真空等离子体喷涂ZrC基超高温陶瓷涂层制备与烧蚀性能研究

来源 :2016年全国高温腐蚀与防护研讨会 | 被引量 : 0次 | 上传用户:meng010
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  超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramics,UHTCs)主要指熔点超过3000℃的过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物,其具有高熔点、高比强度、高热导和良好的机械性能等优点,被认为在高温、超高温领域非常有应用前景.真空等离子体喷涂(vacuum plasma spray, VPS)技术具有焰流温度高、等离子体射流长、喷涂过程受惰性气体保护等优点,适合制备超高温陶瓷涂层材料.碳化锆是超高温陶瓷中的典型代表,具有良好的的化学稳定性,其氧化形成的氧化锆具有高的熔点,然而,氧化物较为疏松,不能对基底形成长时间的有效保护.二硅化钼在高温下形成的氧化硅保护膜具有低的氧渗透系数以及良好的自愈合能力,有望改善碳化锆涂层的高温抗氧化和抗烧蚀性能.本文采用真空等离子体喷涂方法分别制备了碳化锆(ZrC)涂层与碳化锆-二硅化钼(ZrC-MoSi2,ZM)复合涂层,表征了其相组成和显微结构;采用等离子体火焰考核两种涂层的抗烧蚀性能,比较研究了二硅化钼作为第二相对碳化锆涂层的微观结构和烧蚀性能的影响.实验结果发现,ZrC涂层由立方相ZrC组成,ZM涂层由立方相ZrC和六方相MoSi2组成;ZrC涂层与ZM涂层表面粗糙,均由熔融及半熔融的颗粒组成,其中ZM涂层中颗粒的熔融程度更高.烧蚀表面温度变化曲线显示,ZrC涂层在烧蚀过程中温度由最初的2600℃降低到2500℃,ZM复合涂层表面温度从1800℃升高到2150℃.烧蚀300s后宏观形貌观察发现,ZrC涂层形成的氧化物层疏松且从基体剥落,而ZM复合涂层表面较致密且与基体之间无明显裂纹产生.XRD结果表明,ZrC和ZM涂层烧蚀后均主要由单斜相ZrO2组成.截面形貌以及元素分布显示,ZrC涂层已经完全被氧化且SiC过渡层发生部分氧化;ZM涂层仅部分被氧化,测量其线烧蚀率约为0.42μm/s.烧蚀后表面形貌观察发现,ZrC涂层表面覆盖着疏松的氧化物,存在较多孔洞;ZM涂层具有显著不同的表面形貌,玻璃态的SiO2填充于氧化锆颗粒之间,形成一层较为致密的ZrO2-SiO2复合结构.研究结果表明,添加一定含量的MoSi2能够有效提高ZrC涂层的抗烧蚀性能,这可能与生成的SiO2相减少氧气向涂层内部的扩散,增强ZrO2颗粒之间的内聚力,同时降低涂层表面温度有关.
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采用等离子物理气相沉积工艺(PS-PVD)在YSZ上制备Al2O3.对Al2O3/YSZ表面涂敷CMAS(CaO-MgO-SiO2-Al2O3)在1250℃下热处理24h,结果表明Al2O3具有良好的抗CMAS性能.Al含量的提高,使CMAS向钙长成分(CaAl2Si2O8)移动,致密的钙长石相阻挡了CMAS的渗入和腐蚀.同时与传统的热障涂层相比,所制备的Al2O3/YSZ的热震寿命更高.
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