难熔金属表面TaC扩散障的高温退化机制及其对硅化物涂层抗高温氧化性能的影响机理研究
批准号:
52071274
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
汪欣
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
汪欣
中文摘要
硅化物涂层作为难熔金属最主要的高温抗氧化涂层,与难熔金属基体的化学成分存在显著差异,服役过程中涂层/基体界面不可避免发生高温互扩散,导致涂层寿命缩短以及基体力学性能下降。本项目拟在难熔金属/硅化物涂层界面制备TaC陶瓷扩散障,通过开展难熔金属表面TaC高温扩散障的界面结构反应形成机制、阻扩散性能与高温退化机理研究,阐明真空熔烧过程中TaC扩散障与硅化物料浆预置层界面反应对TaC扩散障成分和结构的影响机理,确定硅化物涂层/TaC扩散障的界面结构;明确TaC扩散障对硅化物涂层/难熔金属基体界面互扩散行为的影响机制;揭示长时服役过程中TaC扩散障的高温退化机理及其对硅化物涂层高温防护性能的影响机制,提出难熔金属表面长寿命硅化物涂层的金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷界面自适应匹配和相容性设计理论与方法,为可重复使用火箭发动机以及高性能姿轨控火箭发动机难熔金属热端部件长寿命高温防护涂层的设计提供理论依据。
英文摘要
Because of the various chemical compositions between silicide coatings and refractory alloys, interdiffusion and interfacial reactions occur inevitably at their interfaces during service at high temperatures. This leads to a shortened service life for the silicide coating and a reduced mechanical strength for the refractory alloy substrate. Aiming at restraining the interdiffusion between the silicide coatings and refractory alloys, a layer of TaC diffusion barrier is prepared at the silicide coating/refractory alloy substrate interface. In this project, the interfacial reactions between silicide slurries and the TaC diffusion barrier during high temperature sintering process as well as their effects on the composition and microstructure of TaC diffusion barrier will be studied. Furthermore, the effects of TaC diffusion barrier on the interdiffusion behaviors between silicide coatings and the refractory alloys in addition to the degradation mechanisms of TaC diffusion barrier will be systematically investigated. Moreover, the effect of TaC diffusion barrier on the high temperature oxidation resistance of silicide coatings will be investigated as well. Based on these studies, the methods of stabilizing the coating/alloy interfacial structure can be acquired, which will be beneficial to establish the theoretical foundation for the design and application of long service life coatings on refractory alloy components of reusable rocket engines and high performance of orbit and attitude control rocket engines.
本项目针对难熔金属/硅化物涂层的高温界面扩散问题,系统开展了难熔金属表面硅化物涂层的原位反应生成机制、涂层/基体界面反应机理、涂层高温氧化行为以及组织演变控制研究。通过包埋渗硅方法在Mo1表面制备了单渗Si涂层,涂层在1300℃和1400℃恒温条件下的失效是氧化-扩散独立作用的结果;在试车条件下,涂层失效是氧化-扩散-热冲刷协同作用的结果。分别采用B-Si共渗和先硼化后硅化的两步法在Mo1基体上制备了两种B掺杂的MoSi2涂层,B的加入显著改变了MoSi2涂层的成分和显微结构;包埋深过程中MoB界面层的形成抑制了Mo5Si3界面层的生长;B的掺入显著提高了涂层在600℃的抗氧化性能,并减缓了MoSi2涂层在1400℃高温下的退化速率;通过界面反应原位生成的连续的Mo5SiB2中间层大大提高了涂层/基体的界面稳定性。采用料浆喷涂-真空反应烧制方法在C103铌合金表面制备了(Nb,Ti,Cr)Si2-(Ti,Nb,Mo)5Si3双相多元固溶硅化物复合涂层,涂层在1400℃和1500℃恒温氧化条下生成了以非晶态SiO2为主体、球形TiO2颗粒为增强相的复合氧化膜;涂层在1500℃恒温氧化100h后表层的物相为(Nb,Mo)Si2高硅相,展现出了良好的抗氧化退化能力;涂层/基体发生高温界面扩散反应生成Nb5Si3是造成涂层显微组织退化的重要原因,且涂层的退化优先从涂层中下部NbSi2的晶界位置开始。采用一步真空反应烧制方法在Ta12W合金表面原位制备了(Zr,Hf)B2-HfB/TaSi2层状复合涂层,含Si相陶瓷的生成促进了上层陶瓷的致密化;涂层在1700℃和1800℃呈现出明显的逐层氧化特征,在1700℃和1800℃分别恒温氧化5h和60min后未发生失效;氧化膜中的Ta2O5与SiO2在与(Zr,Hf)O2反应上存在着竞争关系;氧化膜的发泡在氧化早期主要由B2O3的挥发造成,在氧化后期由Cr2O3的进一步氧化成挥发性的CrO3造成;玻璃膜中形成了微纳尺寸的TaO2颗粒。通过调控双辉渗碳的工艺,在Ta10W合金表面制备了以TaC为主相,含有Ta2C和少量未完全反应金属Ta的陶瓷层,并在此基础上制备了Si-Cr-Ti-Zr硅化物涂层;带有Ta-C扩散障的Si-Cr-Ti-Zr涂层在1600℃真空退火10h后涂层与基体界面未发生明显的界面扩散反应。
难熔合金用超高温玻璃陶瓷复合涂层的硼化物改性研究
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批准号:51501155
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2015
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负责人:汪欣
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依托单位:
国内基金
海外基金