纳米晶Mo(Si,Al)2涂层氧化性能及其氧化膜的电化学特性的研究

摘要

金属间化合物MoSi2以其较低的密度、优异的高温强度和高温抗氧化性能，而被认为是最具发展潜力的高温结构材料。但是其在中温范围内(500℃左右)氧化时，因无选择性氧化出现崩解粉化的现象，此灾难性氧化现象被称为“PEST”现象。
　　本课题利用Al合金化及纳米化的复合作用，提高Mo(Si1-xAlx)2涂层的抗氧化性能。采用双阴极等离子溅射方法，成功在钛合金(TC4)表面制备了五种 Al含量不同的纳米晶 Mo(Si1-xAlx)2(x=0，x=0.03，x=0.06，x=0.1，x=0.15)涂层。利用 X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)对纳米晶涂层的物相及微观结构进行分析。实验结果表明：制备的纳米晶涂层分为沉积层和扩散层，涂层组织致密、连续，纳米晶晶粒大小均匀，晶粒尺寸约为5nm。通过划痕法测得纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层与基体结合紧密。
　　将纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层在500℃、600℃和700℃的氧化炉中氧化，通过XRD、SEM、EDS测试方法对氧化后的物相、氧化产物的成分、氧化膜形貌进行研究。研究表明：Mo(Si1-xAlx)2涂层在500℃氧化，涂层表面会生成板条状的MoO3。随氧化时间增加，涂层内部生成体积膨胀率为250％的MoO3，氧化膜内部的体积膨胀，会产生裂纹。Mo(Si1-xAlx)2涂层在600℃下氧化时，MoO3开始挥发；当氧化温度为700℃时，MoO3挥发严重，氧化膜表面留下大量孔洞。所以MoO3的生成及挥发，是MoSi2产生PEST氧化的根本原因。通过Al元素的添加，能够有效阻止氧化膜中裂纹的产生，提高涂层的抗氧化性能。
　　将500℃温度下氧化不同时间的纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层在3.5% NaCl溶液中测试其电化学性能。电化学实验结果表明：纳米晶涂层的氧化膜在开路电位下发生不同程度的溶解，Al含量越低，氧化时间越长，氧化膜溶解越明显，借助XPS分析可知MoO3溶解为MoO42-。随氧化时间延长，交流阻抗谱中出现第二个时间常数，Bode图中的相位角逐渐右移、变窄，阻抗谱在低频处出现平台，这些现象说明体系的耐腐蚀性能在下降。电解质从外层疏松的氧化膜渗入内部，使得阻抗谱在低频处出现的电容越来越明显。此外，Al含量越高，氧化膜的耐腐蚀性能越强，进一步验证Al元素的添加，能够有效提高MoSi2涂层的抗氧化及耐腐蚀性能。

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图表清单

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2 MoSi2的晶体结构、组织和性能

1.3 MoSi2及其复合材料的应用及研究现状

1.4 MoSi2与其复合材料存在的问题与研究现状

1.5 MoSi2氧化性能的研究近况

1.6课题的提出

1.7课题的主要研究内容

1.8本课题的研究意义

第二章 实验材料与实验方案

2.1 实验材料及其预处理

2.2实验靶材的制备

2.3实验设备及操作步骤

2.4 实验装置

2.5分析仪器及方法

第三章 纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层组织分析

3.1本章提要

3.2纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层组织分析

3.3本章小结

第四章 纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层氧化性能

4.1本章提要

4.2纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层在500℃空气中等温氧化

4.3纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层在600℃空气中等温氧化

4.4纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层在700℃空气中等温氧化

4.5本章小结

第五章 Mo(Si1-xAlx)2涂层氧化膜的电化学性能

5.1前言及提要

5.2 X射线光电子能谱(XPS)分析

5.3纳米晶Mo(Si1-xAlx)2涂层氧化膜电化学性能测试

5.4本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文