铌合金硅化物及其改性涂层的制备与研究

论文摘要

铌合金以其密度低、熔点高、高温强度高以及较好的加工性能,成为重要的高温结构候选材料,但较差的抗氧化性能,严重制约了工程应用。高温抗氧化涂层是合金抗氧化防护的有效方式,在诸多抗氧化涂层体系中,硅化物涂层以其优异的高温抗氧化能力,成为铌合金高温保护的重要选择之一本文采用复合包渗法在铌合金表面制备了Si-Mo及其Ce02改性涂层,采用料浆反应烧结法制备了Si-Cr-Ti及其改性涂层,借助X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,电子能谱仪（EDS）及电子探针（EPMA）等手段,探索了稀土氧化物Ce02的添加对Si-Mo涂层组织、形貌与性能的影响,剖析了Ce02作用机制,研究了Si-Mo涂层生长机制、高温氧化行为及相演变规律；对比了Si-Cr-Ti及其改性涂层高温氧化前后的表面形貌、截面结构、相组成与分布,探讨了改性元素Al、W、稀土氧化物Y203的添加对Si-Cr-Ti涂层高温抗氧化性能的影响；分析铌基体与硅化物涂层的界面反应特点,建立了铌合金基体与硅化物涂层高温氧化动力学简化模型。得出以下结论：（1）采用复合包渗法制备出性能较好的Si-Mo涂层,优化了Mo粉球磨时间,球磨20h后Mo粉颗粒细小弥散,利于涂层涂覆与烧结,制备的Si-Mo涂层均匀致密、缺陷较少,结合力平均达46.6MPa。涂层结构从外向内依次为MoSi2主体层、微孔带、NbSi2层、Nb5Si3扩散层。1700℃氧化初期,涂层主要发生Si元素的选择性氧化,MoSi2和NbSi2发生分解,由外向内依次为SiO2、 MoSi2、（Mo,Nb）5Si3、 NbSi2以及Nb5Si3层。氧化后期,NbSi2的完全分解,Mo元素也开始参与氧化反应,MoSi2的消耗速度逐渐加快,随后涂层加速氧化失效。（2）首次采用复合包渗法在铌合金基体上制备了Ce02改性Si-Mo涂层。涂层表面平整、厚度均匀、颗粒细小,包渗料中稀土Ce02的添加并未改变铌合金Si-Mo涂层结构,但可促进微纳米级别小晶粒的形成,利于涂层致密化,同时Ce02产生活性元素效应加快硅化速率,促进Si-Mo涂层的形成,缩短包渗时间近20%。但Ce02的添加易促进碳气氛的吸附,增加了涂层中碳含量。（3）料浆反应烧结法制备Si-Cr-Ti及其改性涂层的工艺优化为：1420℃烧结0.5h,制备的涂层厚度适中、均匀致密,涂层结合力达50.1Mpa。 Si-Cr-Ti及其改性涂层由外到内分别为MeSi2疏松外层、NbSi2与MeSi2两相交织的主体层、Me5Si3扩散层（Me指涂层与基体的金属元素）。1400℃氧化11h后Nb-Ti-Al合立Si-Cr-Ti涂层生成SiO2、 Al2O3、 TiO2和Cr203复合氧化物,MeSi2层变薄,Me5Si3层增厚。（4） Si-Cr-Ti-W涂层截面组织与Si-Cr-Ti涂层相近,富集在涂层表面,形成粗糙的岛屿状组织,但氧化实验表明W元素的加入可提高涂层的耐热性,一定程度提高涂层氧化性能。Si-Cr-Ti-Al-Y2O3涂层表面平整、致密,Y203弥散分布于涂层中,促进晶粒的形成,提高了涂层致密度,Al元素富集在外层,生成Al4Si3结构,氧化后生成含Al203的Si02膜,大幅提升抗氧化性能。（5） Nb-Ti-Al合金在1400℃氧化1-11h均主要生成TiNb2O7、 TiO2、 Al2O3复合氧化物,Nb521合金则主要生成Nb205,两种合金生成的氧化物在高温下防护能力有限,铌合金基体上涂覆Si-Mo、 Si-Cr-Ti及其改性涂层后氧化抛物线速率常数降低了3个数量级以上,表明硅化物及其改性涂层均具备良好的高温氧化防护能力。在Wagner氧化理论基础上对相关氧化模型进行了简化处理,本研究中铌合金基体、硅化物涂层氧化增重动力学方程可分别表示为：

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 铌（Nb）的基本性质和应用
• 1.3 铌（Nb）的氧化性能及抗氧化方法
• 1.4 铌及铌合金高温抗氧化涂层研究进展
• 1.4.1 抗氧化涂层体系
• 1.4.2 涂层常用制备方法
• 1.4.3 硅化物涂层应用存在的问题
• 1.4.4 硅化物涂层的改性
• 1.5 本论文采用的涂层体系
• 1.6 课题研究意义及主要内容
• 第二章 实验内容和方法
• 2.1 合金基体及涂层体系确定
• 2.1.1 合金基体选择
• 2.1.2 涂层体系及改性元素的确定
• 2.2 涂层制备方法与工艺流程
• 2.2.1 复合包渗法制备Si-Mo及其改性涂层工艺流程
• 2.2.2 料浆反应烧结法制备Si-Cr-Ti及其改性涂层工艺流程
• 2.3 涂层性能测试
• 2.3.1 静态抗氧化性能检测
• 2.3.2 结合强度测试
• 2.4 实验分析
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.4.3 能谱分析（EDS）
• 2.4.4 电子探针微区分析（EPMA）
• 2改性Si-Mo涂层制备与组织结构'>第三章 铌合金CeO₂改性Si-Mo涂层制备与组织结构
• 3.1 钼层的制备工艺及优化
• 3.1.1 不同球磨时间对钼粉微观形貌的影响
• 3.1.2 不同球磨时间对涂层结合强度的影响
• 3.2 Si-Mo涂层生长机制
• 2对Si-Mo涂层组织与结构的影响'>3.3 CeO₂对Si-Mo涂层组织与结构的影响
• 2的添加对涂层组织形貌的影响'>3.3.1 稀土氧化物CeO₂的添加对涂层组织形貌的影响
• 2的添加对包渗工艺的影响'>3.3.2 稀土氧化物CeO₂的添加对包渗工艺的影响
• 2对Si-Mo涂层的催渗机理分析'>3.3.3 稀土氧化物CeO₂对Si-Mo涂层的催渗机理分析
• 3.4 Si-Mo涂层高温氧化行为
• 3.5 本章小结
• 第四章 铌合金Si-Cr-Ti及其改性涂层组织形貌与氧化行为
• 4.1 涂层的制备工艺及其优化
• 4.2 Si-Cr-Ti及其改性涂层高温氧化前后组织与形貌
• 4.2.1 Si-Cr-Ti涂层氧化前后形貌及组织
• 4.2.2 Si-Cr-Ti-W涂层氧化前后形貌及组织
• 2O₃涂层氧化前后形貌及组织'>4.2.3 Si-Cr-Ti-Al-Y₂O₃涂层氧化前后形貌及组织
• 4.3 本章小结
• 第五章 铌合金及硅化物涂层高温氧化动力学
• 5.1 铌合金基体高温氧化行为
• 5.1.1 Nb-Ti-Al合金氧化行为
• 5.1.2 Nb521合金氧化行为
• 5.2 铌合金与涂层的高温氧化动力学
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表学术论文