极端装备热端部件NbMoTaWV表面抗氧化涂层研究

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难熔高熵合金具有高熔点、高硬度、优异的高温力学性能等特点,在高温环境下极端装备的热端部件具有较大的应用潜力。但难熔高熵合金较差的抗氧化性能极大地限制了其实际应用,表面涂层技术是提高合金抗氧化性能的一种有效手段。本文的目的是在难熔高熵合金Nb Mo Ta WV表面制备抗氧化性能优异的涂层,采用固体粉末包埋渗Al、渗Si分别制备了铝化物、硅化物涂层。研究包埋渗工艺参数对涂层组织结构的影响,分析涂层生长动力学规律,对比涂层制备工艺对基体合金力学性能的影响,考察涂层的高温抗氧化性能,探究涂层的失效机理。本文主要研究结果如下:采用包埋渗法分别在难熔高熵合金Nb Mo Ta WV表面制备了渗铝和渗硅涂层,通过改变保温温度和保温时间较为系统地研究了制备参数对涂层形成过程及结构的影响。结果表明:渗铝涂层为单层结构,由铝化物Al3(Nb Mo Ta WV)组成,而渗硅涂层由单层的高熵硅化物(Nb Mo Ta WV)Si2组成。两种涂层都均匀致密,但涂层内存在少量裂纹。提高保温温度和延长保温时间均能提高涂层的厚度,但在较高的温度下,裂纹会因涂层生长过快而加剧,此现象在渗硅涂层中尤为明显。保温温度升高时,渗铝涂层结构不变,而渗硅涂层在温度超过1100℃时,会在涂层和基体之间出现(Nb Mo Ta WV)5Si3和(Nb Mo Ta WV)Si2混合的过渡层。两种涂层的形成分别为Al原子和Si原子的内扩散过程,涂层生长动力学均符合抛物线规律。渗铝涂层和渗硅涂层的硬度因固溶强化效应均显著高于基体,但涂层样品的塑性较低。考察了渗铝样品在800℃下的抗氧化性能结果并分析了铝化物涂层的失效机制。结果表明:渗铝涂层在800℃下氧化12 h后表面生成了连续且致密的Al2O3保护膜,有效地保护基体合金免于氧化。涂层样品的单位面积增重仅为4.01mg/cm~2,而基体合金在800℃仅氧化2 h就达到了165.35 mg/cm~2。渗铝涂层在氧化前12 h的氧化动力学符合抛物线规律,而基体合金在此温度下为直线规律。在氧化24 h后,氧气通过氧化物表面的裂纹等缺陷内渗并与涂层反应,涂层内部被Al2O3占据,有效涂层厚度不断降低。表面氧化物的生长应力和热应力在氧化层内引入的裂纹和孔洞为渗铝涂层的失效主要原因,失效均由应力较大的棱角处开始。考察了渗硅涂层在1200℃下的抗氧化性能并分析了硅化物涂层的失效机制。结果表明:渗硅涂层在1200℃下氧化48 h后表面生成了连续致密且厚度较薄的Si O2保护膜,单位面积质量增重仅为3.63 mg/cm~2,仅为基体合金在氧化0.5 h时的3%。渗硅涂层在前12 h的氧化动力学符合抛物线规律,对应了Si O2的成膜过程。表面Si O2保护膜中出现了少量的基体元素的氧化物,但Si O2较好的稳定性和致密性使渗硅涂层依旧保持完整且厚度均匀,氧化过程中过渡层的物相组成为(Nb Mo Ta WV)5Si3。氧化48 h后,涂层内部因热应力而产生贯穿性裂纹,涂层棱角处出现内氧化现象进而引起失效。该论文有图48幅,表14个,参考文献103篇。
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