王蓉 周小軍 解鶴

摘 要：粘結(jié)劑是料漿熔燒法制備鈮鎢合金高溫抗氧化涂層不可或缺的一種水溶性多分子聚合物，本文通過分析鈮鎢合金試片高溫抗氧化涂層的表面和斷面微觀形貌及高溫性能測試，論述了制備懸浮類涂層料漿中粘結(jié)劑的添加對鈮鎢合金高溫抗氧化涂層表面質(zhì)量和高溫性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)添加粘結(jié)劑會對涂層表面質(zhì)量和高溫性能產(chǎn)生影響，而不同的粘結(jié)劑添加量對涂層表面質(zhì)量和高溫性能的影響也不盡相同，粘結(jié)劑添加量不足對涂層表面質(zhì)量影響甚微，但是高溫性能下降，而粘結(jié)劑添加量過多會造成涂層表面質(zhì)量下降，涂層開裂，并伴隨著涂層高溫性能下降，只有選擇適量的粘結(jié)劑添加量才能確保涂層表面質(zhì)量和高溫性能同時(shí)顯著提升。

關(guān)鍵詞：鈮鎢合金 涂層 粘結(jié)劑 高溫抗氧化性能

中圖分類號：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0095-02

隨著我國在國防、航天航空領(lǐng)域的快速、持續(xù)發(fā)展，通訊衛(wèi)星、姿軌控和武器發(fā)動(dòng)機(jī)等航天領(lǐng)域?qū)ν繉硬牧嫌辛烁叩囊?。?dāng)前的涂層材料已經(jīng)不能滿足航天領(lǐng)域材料的要求，而且各種大中型噴管對涂層需求會越來越大。為提高涂層的研究技術(shù)、縮短研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須對涂層機(jī)理、過程控制、能力保障等進(jìn)行綜合、全面、深入的研究。寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司研發(fā)出了多次復(fù)合制備涂層的技術(shù)。通過第一次熔燒制備擴(kuò)散層和主層，第二次熔燒制備加強(qiáng)層，形成梯度復(fù)合涂層[2]。在形成梯度復(fù)合涂層的料漿配制中除需要按比例加入A～H粉料外，還需要添加粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑是一種水溶性多分子聚合物，在室溫下可以微溶于X液體介質(zhì)，起到分散、助懸，使顆粒均勻分布的作用，在晾干時(shí)還可以增強(qiáng)料漿涂覆層與合金表面的結(jié)合強(qiáng)度。為此，本文研究了該粘結(jié)劑添加量對鈮鎢合金涂層表面質(zhì)量和高溫性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

研究人員以鈮鎢合金高溫抗氧化涂層用正常料漿粘結(jié)劑的添加量標(biāo)準(zhǔn)為M，按0，M-0.5%，M，M+0.5%，M+1%五種比例添加分析純粘結(jié)劑，配制料漿，命名如下：以鈮鎢合金高溫抗氧化涂層用正常料漿不添加任何粘結(jié)劑，編號為1-1#料；比正常比例少添加0.5%的粘結(jié)劑，編號為A-1批；按正常比例添加粘結(jié)劑，編號為A-2批；比正常比例多添加0.5%的粘結(jié)劑，編號為A-3批；比正常比例多添加1%的粘結(jié)劑，編號為A-4批；

研磨上述料漿，并制備鈮鎢合金高溫抗氧化涂層試片各5片，并進(jìn)行性能測試和掃描電鏡分析。

2 結(jié)果與分析

鈮鎢合金高溫抗氧化涂層制備后，通過對試片表面狀態(tài)對比，可以發(fā)現(xiàn)不添加粘結(jié)劑、比標(biāo)準(zhǔn)比例少添加0.5%粘結(jié)劑、按標(biāo)準(zhǔn)比例添加粘結(jié)劑制備的涂層表面狀態(tài)差別不大。

但當(dāng)粘結(jié)劑添加量的增多超過標(biāo)準(zhǔn)比例時(shí)，一次涂層后試片表面開始出現(xiàn)裂紋，粘結(jié)劑添加量越多，涂層表面的裂紋越明顯（如圖1～2）。

對一次涂層后的試片進(jìn)行二次涂層，涂層裂紋有所減輕，但個(gè)別一次裂紋較深的試片表面仍能觀察到一次涂層后的裂紋痕跡。

用上述涂層后的試片進(jìn)行性能測試，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。

由上表可以看出，不添加粘結(jié)劑時(shí)涂層性能會嚴(yán)重下降，隨著粘結(jié)劑添加量的增多，涂層性能會略有恢復(fù)；當(dāng)粘結(jié)劑的添加量增加至正常水平時(shí)，涂層性能恢復(fù)至正常水平；如果粘結(jié)劑的添加量高于正常水平，粘結(jié)劑越多，涂層開裂越嚴(yán)重，當(dāng)涂層開裂至一定程度時(shí)，涂層性能會再次下降，粘結(jié)劑添加量對涂層的靜態(tài)抗氧化能力有很大影響。

當(dāng)涂層料漿中沒有粘結(jié)劑時(shí)，涂層性能會顯著降低，而當(dāng)粘結(jié)劑逐漸增加至含量正常時(shí)，涂層性能會逐步恢復(fù)至正常水平。當(dāng)粘結(jié)劑添加量高于M時(shí)涂層會發(fā)生輕微的龜裂現(xiàn)象，隨著含量的增高龜裂現(xiàn)象加重。對這幾種情況分別作涂層的表面和截面掃描電鏡分析（如圖3～12）。

由圖3～12掃描電鏡的截面形貌和微觀形貌可以看出，粘結(jié)劑添加量對涂層擴(kuò)散層厚度和表面微觀形貌幾乎沒有影響，這是因?yàn)榧尤胝辰Y(jié)劑后，由于該粘結(jié)劑是一種有機(jī)高分子聚合物，它可以包覆顆粒表面，以其大分子基團(tuán)產(chǎn)生空間位阻，起到很好的分散作用，可以有效降低料漿顆粒間的團(tuán)聚作用，同時(shí)可以降低顆粒沉降的速度，使得料漿可以在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定均勻懸浮在液體介質(zhì)中。此外，由于這種粘結(jié)劑可以改善鈮鎢合金基材與顆粒的潤濕性，并且在干燥后可以提高顆粒固結(jié)強(qiáng)度以及料漿與鈮鎢合金的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)涂層燒結(jié)時(shí)，粘結(jié)劑在350℃左右開始分解，分解產(chǎn)生的C、H化合物，可以降低涂層部分組分的熔點(diǎn)，降低反應(yīng)溫度，同時(shí)可以對涂層形成過程起到催化作用[3]。

當(dāng)粘結(jié)劑添加量不足時(shí)，不能有效包覆顆粒表面，起不到有效的位阻作用，這時(shí)金屬顆粒間仍有團(tuán)聚，料漿成分呈不均勻分布，雖然涂層后表面狀態(tài)正常，但涂層中高價(jià)態(tài)的鈮硅固溶體會相應(yīng)減少，同時(shí)玻璃體不均勻分散或碎裂，涂層中低價(jià)態(tài)的固溶體含量則相應(yīng)增加，而低態(tài)價(jià)態(tài)的固溶體極易吸收氧而形成Nb2O5，Nb2O5是一種疏松的粉末狀固體，其在形成過程中會因體積效應(yīng)不斷從涂層表面剝落，低價(jià)態(tài)鈮硅固溶體的增多意味著Nb2O5的增多，這就加快了涂層的氧化速度，當(dāng)涂層試片性能測試時(shí)，氧化速度相對較慢，當(dāng)涂層試車考核時(shí)，會受到強(qiáng)烈的沖刷作用，將加速涂層粉化-剝落-再粉化循環(huán)的速度，會極大加快涂層的氧化速度，涂層性能下降。

當(dāng)粘結(jié)劑過多時(shí)，由于粘結(jié)劑在液體介質(zhì)中的溶解度是恒定的，多余的粘結(jié)劑并不會溶解在液體介質(zhì)中，而是以顆粒形態(tài)分布在料漿中，其大分子基團(tuán)彼此纏繞交結(jié)，會使得料漿有效成分顆粒再次形成團(tuán)聚，造成涂層成分的不均勻性，這種狀況下掛漿熔燒制得的涂層成分與正常成分有差異，這會對涂層性能造成一定影響[4]。同時(shí)由于粘結(jié)劑相對涂層其他成分密度要小，多余的粘結(jié)劑多聚集在料漿表面，在涂層熔燒過程中，過多的粘結(jié)劑在涂層表面聚集占位，揮發(fā)后會在涂層表面形成紋路，且影響涂層表層與涂層其他層面的熱膨脹系數(shù)匹配性，引起涂層開裂，加快涂層失效。

3 結(jié)論

鈮鎢合金高溫抗氧化涂層所用料漿是一種懸浮液，在涂層制備的過程中顆粒表面攜帶電荷，顆粒之間容易發(fā)生團(tuán)聚，同時(shí)由于顆粒密度大，沉降速度較快，這兩者都極易造成料漿成分的不均勻性。而粘結(jié)劑的適量添加可以有效降低料漿顆粒間的團(tuán)聚作用，同時(shí)降低顆粒沉降的速度，使得料漿在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定均勻懸浮在液體介質(zhì)中，可以改善鈮鎢合金基材與顆粒的潤濕性，對涂層形成過程起到催化作用。粘結(jié)劑添加量不足并不影響涂層表面狀態(tài)，添加量過多會使涂層開裂，但添加量不足和過多均會對涂層性能造成影響，不能有效地發(fā)揮應(yīng)有的作用而使涂層提前失效。

參考文獻(xiàn)

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[2] 周小軍，王莉，鄭愛國.Nb521合金及抗高溫氧化涂層[A].中國空間科學(xué)學(xué)會空間材料專業(yè)委員會.中國空間科學(xué)學(xué)會空間材料專業(yè)委員會2011學(xué)術(shù)交流會論文集[C].中國空間科學(xué)學(xué)會空間材料專業(yè)委員會：2011：18.

[3] 趙陸翔，郭喜平，姜嫄嫄.鈮基合金包埋滲法制備抗氧化硅化物涂層及其組織形成[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2007（4）：596-601.

[4] 唐勇，杜繼紅，李爭顯，等.鈮及鈮合金高溫抗氧化防護(hù)涂層研究[J].表面技術(shù)，2009（5）：42-43+79.