MoSi2涂层残余应力和结合强度的有限元分析

目的研究残余应力对MoSi2涂层结合强度的影响。方法基于粉末包渗法(PC)制备的MoSi2涂层在退火前后的微观形貌和相组成,建立有限元分析模型,计算MoSi2涂层在退火前后的残余应力。根据涂层法向和切向残余应力随涂层厚度的变化,并结合涂层在退火前后结合强度随涂层厚度的变化规律,研究残余应力对涂层结合强度的影响。结果有限元模拟结果表明,MoSi2涂层的法向残余应力随涂层厚度的增加而减小。涂层的切向残余应力在涂层界面边缘处形成应力集中,并且最大切向残余应力随涂层厚度的增加而增大,与涂层结合强度的变化趋势相吻合。此外,退火后,MoSi2涂层的法向残余应力几乎没有变化,但是最大切向残余应力下降了10%左右,结合强度提高了20%左右。结论粉末包渗法(PC)制备的MoSi2涂层的结合强度受切向残余应力的影响,涂层切向残余应力增大,导致涂层结合强度降低。退火处理能够起到有效改善涂层界面切向残余应力集中的作用,对于提高涂层结合强度有明显的效果。

MoSi2涂层制备对于双组元离心发动机的影响分析

涂覆在双组元发动机推力室表面的MoSi2涂层可以有效地防止金属基材在高温氧化氛围下形成低熔点的金属氧化物。通过真空离子镀和包渗硅化的制备方法,可以令MoSi2涂层更加致密和均匀,大大提高了涂层性能。其涂层试片在1800℃的静态高温下可以耐受20 h以上,远远优于传统挂浆和喷涂法制备的试片耐温指标。同时,该工艺方法制备的涂层表面更加光洁致密,在这种条件下更容易令冷却液膜铺展和生存,也更有利于实现液体蒸发换热,以实现发动机燃烧室头部的高效冷却。经实验验证,涂覆了该涂层的发动机在喉部1400℃以上的点火温度下,头部温度仅约100℃,并顺利通过了累计4万秒的寿命摸底考核,这对于发动机性能提升和延寿有重要意义。但是,在MoSi2涂层的制备过程中,钼层的厚度和均匀性控制以及包渗硅化工艺的匹配性都会对发动机可靠性有着重要影响。一旦有钼层残留在涂层内部,就会导致涂层扩散层结构异常,严重影响涂层的结合性和热匹配性,在点火中产生贯穿性裂纹而失效。失效位置往往位于推力室喉部下游,因为该位置较大的温度梯度和相对贫氧的环境导致涂层内部产生应力裂纹并难以自愈合。针对这个问题,必须通过控制钼层厚度、延长包渗时间和称重法检测等措施,以保证钼层足以形成足够厚度的涂层,同时实现完全的硅化而没有残留。通过这些措施可以提高涂层制备质量,保证发动机的工作可靠性。

低压等离子喷涂TaSi2/MoSi2涂层组织结构及性能研究

采用低压等离子喷涂技术制备了TaSi2/MoSi2涂层。通过XRD、SEM、EDS等手段分析了涂层氧化前后组织结构及相结构。结果表明,TaSi2/MoSi2涂层呈现典型的层状结构,组织结构均匀致密,孔隙率为3.1%;涂层由TaSi2和MoSi2两相组成,喷涂过程中未发生相结构转变;空气中1650℃氧化30min后,涂层表面生成致密和玻璃态SiO2保护膜,涂层具有良好的自愈合能力,表现出良好的高温抗氧化性能。

碳保护下钼金属表面MoSi2涂层的可控制备及表征

采用活性碳粉为气氛保护介质,以NaF为催化剂,通过改良包埋渗硅工艺在钼金属表面原位反应制备MoSi2抗氧化涂层。利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射仪(XRD)系统研究了热处理温度、热处理时间、催化剂含量和钼金属表面不同处理方式对涂层结构的影响,并分析了涂层制备机理。结果表明:采用碳保护下的改良包埋法在钼金属表面成功制备了MoSi2涂层,涂层结构致密,且与基体之间的结合性良好。随着热处理温度的升高,涂层厚度急剧线性增加,涂层结构致密性明显提高,在1200℃得到的涂层质量最佳;随着热处理时间的延长,涂层厚度不断增加,当超过120 min后,涂层的厚度变化趋于平缓;增大钼金属表面粗糙度有利于涂层生长,可增加涂层厚度,但改变NaF用量对涂层结构和厚度的影响较小。

Al、Nb协同合金化MoSi2涂层的组织与力学性能

为改善MoSi2材料的室温脆性,采用激光合金化技术,在Cr12基体表面制备了MoSi2涂层,并探讨Al、Nb协同合金化对MoSi2涂层的组织和力学性能影响。结果表明:激光的快速加热与冷却,造成MoSi2合金层组织呈现细小的胞状树枝晶形态;Al、Nb元素的协同添加,降低了MoSi2涂层的硬度,提高了涂层的韧性和耐磨性;6Al+2Nb+MoSi2涂层具有最低的硬度、较好的韧性和耐磨性能。

SiC-MoSi2涂层C/C复合材料的动态氧化行为研究

C/C复合材料在使用过程中往往经受急冷急热与高温燃气冲刷。为了研究涂层C/C复合材料的动态氧化行为及失效机制,本文对SiC/MoSi 2涂层C/C复合材料试样的全温抗氧化性能以及抗冲刷性能进行测试分析.结果表明:SiC/MoSi 2涂层试样具有良好的高温抗燃气氧化冲刷性能,在经历1600℃高温燃气冲刷55.5 h,10次室温~1600℃~室温急冷急热考核后,失重率仅为7.68%;涂层试样在高温风洞中动态氧化失效的原因是位于缺陷氧化最敏感温度处的试样微区的氧化损耗最为严重,导致试样在该微区处的力学性能显著下降,使其无法承受气动载荷而发生断裂.

C/C复合材料SiC-TaSi_2/MoSi_2抗氧化复合涂层研究

采用包埋技术在C/C复合材料表面制备SiC-TaSi_2/MoSi_2抗氧化复合涂层,通过恒温氧化实验以及X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)观察及能谱(EDS)分析,研究了包埋粉料中Ta,Mo含量对复合涂层微观结构和高温抗氧化性能的影响.结果表明,Ta,Mo摩尔比为1:1时所制备的复合涂层具有相对较大的厚度和较为致密的结构,氧化过程中在该涂层表面形成致密和稳定的玻璃态SiO_2保护膜.在1500℃氧化326h和经过23次1500℃至室温间的急冷急热后,带有该涂层的C/C试样失重仅为0.97%,表明该涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能.

低压沉积温度对MoSi_2涂层微观结构与性能影响

以SiCl4和H2为原料,采用低压化学气相沉积（LPCVD）渗硅法在Mo基体表面原位反应制备了MoSi2涂层,研究了沉积温度对MoSi2涂层微观形貌、物相组成、沉积速率、涂层的硬度、涂层与基体结合强度的影响.研究结果表明：在1100~1200℃下制备的涂层结构致密,由单一MoSi2组成,沉积速率、涂层的硬度以及与基体的结合强度均表现为増加的趋势;当沉积温度高于1200℃,涂层出现开裂现象,由游离Si和MoSi2两相组成,涂层沉积速率、硬度和结合强度均出现下降的趋势.1100℃以下沉积的主要控制步骤为Si与Mo反应,而1100℃以上Si在涂层中的扩散对沉积过程起控制作用.

钼合金表面MoSi_2涂层的制备工艺和形成机理

采用包埋渗硅法在钼合金表面上制备MoSi2涂层,研究粉料成分、粒度和反应时间对涂层厚度的影响,分析MoSi2涂层的形成机理。研究结果表明:随着粉料中硅粉和活化剂粉末含量的增加,涂层的厚度呈现先增加后降低趋势;粉料中活化剂的质量分数为10%时,能够制备厚度为130μm的涂层;高能球磨能够提高粉末的表面活性,促进涂层生长,球磨30 h的硅粉粉料在高温下渗硅15 h后,涂层厚度能够达到160μm。MoSi2涂层的生长受扩散反应过程控制,形成的涂层包括2层:外层为MoSi2层,内层为Mo5Si3过渡层。

等离子喷涂及真空热处理过程中MoSi_2涂层的相演变

分别采用MoSi2,Mo-66.7%Si和Mo-70%Si(摩尔分数)粉末为原料,在45钢上大气等离子喷涂MoSi2涂层,对喷涂前后相以及真空热处理对涂层相和组织的影响进行了研究。结果表明,以MoSi2为原料喷涂后,涂层主要是由MoSi2和Mo5Si3相组成,MoSi2由亚稳定的MoSi2(h)六方结构和稳定的MoSi2(t)四方晶体结构组成。而Mo-66.7%Si和Mo-70%Si两种粉末喷涂后,涂层均由Mo,Si单质粉组成,喷涂过程没有形成硅化物。Mo-66.7%Si涂层在1050,1200℃热处理1h后,涂层中主相是Mo5Si3,次相为MoSi2。Mo-70%Si涂层在800,1 000℃热处理30min后,生成了少量的MoSi2,Mo5Si3和Mo3Si。在1 050℃热处理时,随着时间的延长,MoSi2相含量相对增多,当热处理时间为30,45min时,由于Mo,Si和Fe之间的反应扩散,还生成了FeMoSi和Fe3Si相。

低压化学气相沉积MoSi_2涂层微观结构及氧化性能

为了防止Mo合金的高温氧化,本研究采用低压化学气相沉积技术在Mo合金表面制备MoSi2抗氧化涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱仪等分析手段,对涂层的微观结构进行了研究,测试了涂层的抗氧化和抗热震性.结果表明:MoSi2涂层结构致密,仅有少量微裂纹存在,表现出良好的抗热震和抗氧化性能;经20次1300℃-室温循环热震实验后,涂层未出现开裂与脱落现象;涂层试样在1300℃氧化气氛下氧化180 h,失重率小于0.83%,分析揭示了涂层试样氧化失重的主要原因为氧扩散通过涂层与Mo基体发生反应,生成极易挥发的MoO、MoO2、MoO3,氧在涂层中的扩散速率决定了涂层的失重速率.

纳米ZrO_2对MoSi_2涂层高温摩擦磨损行为的影响

采用等离子喷涂制备了MoSi2及纳米ZrO2强韧化MoSi2复合涂层,分析了涂层与氧化铝配对副在1100℃大气环境中不同载荷下的摩擦磨损行为,并采用XRD、SEM对磨损表面进行了物相、形貌和成分分析,进而分析了涂层的磨损机理。结果表明:随着载荷的增大,MoSi2和ZrO2-MoSi2涂层的摩擦因数和磨损率均逐渐减小,纳米ZrO2降低了MoSi2涂层的摩擦因数,增强了MoSi2涂层的抗摩擦磨损能力;随着载荷的增加,MoSi2涂层的磨损机制由黏着磨损向脆性断裂变化,但始终存在氧化磨损;ZrO2-MoSi2涂层磨损机制主要是氧化磨损和轻微黏着磨损,当载荷增加到40N时,还存在脆性剥落磨损;纳米ZrO2降低了MoSi2涂层的脆性脱落趋势。

不同制备工艺对MoSi_2涂层抗氧化性能的影响

为解决MoSi2和SiC线膨胀系数差异,在带有SiC外涂层的C/C复合材料表面采用等离子喷涂、电弧沉积和固渗等工艺制备MoSi2涂层。涂层表面形貌分析发现,等离子喷涂MoSi2涂层多孔不致密,电弧沉积MoSi2涂层易开裂剥落;而固渗MoSi2涂层致密均匀,且界面结合力好。氧化试验也表明,固渗MoSi2涂层性能较好。

添加B对包渗法制备MoSi_2涂层显微组织及静态抗氧化性能的影响

采用包渗法在Mo基体表面制备了B强化的MoSi2涂层,研究了涂层的显微结构、元素分布、相组成以及静态高温抗氧化性能。结果表明:涂层与基体之间通过扩散形成牢固的冶金结合,涂层整体厚度为80～120μm,共由三层组成。涂层中B元素沿晶界扩散富集引起的晶格畸变,使得Si在MoSi2中的扩散系数减小,导致B强化MoSi2涂层中间层厚度相对纯MoSi2涂层中间层厚度减小,但涂层整体厚度增大。经1200℃静态氧化2h后,B强化的Mo-Si2涂层失重为0.6mg/cm2,大大小于纯MoSi2涂层失重量(1.3mg/cm2),表面生成一层致密的SiO2为主体的氧化膜,阻止了涂层的进一步氧化。

MoSi_2涂层高温抗氧化性能和微观组织

采用真空阴极电弧沉积工艺在铌钨合金喷管内、外表面和铌钨合金试样表面沉积了Mo层,采用真空包渗工艺使Mo层硅化生成MoSi2涂层。利用扫描电子显微镜、能谱、XRD、金相显微镜对Mo层和MoSi2涂层表面和断面微观形貌、结构进行了分析。分析表明:MoSi2涂层的相结构由外向内大致可分为外层(MoSi2)、中间层(NbSi2)和过渡层(Nb5Si3)。高温抗氧化试验结果表明:MoSi2涂层在大气环境下1 800℃的静态抗氧化性能达到了30 h,室温至1 700℃循环热震1 376次。考核热试车情况:发动机在温度1 450℃累计工作了415s,在1 610℃工作了100 s,涂层状况完好。

钼合金表面MoSi_2涂层氧化行为和氧化机理的研究

采用包埋渗硅法在钼合金表面制备了MoSi2涂层,研究了涂层的氧化行为和抗氧化机理。结果表明,钼合金基体经历30 min高温氧化后,样品表面鼓泡严重,质量失重率在11%左右;在钼合金基体表面形成MoSi2涂层后,抗氧化能力大幅度提高,经过60 min的高温氧化后,样品表面完好,质量增重率为0.58%;在高温氧化过程中,MoSi2晶粒内部Si原子的体积扩散作用较强,样品表面能形成了连续、致密的SiO2膜,阻碍氧对基体的侵蚀。

等离子喷涂功率对MOSi_2涂层组织与抗高温氧化性能的影响

以自蔓延合成的MoSi_2粉体为喷涂原料,采用大气等离子喷涂技术,在K403镍基合金表面制备了MoSi_2涂层;采用XRD、SEM和EDS等仪器和高温氧化试验考察了喷涂功率对MoSi_2涂层组织和抗高温氧化性能的影响。结果表明:涂层中均含有MoSi_2相、Mo_5Si_3相和钼相,随喷涂功率的增大,涂层的相组成由富硅相向富钼相转变;采用30kW喷涂功率可制备出主相为MoSi_2且致密度较高的涂层,可以明显提高基体的抗高温氧化性能。

1100℃下MoSi_2涂层的高温摩擦磨损性能研究

为提高K403镍基高温合金的高温耐磨损能力,采用大气等离子喷涂在镍基上制备了金属间化合物MoSi2涂层,比较分析了基体和涂层与Al2O3配对摩擦副在1100℃下的高温摩擦磨损性能,并采用X射线衍射仪和扫描电镜对摩擦磨损表面进行了物相、形貌和成分分析,进而分析了基体和涂层的磨损机理。研究结果表明:K403合金的摩擦因数在0.35～0.5范围内变化,而MoSi2涂层的摩擦因数在0.65左右波动;MoSi2涂层的磨损率约是基体材料的0.5倍,涂覆MoSi2涂层后,提高了镍基高温合金耐高温磨损能力;镍基合金的高温摩擦磨损机制主要为氧化磨损和疲劳断裂,载荷较小(10N)时,MoSi2涂层的磨损机制主要表现为氧化磨损,较大载荷(40N)时,MoSi2涂层的磨损机制主要表现为氧化磨损和疲劳脆性断裂。

化学气相沉积制备MoSi_2涂层分析

主要介绍了目前化学气相沉积(CVD)制备 MoSi_2涂层或薄膜的几种方法,从反应原理和沉积产物结构等方面分析了各种方法的特点,提出了这些方法在制备 MoSi_2涂层过程中所存在的问题,并讨论了 CVD 制备 MoSi_2涂层应用于碳/碳复合材料高温抗氧化保护的可行性。

钼及其合金表面改性MoSi_2涂层研究进展

MoSi_2涂层在高温下可氧化生成保护性的SiO_2玻璃膜,可以在高温条件下为钼及其合金提供有效防护。但单一的MoSi_2涂层存在低温抗氧化性能不足、抗热震性能差、高温退化速率过快等缺陷,对其进行掺杂改性可有效提高高温抗氧化性能。介绍了MoSi_2涂层的物理性质、高温防护机理以及MoSi_2涂层的制备方法,综述了国内外钼及钼合金表面MoSi_2涂层掺杂改性的研究进展,包括合金元素改性、掺杂陶瓷以及氧化物改性,展望了MoSi_2涂层的发展方向。