铌合金高温抗氧化硅化物涂层的研究

摘要

铌及铌合金以其熔点高、耐腐蚀和良好的高温强度成为重要的高温结构候选材料.但较差的抗氧化性能,严重制约其在高温上的应用.针对这一问题,本文选用硅化物作为铌及铌合金的抗氧化涂层.采用二次熔烧工艺在铌基体上制备了添加元素Ge改性的Si-Cr-Fe硅化物涂层;采用料浆熔烧工艺制备了超高温的MoSi<,2>涂层;测试了涂层试样在1200℃,1400℃,1600℃下的静态抗氧化和循环抗氧化性能;利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),电子能谱仪(EDS),显微硬度仪等手段进行了观察和分析,研究了涂层的结构、元素分布、相分布与抗氧化性能的关系.建立了硅元素在MoSi2涂层与Nb基体界面发生反应扩散的数学模型,结合实验基础对所得数据进行比较分析,探讨了铌基体与硅化物涂层的界面反应特点和规律.通过研究,得到如下结论:二次熔烧工艺可以改善Si-Cr-Fe涂层表面组织均匀性和致密性,使过渡层宽化,能提高涂层的抗氧化性能.改性元素Ge在涂层中分布不均匀,主要集中在涂层主体层和界面过渡层,能改善涂层的抗氧化性能,并有效阻止裂纹的扩展.MoSi<,2>涂层的高温抗氧化性能比改性Si-Cr-Fe涂层好,两者都能在表面选择氧化形成玻璃氧化物,有自愈能力.料浆中的杂质会破坏涂层表面完整性,降低涂层的抗氧化性能;涂层与基体之间通过扩散形成了过渡层,达到了冶金结合,涂层的复合结构有利于提高抗氧化性能.MoSi<,2>涂层会与铌基体发生互扩散,在界面处形成大量集中孔洞;热应力使涂层产生横向裂纹,促使涂层从其主体与过渡层接触的界面处发生横向内部断裂.提出了三个基本假设:1)扩散是缓慢的,整个过程由扩散规律所控制;2)必须是体扩散,而不是短路扩散;3)反应瞬时完成,即在相界面上始终保持准平衡;结合铌硅二元相图和实验结果,建立了MoSi<,2>涂层与Nb基体界面硅元素反应扩散的模型.将实验数据与模拟计算结果进行比较,分析了误差因素,对进一步研究铌合金表面高温抗氧化涂层提出了参考意见.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章 文献综述

1.1铌及铌合金基本性质

1.1.1铌的物理性能

1.1.2铌的化学性能

1.2高温铌合金

1.3抗氧化铌合金

1.3.1铌的氧化

1.3.2抗氧化铌合金

1.4铌合金防护涂层

1.4.1难熔金属防护涂层原理

1.4.2研究铌合金防护涂层应注意的几个问题

1.4.3涂层的制备方法

1.5研究课题的确定及意义

第二章试验内容与方法

2.1铌合金表面高温防护涂层材料的选择

2.1.1耐热合金涂层

2.1.2贵金属涂层

2.1.3铝化物涂层

2.1.4硅化物涂层

2.1.5本论文采用的涂层体系

2.2制备工艺的制定

2.3高温抗氧化的涂层料浆的制备

2.3.1基体的预处理

2.3.2.合金粉末的制备

2.3.3.料浆的制备

2.3.4料浆的加涂

2.3.5.胚体的干燥

2.3.6胚体的烧结

2.4涂层抗氧化性能测试

2.4.1静态抗氧化实验

2.4.2热震抗氧化实验

2.5实验分析

2.5.1 X-Ray衍射分析

2.5.2 SEM分析

2.5.3 EDS能谱分析

2.5.4显微硬度分析

第三章改性硅化物涂层

3.1引言

3.2一次熔烧涂层表面形貌和成分研究

3.2.1表面形貌

3.2.2二次熔烧工艺涂层表面形貌与成分

3.3涂层抗氧化性能研究

3.3.1静态抗氧化

3.3.2抗循环氧化

3.3.3氧化动力学

3.4高温过程中二次熔烧涂层成分与结构变化

3.4.1表面形貌、成分与组织

3.4.2截面成分与组织

3.5涂层中裂纹的形成与扩展

3.6本章小结

第四章超高温抗氧化MoSi2涂层

4.1前言

4.2原始涂层形貌与结构

4.3涂层抗氧化性能

4.3.1静态抗氧化

4.3.2抗循环氧化

4.4高温氧化过程对涂层的作用

4.4.1涂层形貌与结构的变化

4.4.2涂层的扩散通道

4.4.3涂层失效后的形貌和结构

4.5氧分压和温度对MoSi2涂层抗氧化机理的影响

4.6氧化膜中的热应力及破坏方式

4.7本章小结

第五章MoSi2涂层与铌基体界面反应扩散的研究

5.1前言

5.2模型的建立

5.2.1反应扩散的过程及特点

5.2.2反应扩散动力学

5.3数值计算

5.3.1扩散系数的计算

5.3.2相宽的计算

5.4数值分析与模型评估

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

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