氩弧熔覆制备TiB2基高温陶瓷涂层的性能研究

论文摘要

本试验以Ti粉、B4C粉和SiC粉为原料,利用钨极氩弧熔覆方法在石墨基体上原位合成TiB2基陶瓷涂层。设计了Ti-B4C和Ti-B4C-SiC两体系十种方案。通过大量的试验,确定出制备各组分涂层的最佳熔覆工艺参数。利用X射线衍射、扫描电镜对覆层试样的物相及微观组织进行了分析;通过界面抗拉强度、耐烧蚀、高温抗氧化等测试对涂层进行性能分析。研究结果表明:采用氩弧熔覆的方法可在石墨基体上制备出TiB2基陶瓷涂层。熔覆层中TiB2晶体的形态受凝固过程中Ti、B原子浓度的影响。因此,在Ti与B的不同比例成分下,会呈现出不同的生长形态（扁长的叶状、细针状和不规则的长条状）,它们在熔覆层中的均匀分布将显著提高熔覆层的强化效果。SiC加入后,均匀分布于TiB2组织中,对涂层的耐烧蚀、抗氧化性能有明显的改善作用。利用氩弧熔覆的方法制备的陶瓷涂层与石墨基体有良好的结合性能,从微观形貌上看,熔覆层与基体在界面处相互渗透,发生了良好的冶金结合。覆层在C/C复合材料上的界面结合性能测试结果表明:覆层与基体之间的界面结合强度可达8.8MPa。在1200℃的高温氧化11h条件下,Ti-B4C体系试样抗氧化最优比例为n（Ti）:n（B4C）=1:1,覆层内部已被完全氧化,氧化失重为34.4mg/cm2;而加入SiC后,氧化过程中SiO2与TiO2互溶,在表面形成一层玻璃相,紧紧覆盖于覆层陶瓷表面,阻碍氧原子的渗入,大大提高了覆层抗氧化性能。Ti-B4C-SiC体系试样抗氧化最优比例为n（Ti）:n（B4C）:n（SiC）=1:5:3,在1200℃的高温氧化11h条件下,氧化深度约为10μm,氧化失重仅为2.8mg/cm2。由于石墨酥松、多孔,等离子烧蚀试验中,烧蚀性能表现很差,质量烧蚀率为29.33mg/s;而碳-瓷复合材料抗烧蚀性能最好比例为n（Ti）:n（B4C）:n（SiC）=1:5:4,其烧蚀率仅为1.18mg/s,比无涂层的石墨抗烧蚀性能提高近25倍。Ti-B4C体系覆层陶瓷烧蚀后表面损失严重,而加入SiC后,可以明显改善覆层的抗烧蚀性能。这是由于烧蚀过程中出现玻璃相TiO2与SiO2的互溶体,其高温下具有流动性,附着于覆层表面,可以有效地对覆层表面出现的孔洞进行浸润和愈合,使组织致密、连续、完整,故覆层表现出良好的抗烧蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 表面熔覆技术的研究现状
• 1.2.1 激光熔覆
• 1.2.2 等离子弧熔覆合成法
• 1.2.3 氧乙炔火焰喷涂
• 1.2.4 电火花熔覆
• 1.2.5 氩弧熔覆技术
• 1.3 覆层材料的研究
• 1.3.1 覆层材料的选择
• 2 的研究进展'>1.3.2 TiB₂的研究进展
• 1.4 课题的研究意义及研究内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 本课题研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 预覆涂层粉末
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 熔覆层制备
• 2.2.2 高温氧化性测试
• 2.2.3 耐烧蚀性能测试
• 2.2.4 覆层界面结合性能测试
• 2.2.5 组织观察
• 2.2.6 X 射线衍射分析
• 2 基陶瓷熔覆层的组分设计'>第3章 TiB₂基陶瓷熔覆层的组分设计
• 3.1 引言
• 3.2 覆层反应产物的热力学分析
• 3.3 预覆涂层组分设计
• 4C 体系组分设计'>3.3.1 Ti-B₄C 体系组分设计
• 4C-SiC 体系组分设计'>3.3.2 Ti-B₄C-SiC 体系组分设计
• 3.4 涂层的制备
• 3.5 熔覆工艺参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 组织结构及界面结合强度分析
• 4.1 引言
• 4C 体系试验结果'>4.2 Ti-B₄C 体系试验结果
• 4C 系试样宏观形貌'>4.2.1 Ti-B₄C 系试样宏观形貌
• 4C 体系熔覆层的X 射线衍射图谱'>4.2.2 Ti-B₄C 体系熔覆层的X 射线衍射图谱
• 4C 体系熔覆层的扫描电镜和能谱元素分析'>4.2.3 Ti-B₄C 体系熔覆层的扫描电镜和能谱元素分析
• 4C-SiC 体系试验结果'>4.3 Ti-B₄C-SiC 体系试验结果
• 4C-SiC 体系试样宏观形貌'>4.3.1 Ti-B₄C-SiC 体系试样宏观形貌
• 4C-SiC 体系熔覆层的X 射线衍射图谱'>4.3.2 Ti-B₄C-SiC 体系熔覆层的X 射线衍射图谱
• 4C-SiC 体系熔覆层的扫描电镜和能谱元素分析'>4.3.3 Ti-B₄C-SiC 体系熔覆层的扫描电镜和能谱元素分析
• 4C-SiC 体系熔覆层微观组织分析'>4.4 不同电流条件下Ti-B₄C-SiC 体系熔覆层微观组织分析
• 2 基陶瓷熔覆层缺陷分析'>4.5 TiB₂基陶瓷熔覆层缺陷分析
• 4.6 熔覆层与基体界面结合强度的性能分析
• 4.6.1 结合强度测试结果
• 4.6.2 界面结合强度的影响因素
• 4.7 本章小结
• 第5章 抗氧化性与耐烧蚀性测试分析
• 5.1 覆层抗氧化性能研究
• 5.1.1 覆层陶瓷中各组元的氧化行为
• 5.1.2 覆层陶瓷的氧化行为
• 5.1.3 覆层陶瓷氧化后表面形貌
• 5.1.4 覆层陶瓷氧化后的物相组成
• 5.1.5 氧化后表面及截面微观组织形貌
• 5.1.6 抗氧化机理分析
• 5.2 氧乙炔耐烧蚀性能研究
• 4C 体系耐烧蚀试验结果'>5.2.1 Ti-B₄C 体系耐烧蚀试验结果
• 4C-SiC 体系耐烧蚀试验结果'>5.2.2 Ti-B₄C-SiC 体系耐烧蚀试验结果
• 5.3 等离子耐烧蚀性能研究
• 5.3.1 覆层烧蚀试验结果
• 5.3.2 烧蚀后覆层表面宏观形貌
• 5.3.3 覆层抗烧蚀机理
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢