本發(fā)明涉及熱防護(hù)難熔金屬材料，具體涉及一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著空天、核能等領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，熱端部件的服役工況越來越惡劣，如超高溫高壓、氧化、粒子沖刷等。傳統(tǒng)難熔材料已難以滿足性能要求，在一定程度上制約了航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。難熔高熵合金作為新興的一類材料，兼具傳統(tǒng)合金和難熔金屬的各種特性，如高熔點、優(yōu)異的加工性能等，因此其被認(rèn)為是一種在高溫高壓復(fù)雜工況下極具服役潛力的新型材料。然而，難熔金屬元素大多不抗氧化，尤其在高溫大氣環(huán)境下，難熔高熵合金往往因為氧化及粒子沖刷等惡劣工況，導(dǎo)致材料失效失穩(wěn)，極大影響了部件服役的安全性和可靠性。因此，提高難熔高熵合金的表層硬度和抗氧化性至關(guān)重要。

2、sic作為一種常用的高溫涂層防護(hù)材料，具有優(yōu)異的物化性能，如高熔點、超硬、耐蝕、抗氧化等，在1800℃~2000℃溫度范圍內(nèi)具有良好的抗燒蝕性能，因此在航空航天等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)sic涂層制備方法一般包括化學(xué)氣相沉積、等離子噴涂、化學(xué)氣相反應(yīng)等（如專利cn114525495a、cn116003164b、cn117604490a等），這些方法大多依賴專用設(shè)備，不僅工藝復(fù)雜、成本高，還有結(jié)合力差、涂層不致密等缺點，難以與難熔高熵合金在高溫高壓復(fù)雜工況下結(jié)合使用。因此，亟需一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層及其制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層的制備方法。該方法通過非自耗電弧熔煉、機械加工、表面處理、碳粉埋覆、真空高溫?zé)峒せ罴訜釢B碳相結(jié)合的工藝，在熱端部件用難熔高熵合金基體表面滲碳原位生長制備超硬sic致密防護(hù)層，提高了防護(hù)層與難熔高熵合金基體的結(jié)合力，使其硬度值得到顯著提升，解決了sic涂層工藝復(fù)雜、成本高、結(jié)合力差、涂層不致密及難以工業(yè)化生產(chǎn)的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層，其特征在于，難熔高熵合金基體的化學(xué)表達(dá)式為nbahfbticaldsie，表面的防護(hù)層的化學(xué)表達(dá)式為(nbahfbticaldsie)x-(sic)y，其中，a,?b,?c,?d,?e分別表示對應(yīng)元素的原子摩爾比數(shù)值，且a:b:c:d:e=1.2~1.6:0.2~0.5:1.8~2.8:3~4:1.8~2.8，x+y=1。

3、上述的一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層，其特征在于，所述表面的防護(hù)層位于難熔高熵合金基體表面50μm厚度范圍內(nèi)，且x=0.1~0.3，y=0.7~0.9。

4、此外，本發(fā)明還公開了一種制備如上述的熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

5、步驟一、將潔凈的nb、hf、ti、al、si金屬單質(zhì)原料按目標(biāo)產(chǎn)物的設(shè)計成分進(jìn)行配料，然后利用非自耗電弧熔煉的方式將配料后的金屬單質(zhì)原料進(jìn)行合金化，得到合金鑄錠；

6、步驟二、將步驟一中得到的合金鑄錠加工切割成規(guī)則立方體形狀，然后進(jìn)行表面處理去除表面氧化皮，得到難熔高熵合金基體；

7、步驟三、對碳粉進(jìn)行片狀化處理，然后將步驟二中得到的難熔高熵合金基體放入模具中，采用片狀化處理后的碳粉埋覆并進(jìn)行預(yù)壓；

8、步驟四、將步驟三中經(jīng)預(yù)壓后的難熔高熵合金基體連同模具放入真空爐腔中進(jìn)行高溫?zé)峒せ罴訜幔陔y熔高熵合金表面得到超硬sic致密防護(hù)層。

9、上述的制備方法，其特征在于，步驟一中所述nb、hf、ti、al、si金屬單質(zhì)原料的質(zhì)量純度不低于99.9%。

10、上述的制備方法，其特征在于，步驟一中所述合金化過程中，先分別將低熔點ti、al、si金屬單質(zhì)原料和高熔點nb、hf金屬單質(zhì)原料初熔成兩個鑄錠，然后進(jìn)行合熔得到合金鑄錠?？紤]到不同元素原料的熔點差異較大，通過分開熔煉鑄錠以縮小熔點差異，而后合熔形成合金鑄錠，保證了合金鑄錠的成分準(zhǔn)確性，降低熔煉難度，工藝更為合理。

11、上述的制備方法，其特征在于，步驟二中所述表面處理包括機械拋光和丙酮清洗去油。

12、上述的制備方法，其特征在于，步驟三中所述碳粉平均粒徑為50μm，并采用球磨機進(jìn)行片狀化處理，所述球磨機的片狀化處理過程中，不銹鋼磨球與碳粉的質(zhì)量比為10:1，不銹鋼磨球的直徑為8mm，球磨時間為6h，球磨轉(zhuǎn)速為400r/min，且球磨機每工作40min停歇5min，球磨中過程控制劑為無水乙醇。

13、上述的制備方法，其特征在于，步驟三中將難熔高熵合金基體置于片狀化處理后的碳粉中心位置，所述預(yù)壓的壓力為100mpa~400mpa。通過控制難熔高熵合金基體的放置位置提高了后續(xù)滲碳均勻性，避免難熔高熵合金基體接觸模具底部而無法與碳粉充分接觸、從而無法產(chǎn)生滲碳的高溫擴散過程。

14、上述的制備方法，其特征在于，步驟四中所述真空爐腔的真空度為10-4pa量級。

15、上述的制備方法，其特征在于，步驟四中所述高溫?zé)峒せ罴訜岬闹贫葹椋合纫?℃/min~10℃/min的速率升溫至1800℃~2000℃保溫10min~30min，然后以不高于2℃/min的速率緩慢降溫至1400℃保溫2h~6h，隨爐冷卻。通過先快速將溫度沖高到1800℃~2000℃，有效提高了碳粉與難熔高熵合金基體表面的附著力，然后在低溫下保溫進(jìn)行滲碳擴散原位生長超硬sic致密防護(hù)層，有利于提高防護(hù)層與難熔高熵合金基體的結(jié)合力。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

17、1、本發(fā)明以潔凈的nb、hf、ti、al、si金屬單質(zhì)為原料，利用非自耗電弧熔煉、機械加工、表面處理、碳粉埋覆、真空高溫?zé)峒せ罴訜釢B碳相結(jié)合的工藝，在熱端部件用難熔高熵合金基體表面滲碳原位生長制備超硬sic致密防護(hù)層，提高了防護(hù)層與難熔高熵合金基體的結(jié)合力，且防護(hù)層致密不易脫落，硬度值得到顯著提升，可在如高溫氣體沖刷、腐蝕等多種極端環(huán)境下保護(hù)熱端部件用難熔高熵合金；同時，該制備工藝簡單，效率高，成本較低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)方法制備sic涂層工藝復(fù)雜、成本高、結(jié)合力差、涂層不致密及難以工業(yè)化生產(chǎn)的問題。

18、2、與球形粉相比，本發(fā)明通過片狀化處理控制碳粉粒徑與形貌，增加碳粉與難熔高熵合金基體表面的接觸面積，從而提高超硬sic致密防護(hù)層的生長速率。

19、3、本發(fā)明在難熔高熵合金基體表面制備的超硬sic致密防護(hù)層的厚度約為50μm，表面硬度超過1000hv，為基體硬度480hv的兩倍多，該致密的sic層不僅能夠隔絕氧化環(huán)境，避免難熔金屬元素在高溫大氣環(huán)境下因氧化而失效，還有效提高了難熔高熵合金表面硬度，提升抗沖刷性能。

20、下面通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層，其特征在于，難熔高熵合金基體的化學(xué)表達(dá)式為nbahfbticaldsie，表面的防護(hù)層的化學(xué)表達(dá)式為(nbahfbticaldsie)x-(sic)y，其中，a,?b,?c,?d,?e分別表示對應(yīng)元素的原子摩爾比數(shù)值，且a:b:c:d:e=1.2~1.6:0.2~0.5:1.8~2.8:3~4:1.8~2.8，x+y=1。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層，其特征在于，所述表面的防護(hù)層位于難熔高熵合金基體表面50μm厚度范圍內(nèi)，且x=0.1~0.3，y=0.7~0.9。

3.一種制備如權(quán)利要求1或2所述的熱端部件用難熔高熵合金表面超硬sic致密防護(hù)層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟一中所述nb、hf、ti、al、si金屬單質(zhì)原料的質(zhì)量純度不低于99.9%。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟一中所述合金化過程中，先分別將低熔點ti、al、si金屬單質(zhì)原料和高熔點nb、hf金屬單質(zhì)原料初熔成兩個鑄錠，然后進(jìn)行合熔得到合金鑄錠。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟二中所述表面處理包括機械拋光和丙酮清洗去油。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟三中所述碳粉平均粒徑為50μm，并采用球磨機進(jìn)行片狀化處理，所述球磨機的片狀化處理過程中，不銹鋼磨球與碳粉的質(zhì)量比為10:1，不銹鋼磨球的直徑為8mm，球磨時間為6h，球磨轉(zhuǎn)速為400r/min，且球磨機每工作40min停歇5min，球磨中過程控制劑為無水乙醇。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟三中將難熔高熵合金基體置于片狀化處理后的碳粉中心位置，所述預(yù)壓的壓力為100mpa~400mpa。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟四中所述真空爐腔的真空度為10-4pa量級。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟四中所述高溫?zé)峒せ罴訜岬闹贫葹椋合纫?℃/min~10℃/min的速率升溫至1800℃~2000℃保溫10min~30min，然后以不高于2℃/min的速率緩慢降溫至1400℃保溫2h~6h，隨爐冷卻。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種熱端部件用難熔高熵合金表面超硬SiC致密防護(hù)層及其制備方法，該難熔高熵合金基體的化學(xué)表達(dá)式為Nb<subgt;a</subgt;Hf<subgt;b</subgt;Ti<subgt;c</subgt;Al<subgt;d</subgt;Si<subgt;e</subgt;，表面的防護(hù)層的化學(xué)表達(dá)式為(Nb<subgt;a</subgt;Hf<subgt;b</subgt;Ti<subgt;c</subgt;Al<subgt;d</subgt;Si<subgt;e</subgt;)<subgt;x</subgt;?(SiC)<subgt;y</subgt;；該方法包括：一、熔煉；二、加工切割后表面處理；三、采用片狀化處理后的碳粉埋覆并預(yù)壓；四、高溫?zé)峒せ罴訜帷１景l(fā)明通過碳粉埋覆、真空高溫?zé)峒せ罴訜嵯嘟Y(jié)合，經(jīng)滲碳原位生長超硬SiC致密防護(hù)層，提高了防護(hù)層與難熔高熵合金基體的結(jié)合力，使其硬度值顯著提升；本發(fā)明的防護(hù)層可在如高溫氣體沖刷、腐蝕等多種極端環(huán)境下保護(hù)合金，且制備工藝簡單，效率高，成本較低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：吳尚書,王夢,田謹(jǐn),劉若愚,劉剛,趙大強,宋佳星,陳珍,田權(quán)偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安稀有金屬材料研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6