两步包埋法在钼表面制备Y改性的Si-B抗氧化涂层研究

发布时间：2020-06-28 06:12

【摘要】：钼(Mo)及其合金由于其优异的高温综合性能,被广泛的应用于航天、玻璃、电子、冶金、太阳能电池等行业。但高温下Mo与氧反应生成的MoO_3易挥发,导致钼的结构失效。而MoSi_2作为涂层材料高温性能稳定,且涂层表面在氧化中能形成稳定致密的SiO_2,阻止氧与Mo基体进一步发生反应,是颇具前景的抗氧化涂层材料。然而MoSi_2与Mo基体的热膨胀系数差异较大,且MoSi_2中的Si原子在高温下极易扩散,从而造成MoSi_2涂层失效。有关研究表明,在MoSi_2涂层制备过程中,添加硼(B)元素能够形成阻止MoSi_2中Si高温扩散的硼化物结构,对改进涂层性能具有一定作用。但已有B改性MoSi_2涂层制备工艺多为包埋共渗法,涂层致密度低,结构梯度不明显,高温抗氧化性能有待进一步提高。基于以上分析,本文采用两步包埋渗法在钼表面制备稀土钇(Y)改性Si-B涂层,对钼表面渗硼和Mo-B涂层表面渗硅的两步包埋工艺进行了优化,分别采用XRD、EDS、SEM等检测手段分析了涂层的形貌、物相组成以及成分分布,对不同工艺制备的Si-B-Y涂层抗氧化性能进行了表征,并对两步包埋法制备的Si-B-Y抗氧化涂层相关氧化及失效机制进行了分析,得到结论如下:(1)钼基体表面使用包埋法制备的Mo-B涂层表层为Mo_2B_5,次外层为MoB,靠近基体的是Mo_2B;Mo-B涂层表面使用包埋法制备出的Mo-Si-B涂层外层为MoSi_2、内层为MoB、靠近基体一侧为Mo_2B,外层MoSi_2的致密度高,涂层各层结构梯度明显;包埋渗剂中添加2wt.%Y能促进Mo-B涂层表面Mo_2B_5的形成,增加Mo-B涂层的厚度,细化外层MoSi_2组织;(2)两步包埋法制备的Si-B-Y涂层的综合抗氧化性能优于Si-B-Y共渗涂层。两步包埋制备的Si-B-Y涂层经1150℃氧化105 h后的抛物线氧化速率常数(K_w=1.20×10~(-4)mg~2/(cm~4·h))低于Si-B-Y共渗涂层(K_w=5.60×10~(-4) mg~2/(cm~4·h))。氧化时间延长至275 h时,两步包埋制备的Si-B-Y涂层结构仍未发生失效,其K_w值为3.96×10~(-4) mg~2/(cm~4·h);经1600℃氧化3 h后Si-B-Y共渗涂层表现为失重,失重量为0.45%,而两步包埋Si-B-Y涂层表现为增重,增重量为0.076%;(3)两步包埋Si-B-Y涂层高温氧化失效的主要原因在于Si的扩散,表现为Mo_5Si_3层的增厚。与MoSi_2涂层相比,两步包埋制备的Si-B-Y涂层在1150℃循环氧化时的Mo_5Si_3生长速率较低,为3.20×10~(-4)μm~2/s;随着氧化温度(1600℃)的增加,涂层中的Mo_5Si_3生长速率仍明显低于MoSi_2涂层,说明两步包埋制备的Si-B-Y涂层有效减缓了Si的扩散,延长了抗氧化涂层的寿命。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

开始发生氧化，而且钼的氧化程度随着温度的升高而加剧，表面生成的氧化物（主要为MoO3）结构疏松，从而令钼及其合金发生脆化，当氧化温度进一步升高时，氧化物会挥发从而使钼及其合金高温使用时的结构发生失效（如图 1.1 所示），严重的限制了钼及其合金作为高温结构材料的使用[6]；同时钼的高温抗烧蚀性能较差，经静止及飞行试验证实，在发动机点火 20 s 左右，使用不同工艺制备的纯钼续航发动机喷管都出现了不同程度的烧蚀，部分喷管中甚至出现了局部熔化或冲刷沟槽等现象，从而令发动机性能发生了极大的衰退；此外，续航发动机所使用的推进剂中为抑制燃料的高频不稳定燃烧或提高火药能量，常添加 TiO2、Cr2O3、MgO 等硬质相，因此纯钼作为喷管受到燃气及燃烧后的硬质颗粒冲刷时，表面发生的机械磨损较大[7]，而纯钼在室温下的硬度经测定为HR=15~17，其硬度相较于其他材料并不突出，且纯钼在高温时的强度下降十分明显，硬度也相应有所降低。故在上述的应用条件中，对提高钼金属的高低温抗氧化性能、高温抗烧蚀性能与高温耐磨损性能有着较为迫切的实际需求。

1.2 未渗氮及渗氮钼金属与氧化铝配对副对磨摩擦系数变化曲线仅表明钼及钼合金高温耐磨损性能的研究具有一定的尝试利用 MoSi2、Mo2N 等涂层改性提高钼及钼合金表供了重要的思路，目前通过表面改性提高与改善钼及钼然极为少见，后续的研究人员应该对钼合金的耐磨损涂层研究现状为航天推进器、原子动力技术等高性能要求的应用时，蚀、燃料颗粒的冲刷等极端工作环境，因此相较于单纯何提高与改善钼及其合金的综合抗烧蚀性能更加值得研指出：纯钼由于熔点高，高温力学性能优异，密度小于大对较低，加工程序简单等优点，成为航天发动机的重要

【参考文献】

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本文编号：2732661