钼表面原位合成硅化物涂层的制备工艺与性能研究

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金属钼具有极高的熔点(2622℃)以及较好的耐磨性、抗腐蚀性和电热导性,常作为高温发热元件,但其在高温大气环境中表面形成易挥发的三氧化钼,因而钼仅能作为真空或保护气氛中的高温发热元件。二硅化钼因较高的熔点、抗热冲击性、良好的导热性和优异的高温抗氧化性能可作为难熔金属钼及其合金高温抗氧化涂层。但是,MoSi2的热膨胀系数(8.1×10-6K-1)与Mo的(5.8×10-6K-1)相差较大,MoSi2涂层与钼基体热膨胀系数不匹配易产生裂纹导致MoSi2涂层的高温循环氧化性能下降。N元素的引入可以改变硅化钼涂层的微观结构,提高涂层与基体的热匹配性能。含B的硅化物由于形成保护性的硼硅玻璃而具有很好的抗氧化性。因此,本文采用氨解法渗氮、熔盐法渗硅、渗硼制备了Mo-Si-N-B系硅化物涂层。探讨了熔盐成份、温度和保温时间等主要参数对Mo-Si-N-B系硅化物涂层的微观结构、物相组成及高温氧化性能的影响,并揭示其抗氧化机理,得出如下研究结果:1.熔盐法可制备钼基Mo-Si涂层。涂层微观结构从外至内分别为MoSi2、Mo5Si3和基体。活化剂对涂层厚度的影响较大,熔盐中Na2SiF6和NaF共存时,其活化作用更加明显。涂层厚度均随温度和保温时间的延长而增加,但温度比保温时间对涂层厚度的影响更显著。1000℃保温10小时制备的硅化钼涂层高温抗氧化性能较好,1200℃时循环氧化可持续100小时以上。2.采用氨解法渗氮、熔盐法渗硅可制备钼基Mo-Si-N涂层。涂层表层有MoSi2相和Si3N4相生成。钼基Mo-Si-N涂层的高温循环氧化性能优于钼基Mo-Si涂层的。渗氮1000℃保温2小时、流量200ml/min,再渗硅1000℃保温2小时制备的钼基Mo-Si-N涂层具有优异的高温抗氧化性能,1450℃循环氧化可持续78小时以上,高温1600℃循环氧化可持续48小时以上。3.采用熔盐法在钼基Mo-Si-N涂层上渗硼可制备钼基Mo-Si-N-B涂层。涂层表层生成了MoSi2相、Mo2B5相和Si3N4相。Mo-Si-N-B涂层高温1450℃时的氧化性能优异,氧化时间达100小时。4.钼基Mo-Si-N-B系涂层高温时生成的SiO2膜提高了涂层的高温抗氧化性能。钼基Mo-Si涂层中引入N元素提高了其致密性、引入B元素氧化生成了流动性较强的硼硅玻璃相。涂层氧化失效主要归因于温度升高,扩散反应加快,Mo5Si3厚度增加,高温抗氧化性降低,促进了MoO3等挥发物的生成,当氧化一定时间后,挥发物破坏了SiO2膜的致密性,导致涂层失效。
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