結合強度低而導致涂層脫落。因此，要研究一種韌性好、與基材結合力強、結構致密、性能優異的鉭鎢合金涂層，解決新型超音速發動機研制中鉭鎢合金螺套高溫抗氧化防護的難題，使鉭鎢合金涂層能夠廣泛應用在航空航天、武器裝備、原子能及化工工業領域中類似彈簧螺套這種在安裝或工作過程中會產生形變時涂層不會受損的高溫結構部件上［4，5］。

1 試驗內容及方法

1.1 鉭鎢螺套涂層配方設計

選用硅化鉬體系涂層進行涂層配方設計，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的匹配性，消除或降低涂層內應力，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活性，增加合金與涂層間互擴散程度，提高涂層與合金的高溫結合強度。將設計配方中成分按一定質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，但應用較多的有三種，分別是：（1）料漿熔燒法；（2）氣相化學沉積法；（3）電弧沉積法［7～9］。而料漿熔燒法特點是制備工藝簡單，成本較低，適合于批量化生產，根據鉭鎢合金螺套批量化生產要求，試驗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

根據金屬與非金屬在塑性與抗氧化性能上的互補性，選用Si作為助溶劑，配置具有抗氧化、易擴散、易固溶等性能特點的單質或合金粉，添加粘結劑，通過燒結方法在鉭鎢合金表面制備擴散固溶的半陶瓷體，使之能在高溫大氣環境中，涂層表面與氧結合形成保護層，對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試樣表面后在真空電阻爐中燒結制備出涂層產品，如圖2所示。

圖2 鉭鎢合金涂層螺套

2 試驗結果與分析

2.1 涂層抗氧化性能

涂層抗氧化性能通過內熱法測定，選用高溫測試試驗臺，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試樣加熱，用MR雙色紅外測溫儀測定試樣溫度。

測定涂層靜態抗氧化性能時，通過調節電流電壓的輸出控制試樣的溫度，在大氣環境中15～20 s內將試樣升至試驗溫度后保溫，當試樣出現目視可見的小黑點時，表明局部涂層已經失效，停止測試。從開始保溫到涂層失效的時間即為涂層靜態高溫抗氧化壽命。

對制備的涂層試樣進行性能測試，測試數據見表1。

表1 涂層試樣及性能測試數據

表1測試結果顯示，涂層1 600℃靜態壽命16 h，1 800℃靜態壽命12 h，1 900℃靜態壽命3 h，性能良好。

2.2 涂層結合強度

在Φ25 mm×6 mm鉭鎢合金表面制備涂層（結合強度檢測樣）如圖3，采用Instron公司5882型電子拉力試驗機，膠粘劑FM-1000膠，按照JGG-0.5.Q-0008的規定檢測涂層結合強度為75 MPa。

圖3 涂層結合強度檢測樣

2.3 涂層韌性

將制得的鉭鎢合金涂層通過三點彎曲試驗：試樣彎曲90°涂層無斷裂，也無脫落現象發生。

2.4 涂層形貌分析

用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡對制得的鉭鎢合金螺套涂層微觀組織與結構進行了詳細分析，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（蜂窩狀涂層結構具有優良的自愈性能），分布均勻，涂層微觀組織結構完整，沒有出現涂層斷代、涂層空缺等缺陷。涂層結構均勻、組織致密、擴散層明顯，擴散層厚度均勻，整體涂層與基體的結合嚴密，厚度分布均勻［10，11］。

3 涂層螺套熱試車考核

對制備的涂層螺套進行了地面熱考核試驗，試驗中螺套位置的溫度達到1 800℃以上，試驗后檢查螺套涂層結構完好，結果滿足裝機使用要求，可用于發動機連接結構。

4 結 論

1.通過涂層配方設計及優化研究、涂層制備工藝研究，獲得一種與鉭鎢合金相匹配，具有優良抗高溫氧化性能且結合力強、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℃靜態壽命16 h，1 800℃靜態壽命12 h，1 900℃靜態壽命3 h，性能良好。涂層螺套通過了熱考核試驗，可用于超高溫發動機連接結構。

3.解決了C/C復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用在航空航天、武器裝備、原子能及化工工業領域中類似彈簧螺套這種在安裝或工作過程中會產生形變時涂層不會受損的高溫結構部件上。