超高温Nb基合金薄板及其抗氧化涂层微观组织与性能研究

摘要

金属热防护系统因其具有质量轻、可靠性高、可拆卸等优点而在超高声速飞行器得到了出不应用。随着超高声速飞行器飞行速度的进一步提高,对金属热防护系统使用温度提出了更高的使用要求。Nb合金因其为具有熔点高，密度适中，高温力学性能好等突出优点而被视为一类具有潜在应用价值的新型金属热防护系统高温合金材料。作为 Nb的重要合金化元素，W和Mo能够无限固溶于Nb基体中形成单相合金。此类合金高温下无相变反应，无析出相，其作为一种高温结构材料能够保证良好的可靠性与稳定性。此外，Nb-W-Mo合金还具有较高的高温强度和良好的塑性，便于加工成型，因此Nb-W-Mo合金薄板作为热防护系统蒙皮材料极具应用前景。同时作为高温结构材料，高温抗氧化能力不足是Nb合金应用受限的主要障碍，且众多研究表明，添加抗氧化合金元素尚无法满足热防护系统的使用要求，所以在Nb合金表面制备抗氧化涂层成为大幅提高其抗氧化能力的重要手段。
　　本文利用轧制工艺制备Nb-W-Mo合金薄板，并以Nb-W-Mo薄板为基底制备了硅化物涂层抗氧化涂层，研究了 Nb-W-Mo合金薄板的组织结构和室温、高温力学性能；Nb-W-Mo合金薄板的高温氧化行为及氧化机理；硅化物涂层的成分、物相及组织结构；硅化物涂层对基板高温力学性能的影响；硅化物涂层的高温氧化行为与氧化机理。利用XRD、SEM、XRF等表征技术研究了 Nb-W-Mo合金薄板的成分、物相与微观形貌，确定了Nb-W-Mo薄板为Nb的单相均匀固溶体，表面晶粒呈等轴晶，力学性能各向同性。分别在1100℃，1300℃，1500℃下对 Nb-W-Mo合金薄板进行了真空拉伸性能测试，结果表明，Nb-W-Mo合金薄板高温强度随着温度的升高下降缓慢，在1500℃时拉伸强度可达到100MPa以上。在600℃，800℃，1000℃下测试了薄板的高温抗氧化性能，其氧化动力学曲线表明Nb-W-Mo合金薄板的氧化过程遵循直线规律，抗氧化性能差。以Nb-W-Mo合金薄板为基底制备了抗氧化涂层，通过XRD、SEM、XRF等分析手段确定该涂层为以NbSi2为主要成分的复合硅化物涂层。涂层表面疏松，内部致密，与基体间存在稳定过渡层。对带有硅化物涂层的Nb-W-Mo合金薄板进行真空高温拉伸测试，测试结果显示在相同温度下其与Nb-W-Mo薄板相比强度下降40％左右，但1500℃时强度仍可达67MPa。在1100℃，1300℃，1500℃下对带有硅化物涂层的Nb-W-Mo合金薄板进行高温氧化试验，得出该硅化物涂层在高温下遵循抛物线氧化规律。氧化产物为Nb2O5、SiO2和少量TiO2，其中TiO2的存在抑制了Nb2O5的生长，从而提高了抗氧化能力。涂层最终依靠SiO2在表面形成一层致密氧化膜阻碍O的扩散，达到抵抗高温氧化的目的。

目录

超高温Nb基合金薄板及其抗氧化涂层微观组织与性能研究

Microstructure and properties of super high temperature Nb-based alloy sheet with oxidation resistant coating

摘要

Abstract

目录

第 1 章 绪 论

1.1 课题的背景及研究的目的和意义

1.2 高温合金国内外发展现状

1.3 Nb基高温合金国内外研究现状

1.4 氧化动力学

第 2 章 试验材料及主要试验方法

2.1 试样制备方法

2.2 分析测试方法

第 3 章 Nb-W-Mo合金薄板的微观组织与力学性能

3.1 Nb-W-Mo薄板的成分与物相

3.2 Nb-W-Mo薄板的微观组织形貌

3.3 Nb-W-Mo薄板室温力学性能

3.4 Nb-W-Mo薄板高温力学性能

3.5 Nb-W-Mo薄板高温氧化行为

3.6 本章小结

第 4 章 硅基抗氧化复合涂层的微观组织和性能

4.1 Nb-W-Mo薄板硅化物涂层的微观结构

4.2 硅化物涂层对Nb-W-Mo薄板力学性能的影响

4.3 Nb-W-Mo薄板硅化物涂层抗氧化性能

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位其间发表的论文及其他成果

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致谢