目前廣泛用作渦輪發(fā)動機(jī)葉片材料的鎳基高溫合金的工作溫度已達(dá)到1150°C，接近其熔點(diǎn)，進(jìn)一步提高其使用溫度十分困難，因此研發(fā)能夠在更高溫度下使用的新材料，從而提高渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度，進(jìn)而提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能就成為材料研究工作的熱點(diǎn)。在有潛力用于1200°C以上高溫條件的難熔金屬基高溫合金中，Nb合金特別是Nb-Si基合金由于具有密度低、高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望代替鎳基高溫合金的新一代超高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，到目前為止，Nb-Si基超高溫合金的高溫抗氧化性能仍顯不足，且很難通過合金化及制備工藝獲得較大改善，因此需要在其表面制備抗氧化涂層。
硅化物涂層是Nb-Si基合金表面應(yīng)用最廣的高溫抗氧化涂層體系，目前正在研發(fā)的硅化物涂層體系有Ti-Cr-Si系，F(xiàn)e-Cr-Si系，Mo-Si系等。據(jù)報道，用先滲Cr再滲Si的兩步法工藝可在Nb-Si基超高溫合金表面制備由NbSi2、CrSi2、Cr2Nb相組成的Cr改性NbSi2涂層。用等離子噴涂技術(shù)可在Nb-Si基合金表面制備Mo-Si-Al涂層，涂層由Mo(Si,Al)2及Mo5(Si,Al)3組成。采用包埋共滲法，使用NH4Cl做催化劑，在1350°C下實(shí)現(xiàn)Si-Cr-Y的三元共滲，可以在Nb-Si基合金表面制備Si-Cr-Y共滲涂層，涂層主要由Cr2(Nb,Ti)，(Nb,Ti)5Si3和HfSi2組成，Y元素的添加起到了細(xì)化涂層的作用。采用Si-Ge共滲法經(jīng)1300°C/10h可在Nb-Si基合金表面制備Ge改性的硅化物涂層，經(jīng)1250°C恒溫氧化100h后的增重為5.42mg/cm2。
我國西北工業(yè)大學(xué)近10年來一直在開展提高Nb-Si基合金高溫抗氧化性能方面的研究，開發(fā)了Al、Y、Cr、B、Ce、Zr、Ge等單元以及多元聯(lián)合改性的NbSi2基硅化物涂層體系，其中多種涂層體系經(jīng)1250°C~1350°C恒溫氧化100h~200h或1250°C-室溫循環(huán)氧化100次后仍對基體合金具有優(yōu)良的保護(hù)能力。其中最具有代表性的是采用Si-AL-Y2O3包埋共滲在Nb-Si基合金表面制備的Y，Al二元聯(lián)合改性硅化物滲層，該滲層具有優(yōu)異的高溫抗氧化能力，經(jīng)1250°C恒溫氧化100h后的增重僅為2.3mg/cm2，經(jīng)1250°C恒溫氧化200h或1350°C氧化100h后的氧化膜仍致密完整地粘附在滲層試樣上。該滲層具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由外到內(nèi)依次為占滲層大部分的(Nb,X)Si2外層，(Ti,Nb)5Si4中間層及富Al,Cr的內(nèi)層。
他們的研究表明，滲劑中的Al粉含量決定了所制備滲層中的Al含量，而后者對滲層的高溫抗氧化能力有顯著影響。滲劑中Al粉的添加量在一定范圍時，所制備的滲層經(jīng)1250°C/20h氧化后，表面氧化膜致密完整，無剝落現(xiàn)象發(fā)生。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Al對滲層氧化行為的改性體現(xiàn)于對氧化膜組織結(jié)構(gòu)的影響，即合適的Al含量可促使在滲層(Nb,X)Si2外層表面優(yōu)先生成SiO2，并形成以SiO2.Al2O3為主的致密氧化膜。
已有的工作表明，采用一步包埋滲法可成功制備單獨(dú)滲硅層、Y改性硅化物滲層、Al-Y改性硅化物滲層及其他多組元改性硅化物滲層，其中Al-Y改性硅化物滲層具有優(yōu)秀的高溫抗氧化性能。