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过渡族金属硅化物改性硼化铪涂层的制备与高阻氧机制

过渡族金属硅化物改性硼化铪涂层的制备与高阻氧机制

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作者：张盟林中国矿业大学

学位级别：硕士

碳结构材料因其低密度、高比强度、优异的力学性能等优点,被广泛应用于航空航天高温部件,是国防和民用领域不可或缺的结构材料。但400℃以上易氧化的特性严重限制了碳材料的应用。涂层技术是提高碳结构材料高温性能的最佳选择,在众多陶... 详细信息

碳结构材料因其低密度、高比强度、优异的力学性能等优点,被广泛应用于航空航天高温部件,是国防和民用领域不可或缺的结构材料。但400℃以上易氧化的特性严重限制了碳材料的应用。涂层技术是提高碳结构材料高温性能的最佳选择,在众多陶瓷涂层中,Hf B-sic体系在超高温环境下表现出较高的抗氧化能力。然而,当服役温度高于1600℃时,该体系在氧化过程中生成的气体副产物的挥发以及sic的活化氧化严重影响涂层的防护效果。硅化物作为第二硅源可以实现涂层表面的快速成膜,修复涂层的氧化损耗。因此,本文通过放电等离子烧结法在石墨基体表面分别制备Hf B-sic-MSi(M=Ta、Zr和W)高阻氧涂层,研究硅化物对Hf B-sic基复合涂层在1700℃静态有氧环境、600-1700℃有氧环境下的改性效果,以及低温预氧化处理对涂层成膜质量的影响,结合XRD、SEM、EDS、TEM等测试方法对涂层在宽温域氧化过程中的相组成、微观结构等进行表征,探明硅化物对涂层阻氧能力的影响。主要的研究内容和结果如下:为了排除碳基体氧化对涂层氧化动力学的干扰,还原硅化物改性Hf B-sic涂层在宽温域下的真实防护规律,本文依据“基体、标样和涂层试样”的数据采集方式,建立了针对高阻氧涂层构建的评价体系,将涂层防护机制划分为自身结构阻氧与玻璃层惰化阻氧,揭示硅化物组分与含量在Hf B-sic涂层氧化过程中的作用机制,定量表征硅化物对涂层防护效率、碳损失速率以及氧气渗透率的影响,深度剖析涂层的阻氧能力。本文采用放电等离子烧结法低温加压快速制备了Hf B-sic-MSi复合涂层,探究了硅化物含量对Hf B-sic涂层在1700℃阻氧机制的影响,结果表明,20%Ta Si、10%Zr Si和10%WSi的添加有效提高了涂层的抗氧化能力,在1700℃氧化100 min后,碳损失速率均值分别为0.30、1.78和1.51×10 g·cm·s,均低于Hf B-sic涂层的2.25×10 g·cm·s,彰显出硅化物优异的改性效果。在1700℃氧化过程中,硅化物出色的惰化能力抑制了sic的活化氧化,而由硅化物氧化引起的适当体积膨胀抑制了Hf B氧化后的疏松化现象,从而提高了涂层的结构阻氧能力。此外,由于硅化物的内生分散和Si O玻璃的外生弥散作用,加速了其在非晶态硼硅酸盐玻璃中的弥散速度,从而形成了Hf-M-B-Si-O复相玻璃层。涂层在氧化过程不断的弥散形成过渡族金属氧化物纳米晶颗粒,增加了玻璃层的非熔融区域,利用氧化物弥散降低玻璃层的流动性,进而降低氧气扩散深度,涂层的氧气渗透率从1.41%(Hf B-sic)降低到0.31%(Hf B-sic-Ta Si)、1.16%(Hf B-sic-Zr Si)和1.22%(Hf B-sic-WSi),表现出优异的抗氧化性能。研究了三种硅化物改性涂层体系在变温(600-1700℃)环境下的高阻氧机制,结果表明,Ta Si的氧化产物TaO在变温氧化过程中的稳定性较高,显著提升玻璃膜的粘度,在变温环境中表现出良好的稳定性;Zr Si的氧化产物Zr O在变温过程中会发生晶型转变,在涂层内部产生内应力,在加速Si O自愈合行为的同时也会加剧氧化物富集的现象;WSi的氧化产物WO具有快速挥发现象,影响涂层的结构阻氧能力。在变温氧化过程中,Hf B-sic组分的碳损失速率为0.89×10 g·cm·s,均高于Ta Si、Zr Si和WSi体系的0.15、0.17和0.79×10g·cm·s,这也进一步表明,要使涂层拥有高阻氧能力,涂层必须具备高致密涂层结构以抑制氧气渗透,提升涂层的静态阻氧能力;又需要拥有低的氧化损耗程度,以提升涂层的动态阻氧能力。通过变温氧化过程中温度的分段研究,确定预氧化温域区间(1300-1600℃),研究表明,三种硅化物添加后均在1500℃预氧化后表现出良好的抗氧化效果,相较于未预氧化的涂层试样,Ta Si涂层的碳损失速率从0.30×10 g·cm·s降低到了0.19×10 g·cm·s,Zr Si涂层从1.78×10 g·cm·s降低到0.33×10 g·cm·s,WSi涂层从1.51×10 g·cm·s降低到1.04×10 g·cm·s。低温预氧化处理加速了过渡族金属氧化物在涂层表面的弥散速度,预氧化温度较低时,涂层表面存在未氧化完全的相成分,玻璃膜的惰化能力被削弱,当面临更高的服役温度时,未氧化区域同样会氧化挥发,从而成为氧气的扩散路径,相反,预氧化温度过高时会导致涂层的氧化活性升高,在涂层表面形成大量的孔洞、裂纹等缺陷,严重影响涂层的抗氧化效果。该论文共有图82幅,表2个,参考文献125篇。

关键词：放电等离子烧结硅化物 hfb2-sic涂层预氧化石墨材料

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