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SiC高温陶瓷涂层的制备及性能研究

作　者: 赵建民
导　师: 隋少华
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: SiC陶瓷涂层氩弧熔敷外延生长耐烧蚀惰性氧化
分类号: TG174.453
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用氩弧熔覆工艺在石墨碳基体表面制备了SiC高温陶瓷涂层。研究了在一定的熔覆工艺参数下,不同体系组分设计对制备涂层的影响,分析了涂层的界面行为及机理。利用SEM、XRD、HV等对涂层的微观组织、物相及硬度等进行了分析,并采用等离子火焰和箱式电阻炉对涂层的耐烧蚀、抗氧化性能进行了测试。结果表明:氩弧熔覆工艺制备SiC高温陶瓷涂层是可行的,采用Si和SiC的混合粉末均能制备与石墨基体结合良好的SiC涂层,并与前人所做的Si和C混合制备涂层进行比较。在其它工艺参数相同,组分设计n（SiC）:n（Si）=1:0.5采用焊接电流135A时制备,涂层预覆层粉末与石墨基体发生完全化学反应,生成致密均匀的SiC组织。SEM表明各涂层与基体之间具有良好冶金结合;XRD表明涂层中新形成了β-SiC。提出了SiC涂层形成的β-SiC生长机理。涂层原料中的SiC做为升华源,在氩弧高温作用下,升华为气态C-Si原子团。涂层原料中的Si粉在氩弧的作用下,呈液态,在石墨基体上铺展、润湿,并扩散进入石墨基体,与基体中的C原子反应生成最易成核β-SiC。而这部分新形成的SiC起到了籽晶的作用。升华为气态的C-Si原子团在电弧的作用下,也进入到石墨基体,在β-SiC上实现外延生长。涂层的引入提高了碳材料的耐烧蚀、抗氧化性能。组分设计n（SiC）:n（Si）=1:0.5制备的涂层防护的石墨材料质量烧蚀率为10.5mg/s,约为石墨基体的1/2;组分设计n（SiC）:n（Si）=1:0.8涂层在1400℃保温10h的单位面积上质量变化率为7×10-3mg/（mm2）。SiC在烧蚀、氧化过程中的产物SiO₂形成自愈合保护膜,提高碳基体的耐烧蚀和抗氧化性能。试样在等离子火焰烧蚀下是表面烧蚀和体积烧蚀的共同作用。提出了SiC涂层的惰性氧化机理。在高温条件下,涂层表面形成了一层非常薄的、致密的、与基体结合牢固的SiO₂氧化膜,氧在其中的扩散系数非常小。因此,SiC涂层的氧化非常缓慢。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-23
  1.1 引言  9
  1.2 碳材料高温氧化涂层的研究进展  9-13
    1.2.1 碳基涂层材料的要求  10-11
    1.2.2 研究进展  11-12
    1.2.3 涂层体系的分类及其特点  12-13
  1.3 SiC超高温陶瓷材料及性能的研究进展  13-16
    1.3.1 SiC结构性质及应用  13-15
    1.3.2 SiC涂层性能研究  15-16
  1.4 涂层制备技术的现状  16-21
    1.4.1 激光熔覆技术  16-17
    1.4.2 热喷涂技术  17
    1.4.3 等离子熔覆技术  17-18
    1.4.4 堆焊技术  18-19
    1.4.5 溶胶一凝胶法  19
    1.4.6 气相沉积  19
    1.4.7 包埋法  19-20
    1.4.8 钨极氩弧熔覆技术  20-21
  1.5 本课题的选题意义及主要研究内容  21-23
    1.5.1 选题意义  21
    1.5.2 本课题研究内容  21-23
第2章工艺原理和实验方案设计  23-32
  2.1 前言  23
  2.2 基体预处理  23-24
    2.2.1 预处理目的  23-24
    2.2.2 预处理方法  24
  2.3 实验材料  24-26
    2.3.1 基体材料  24-25
    2.3.2 原材料粉末  25
    2.3.3 实验设备  25-26
  2.4 涂层制备方法  26-27
    2.4.1 预涂层厚度  26-27
  2.5 显微维氏硬度  27-28
    2.5.1 HV硬度测量  27
    2.5.2 显微硬度测试仪使用原理  27-28
  2.6 组织结构分析  28-29
    2.6.1 扫描电镜和能谱元素分析  28-29
    2.6.2 X射线衍射分析  29
  2.7 抗烧蚀性能检测设备及方法  29-30
    2.7.1 等离子火焰烧蚀  29-30
    2.7.2 氧乙炔火焰烧蚀  30
  2.8 抗氧化性能测试设备及方法  30-32
第3章 SIC陶瓷涂层的制备  32-38
  3.1 引言  32
  3.2 组分设计  32-34
  3.3 涂层制备  34-35
  3.4 熔敷电流对涂层制备的影响  35-36
  3.5 本章小结  36-38
第4章组织结构分析  38-48
  4.1 引言  38
  4.2 试样的宏观形貌  38-40
  4.3 试样的扫描电镜结果分析  40
  4.4 SiC-Si体系的涂层SEM结果及分析  40-45
    4.4.1 分析比较  45
  4.5 涂层的HV硬度测量  45-46
  4.6 涂层的X射线衍射图谱  46-47
  4.7 本章小结  47-48
第5章涂层界面行为及机理分析  48-54
  5.1 引言  48
  5.2 液固相合成+气固—中间相合成机理  48-49
  5.3 β-SiC外延生长机理  49-52
    5.3.1 籽晶的形成  50
    5.3.2 外延生长  50-52
  5.4 熔覆过程温度场的有限元分析  52-53
  5.5 本章小结  53-54
第6章耐烧蚀和抗氧化性能评价  54-73
  6.1 引言  54
  6.2 等离子火焰烧蚀  54-60
    6.2.1 烧蚀实验结果  54-57
    6.2.2 耐烧蚀性能机理分析  57-59
    6.2.3 氧乙炔火焰烧蚀  59-60
  6.3 抗氧化性能评定  60-72
    6.3.1 氧化结果  61-65
    6.3.2 不同熔敷电流制备的涂层的氧化结果  65-67
    6.3.3 影响SiC涂层抗氧化行为的因素  67-68
    6.3.4 SiC涂层抗氧化分析  68-70
    6.3.5 氧化表面形貌  70-71
    6.3.6 抗氧化机理  71-72
  6.4 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-78
致谢  78

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