基于Si高温扩散的Mo-W-Si-N系涂层钼材的研制

发布时间：2017-11-11 15:20

  本文关键词：基于Si高温扩散的Mo-W-Si-N系涂层钼材的研制

  更多相关文章： MoSi_2复合涂层 钼 W合金化 Si扩散 高温氧化性能

【摘要】：金属钼因高熔点、高的高温强度、良好的耐热和耐磨性、高的导电导热率和良好的耐蚀性等性能,常作为汽车玻璃生产的熔融电极。但钼电极在高温氧化环境下易生成挥发性的氧化物,导致钼的脆化和结构失效,严重影响了钼电极的使用寿命。MoSi_2涂层是一种提高钼电极高温抗氧化性的有效措施,然而,在使用过程中,MoSi_2涂层与钼基体会发生Si的扩散,降低了涂层钼电极的高温服役效果。因此,研究钼基体与MoSi_2涂层间Si的扩散规律,探寻阻碍Si向钼基体扩散的有效方法,对于促进涂层钼电极的应用具有重要的理论意义和实用价值。本研究针对钼基MoSi_2涂层在高温下,Si元素向钼基体扩散而导致涂层寿命降低的问题,通过放电等离子快速烧结法(SPS)制备了MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副,在高温管式炉对扩散副进行等温时效扩散实验,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)等技术,探讨了Si在MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副中的扩散规律,计算出Si在MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副中的扩散系数和扩散激活能,分析了复合涂层中Si_3N_4相及W元素对Si扩散的阻碍作用,得出如下研究结果:球磨3h获得混合均匀的MoSi_2-Si_3N_4和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4复合粉末,用SPS烧结MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副的合理真空烧结工艺为升温速率60℃/min,1550℃保温10min,烧结压力25MPa,此烧结工艺制得的扩散副致密度范围在93~95%之间,且无裂纹。运用菲克第一定律、抛物线生长定律和物质守恒定律研究了在1200-1500℃温度区间内,不同Si_3N_4和WSi_2含量MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副中间层Mo5Si3的生长动力学行为。WSi_2的体积质量分数为5.0%时,MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副中间层的生长速率常数kp值最小;Si_3N_4的体积质量分数3.5%时,MoSi_2-Si_3N_4/Mo扩散副中间层的kp值最小。中间层Mo5Si3的形成机制有两种:(1)MoSi_2相退化为富钼相Mo5Si3;(2)游离的Si与钼基体反应生成Mo5Si3。基于扩散理论计算出1200-1500℃温度区间内Si在MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo和MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo扩散副中的扩散激活能Q和扩散系数D,其扩散激活能分别为278±19 kJ/mol和316±23 kJ/mol,扩散系数可分别表达为1.28exp[(-278±19)/RT]cm2/s和5.64exp[(-316±23)/RT]cm2/s。Si在MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo扩散副中的Q值比在MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo扩散副中的Q值大38kJ/mol,且相同温度下D值更小,表明Si在添加有WSi_2的扩散副中更难向钼基体扩散,W元素对钼基硅化物涂层中Si的扩散起到了阻碍作用。对比了纯MoSi_2材料、MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4复合材料和MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4复合材料在1450℃大气环境下的高温抗氧化性能,三种材料在此环境氧化384h后的氧化速率K分别为0.065 g/(m2·h)、0.025 g/(m2·h)和0.017g/(m2·h),都表现出优异的高温抗氧化性能。MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4复合材料的高温抗氧化性能最优异,其次是MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4复合材料,二者的高温抗氧化性能均优于纯MoSi_2材料,表明Si_3N_4和WSi_2相的引入有助于提高MoSi_2基复合材料的高温抗氧化性能,且W元素的引入能达到更好的效果。
【学位授予单位】：厦门理工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U465.9

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本文编号：1171949