二硼化锆—碳化锆—氧化铝复合涂层的研究

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硼化锆(ZrB2)作为超高温陶瓷材料,具有高熔点、高硬度、低密度、良好的化学稳定性和高热电导性等优异性能,但其高温抗氧化性能和耐烧蚀性较差。目前,利用等离子喷涂法制备ZrB2涂层及复合涂层具有广阔的应用前景,但该方法存在涂层缺陷多、孔隙率高、致密度低等问题,如何提高涂层质量和性能成为主要问题。本课题采用等离子喷涂法制备ZrB2-ZrC-Al2O3复合涂层,并在喷涂复合粉中添加SiC作为增强相。本文对比研究了等离子喷涂ZrB2-ZrC-Al2O3和ZrB2-ZrC-Al2O3-SiC以及反应体系Zr O2-B4C-Al和Zr O2-B4C-Al-SiC四种原料体系制备ZrB2-ZrC-Al2O3基复合涂层的组织结构与性能(硬度、韧性、摩擦磨损性能、抗热震性能、抗高温氧化性能和耐烧蚀性能);计算了Zr O2-B4C-Al-SiC体系的热力学反应条件;揭示了Zr O2-B4C-Al-SiC体系在等离子喷涂过程中的反应机理和涂层的形成机制。等离子喷涂ZrB2-ZrC-Al2O3和ZrB2-ZrC-Al2O3-SiC两种体系所得涂层未发生明显的物相变化,仅发生部分氧化,涂层没有明显的层状组织,涂层形貌表现出包覆与被包覆的形态,涂层孔洞较多,致密度低。两种反应体系Zr O2-B4C-Al和Zr O2-B4C-Al-SiC涂层在喷涂过程中发生反应,生成了ZrB2和ZrC,涂层组织致密且涂层呈现明显的河流花样,涂层质量明显优于两种直接喷涂体系涂层;第二相SiC的加入可以起到抑制晶粒长大的作用,使涂层晶粒更细小。Zr O2-B4C-Al-SiC体系的反应机理为:复合粉中率先熔化的Al包裹着Zr O2、B4C和SiC颗粒,熔融的Al与Zr O2颗粒发生反应生成Al2O3和活性的Zr原子,生成的活性Zr原子与B4C发生反应,生成ZrB2和ZrC;而SiC以第二相存在于这些新相中。反应产物在高速高热等离子焰流的携带下,快速撞击到基体材料表面,在基体表面铺展沉积形成涂层。研究结果为:ZrB2-ZrC-Al2O3-SiC体系复合涂层的显微硬度最高(1280.85 HV0.1),Zr O2-B4C-Al-SiC体系涂层的显微硬度离散性最好(9.54)。Zr O2-B4C-Al-SiC体系复合涂层的韧性最好,SiC的加入对提高涂层的韧性起到积极作用,并且Zr O2-B4C-Al-SiC体系复合涂层的摩擦磨损性能和抗热震性能都优于其他三种复合涂层。Zr O2-B4C-Al-SiC和Zr O2-B4C-Al两种体系的抗氧化性能优于ZrB2-ZrC-Al2O3和ZrB2-ZrC-Al2O3-SiC体系的。四种体系复合涂层在等离子烧蚀下表现出不同的烧蚀机制。ZrB2-ZrC-Al2O3-SiC体系涂层的耐烧蚀性优于其他三种体系的,SiC的添加提高了ZrB2-ZrC-Al2O3体系涂层的耐烧蚀性,却对反应体系涂层的耐烧蚀性没有提高。
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