铌合金表面Nb5Si3/NbSi2/Nb2O5-SiO2/硅化物多层涂层构建与辐射热防护强化机制
批准号:
52071114
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王亚明
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:
王亚明
中文摘要
针对铌合金高温抗氧化性差、辐射热防护性差而制约其在高超声速飞行器应用的瓶颈问题,提出采用高温渗硅与微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结复合技术构建Nb5Si3/NbSi2/Nb2O5-SiO2/SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3全新结构多层涂层,实现高温抗氧化/耐烧蚀/高发射率辐射热防护多重功能。通过铌合金高温渗Si形成Nb5Si3/NbSi2底层,进而构建微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结特殊条件,通过电解液中SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3功能性纳米粒子匹配掺杂,研究纳米粒子分散特性及微弧参数对Nb2O5-SiO2/SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3外层生长的影响机制;揭示多层涂层结构及纳米粒子分布状态对发射率、氧化、热震、烧蚀行为的影响规律与辐射热防护强化机制,最终优选出高发射率涂层与工艺。这对于探索辐射热防护涂层制备新方法、丰富抗氧化/辐射散热理论具有重要学术与工程应用价值。
英文摘要
To solve the key problems of poor high temperature oxidation resistance and poor radiative thermal protection due to low surface emissivity of niobium alloy for hypersonic vehicles applications, a novel Nb5Si3/NbSi2/Nb2O5-SiO2/SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3 multi-layer thermal protection coating is constructed on niobium alloy by using high temperature pack cementation Si followed by microarc oxidation-synchronous nanoparticle deposition sintering technology, for the purpose to achieve the multiple functions of high temperature oxidation resistance, ablation resistance, high emissivity radiative thermal protection. Firstly, the Nb5Si3/NbSi2 bottom layer is prepared by high temperature pack cementation Si. Further, the unique process parameters of microarc oxidation-synchronous nanoparticle deposition sintering are experimentally constructed to design the multi-layer coating. The effects of various nanoparticles dispersion characteristics and microarc process parameters on the growth and microstructure of Nb2O5-SiO2/SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3 composite layers are determined by matching doping of SiC-MoSi2-ZrC-Yb2O3 nanoparticle in the special electrolyte. The effects of nano particles distribution in the outer layer and multi-layer coating microstructure on high temperature emissivity, oxidation resistance, transient thermal shock and ablation resistance are revealed. Finally, the optimal high emissivity multi-layer coating system and corresponding fabrication process are presented. This proposed project is of broader societal impact on scientific disciplines and engineering applications. Not only will it explore and find the novel way for preparing radiative thermal protective coatings for hypersonic vehicles, but will also enrich the theory of oxidation resistance and radiative heat dissipation.
铌合金抗高温氧化性能差、表面发射率低(约为0.3)导致其热防护性能不足。采用稀土掺杂扩散渗硅化物涂层是提高抗氧化性能最有效的途径,但单一硅化物涂层对提高抗氧化性能已达到瓶颈,且表面发射率低导致辐射防热性能很差,已不能满足新一代高超声速飞行器高温辐射热防护的迫切需求。本项目提出采用高温渗Si与微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结复合技术在铌合金表面构建全新结构多层热防护涂层,实现多层界面热膨胀匹配/抗高温氧化/耐烧蚀/高发射率辐射热防护多重功能。通过电解液中功能性纳米粒子匹配掺杂,研究纳米粒子分散特性及微弧参数对功能外层生长的影响机制;揭示多层涂层结构及纳米粒子分布状态对发射率、氧化、热震、烧蚀行为的影响规律与辐射热防护强化机制。.研究表明,微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结工艺过程形成的必要条件是高频强电场(≥600V)与高电解液温度(60-90℃):微弧等离子体诱导产生瞬时强放电,放电微区处的粒子发生化学反应沉积在阳极表面或者惰性地卷入熔融氧化物冷凝后进入涂层,强烈密集的火花放电促使越来越多的粒子沉积在NbSi2层表面形成大厚度的复合涂层。为提高渗硅铌合金的表面发射率进而增强辐射散热能力,将SiC,MoSi2,ZrC,Yb2O3等高发射率组元引入涂层表面形成复合结构,并阐明了其发射率强化机理。为进一步提高复合涂层的高温抗氧化性能,在外功能层引入Yb2O3组元以提高在高温下形成的玻璃层稳定性。此外,还构建出MoSi2-Yb2O3-ZrC多功能外层进一步提高渗硅铌合金的高温抗烧蚀性能。.微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结复合涂层将渗硅铌合金表面的发射率提升至0.9以上。复合涂层由于氧化生成以ZrSiO4为主的多相氧化物,形成镶嵌互锁结构增强了氧化层的热稳定性,从而提高涂层抗氧化性能,在1200℃氧化100h的氧化增重低至4.26mg·cm-2,相比渗硅铌合金降低了约68.2%。此外,复合涂层在高温下形成Zr-Si-O基氧化层,多孔骨架有效抑制裂纹萌生和扩展,提升了涂层抗烧蚀性能,其质量烧蚀率和线烧蚀率仅为0.137mg·s-1和0.196μm·s-1。
渗硅铌合金纳米粒子沉积同步微弧氧化构建耐烧蚀隔热多层涂层与热防护机理
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批准号:U21B2053
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:260万元
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批准年份:2021
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负责人:王亚明
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依托单位:
LED辐射散热用导热/绝缘/高发射率微弧氧化涂层结构性能调控与机制
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批准号:51571077
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2015
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负责人:王亚明
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依托单位:
医用镁合金微弧氧化生物活化涂层构建及其腐蚀降解调控与生物相容性
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批准号:51371071
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2013
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负责人:王亚明
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依托单位:
金属表面纳米化层微弧氧化微结构重构与疲劳损伤机制
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批准号:50701014
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:22.0万元
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批准年份:2007
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负责人:王亚明
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依托单位:
国内基金
海外基金