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通讯作者:

张世宏(1981—),男(汉),教授,博士;研究方向:表面技术;E-mail:zsh13637101221@163.com

中图分类号:TG146.4

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)03-0152-08

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20190803001

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目录contents

    摘要

    采用包渗法在稀土 La2O3 掺杂钼合金基体上制备 MoSi 2 涂层,并就 La 元素对 MoSi 2 涂层宽温域氧化行为的影响机制进行了系统研究。 结果表明:钼镧合金基 MoSi 2 涂层组织结构较为致密,主要物相为 MoSi 2 相。 不同温度下 La 元素对 MoSi 2 涂层的抗氧化性能的影响不同,1600 ℃高温静态氧化条件下,La 元素的存在促进了涂层与基体的化学反应,加剧了 MoSi 2 抗氧化主体层的消耗速度,使得 MoSi 2 涂层的高温抗氧化性能有所下降;800 ℃ 中温静态氧化条件下, La 元素对 MoSi 2 涂层抗氧化性能影响不明显;500 ℃低温静态氧化条件下,La 元素的加入加速了涂层中 Si 元素的扩散, 使得涂层表面能较快形成一层致密的氧化层,“Pest”效应得到抑制,从而显著提升涂层的低温抗氧化性能。

    Abstract

    MoSi 2 coatings were prepared on rare earth La2O3 doped molybdenum alloy substrates by pack cementation method. The effects of La element on the oxidation behavior of MoSi 2 coatings in wide temperature range were studied systematically. The results show that the MoSi 2 coating exhibits dense microstructure, which is mainly composed of MoSi 2 phase. The effects of La element on the oxidation resistance of MoSi 2 coating are different at various temperatures. Under the static oxidation conditions at 1600 ℃ , the addition of La element promotes the chemical reactions between the coating and the substrate, and accelerates the consumption rate of MoSi 2 , which leads to the decrease in the high temperature oxidation resistance of the coating. Meanwhile, La element has little influence on the oxidation resistance of the coating at 800 ℃. Under the static oxidation conditions at 500 ℃, La element increases the diffusion rate of Si element in the coating, which favors the formation of a dense oxide layer on the coating surface, and " Pest" effect is inhibited effectively. Therefore, the low temperature oxidation resistance of the coating is improved significantly.

  • 0 引言

  • 在玻璃制备与加工过程中,钼及钼合金的热膨胀系数低、熔点高,此外,它还具备优良的电、热导率及出色的耐腐蚀性能等特性[1-3],因此常被用作电极材料。钼电极所处的服役环境极其复杂,包括服役温度范围宽,冷热交替频繁,腐蚀环境苛刻等[4]。因此,严苛的服役条件对钼及钼合金的防护涂层提出了更高的要求,如具备良好的抗热震性能、耐宽温域氧化性能等。在众多高温防护涂层中,MoSi2 涂层在高温下可生成连续致密的SiO2 保护膜,有效阻碍氧原子扩散至基体,从而显著提高钼及钼合金的使用寿命[5]。然而,MoSi2 涂层在400~600℃ 温度区间内易发生 “Pest”效应,导致涂层粉化失效[6-7]。因此,如何在充分发挥MoSi2 涂层高温防护作用的同时,保证其低温抗氧化性能,以满足其宽温域服役环境要求,具有极其重要的意义。

  • 研究发现[8],“Pest”效应的产生主要原因是低温条件下,MoSi2 涂层中Si元素扩散速率缓慢,无法及时补充至表面与氧反应,从而导致表层反应界面氧含量富集,发生钼、硅同时反应。此时,大量生成的氧化产物MoO3 具有挥发性,使得还未完全形成的致密氧化膜遭到破坏,从而导致氧渗透至涂层内部。由于MoSi2 涂层中存在较多裂纹、孔洞等缺陷,诱导裂纹扩展至涂层内部, 从而加速涂层氧化失效。目前,SiO2 保护膜的改性是改善“ Pest” 效应的有效途径,如通过降低SiO2 的形成温度,使其在低温条件下于涂层表面较快形成致密氧化膜,从而提高其抗氧化能力。 Hebsur [9] 通过在涂层中添加体积分数为30%~50%Si3N4 使其在MoSi2 表面形成一层Si2ON2, 该氧化膜与基体相容性较好、形成温度较低,从而改善了MoSi2 涂层的低温抗氧化性能。但由于涂层中存在较多缺陷,一旦涂层中氧气通道被打开,涂层极易失效。因此,提高MoSi2 涂层中Si元素扩散速率,从而加快SiO2 保护膜的形成速度以及降低涂层缺陷、提升涂层致密度成为提高MoSi2 涂层低温抗氧化性能的关键。

  • 在前期研究工作中[10],通过采用W掺杂方式制备的(Mo,W) Si2 涂层有效地改善了MoSi2 涂层高温条件下的抗氧化性能,使用寿命显著增加。然而,(Mo,W)Si2 涂层在500℃低温条件下短时间内迅速氧化失效,使用寿命仅为50 h;而未掺杂MoSi2 涂层在氧化400 h后才产生剧烈失重而失效。由此可见,W元素的掺杂使得MoSi2 涂层低温抗氧化性能显著降低。由于稀土氧化物独特的化学特性,相关研究表明掺杂稀土氧化物能够对MoSi2 起到改性的作用。目前,人们对稀土氧化物如La2O3 改性MoSi2 的研究主要集中在块体材料,研究重点集中在室温增韧、高温补强以及抗氧化性能等方面[11-14]。研究结果表明, La2O3 的加入细化了MoSi2 材料的晶粒,提高了材料的强度和韧性,但晶界增多,氧气扩散通道增加,导致材料在400~600℃ 低温以及1200℃ 高温下的抗氧化性能均下降。然而,关于稀土氧化物改性MoSi2 涂层的研究鲜有报道。为此,利用包渗法在质量分数为1.2%La2O3 钼镧合金基体上制备MoSi2 涂层,对涂层进行500~1 600℃ 宽温域条件下的抗氧化性能研究,挖掘La元素对MoSi2 涂层在宽温域氧化条件下的影响机制。

  • 1 试验方法

  • 1.1 涂层制备

  • 采用包渗法在质量分数为1.2%La2O3 掺杂的钼合金基体上制备MoSi2 涂层,所用设备为QSH-SZW型立式扩散反应钨丝真空炉。试验开始前,先将钼镧合金基体切割成尺寸为12 mm × 12 mm×3 mm的试样块,利用砂纸逐级打磨,再采用金刚石研磨膏抛光至镜面,最后分别用丙酮、无水乙醇超声波清洗试样,并吹干备用。在渗硅过程中,将硅粉和氧化铝粉按比例称量(重量比为55 ∶35),置于球磨机中进行混料,时间为12 h。向混料后的粉料中添加氟化钠,重量比为5%,混合均匀后对其进行高温干燥处理,装入氧化铝坩埚中。最后将钼镧合金基体埋入均匀混合的粉料中,坩埚经氧化铝盖密封后放置于真空炉中,进行高温活化扩散反应处理,温度为1200℃,反应时间为9 h,从而得到钼镧合金基MoSi2 涂层。

  • 1.2 氧化试验

  • 利用SG-SJ1700 型马弗炉进行等温氧化试验,试验温度分别设定为500、800 和1600℃。间隔一定氧化时间后取出样品并空冷至室温。采用HZ-124/85S型电子天平(精度为0.01 mg)称量试样不同时间段的质量变化,并据此绘制氧化动力学曲线。

  • 1.3 涂层表征

  • 使用Ultima Ⅳ型X射线衍射仪(XRD)测定涂层氧化前后的相结构,扫描角度为20°~90°, 扫描速度为10°/min;采用Phenom XL型扫描电子显微镜( SEM)对涂层表面及截面形貌进行观察,同时利用其配备的Phenom-World型能谱仪(EDS)分析氧化前后涂层成分。

  • 2 试验结果与分析

  • 2.1 组织结构及形貌分析

  • 图1 为钼镧合金基MoSi2 涂层X射线衍射谱。与纯钼基MoSi2 涂层相比[10],涂层物相并未发生明显变化,主要物相仍为MoSi2 相。这主要是因为当渗Si处理时,Si元素仅与Mo发生反应生成MoSi2 相,La2O3 并未参与反应[15-16]。由于La2O3 含量较少,XRD无法检测到La2O3 相的存在。

  • 图1 钼镧合金基MoSi2 涂层XRD图谱

  • Fig.1 XRD patterns of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates

  • 图2 为钼镧合金基MoSi2 涂层的表面和截面形貌及EDS结果。由图2( a)可知,涂层表面致密,无明显孔洞及裂纹。由图2(b)可知,涂层组织结构较为致密,仅在部分区域由于“Kirkendall” 效应而出现孔洞[17]。此外,涂层中还有白色点状物弥散分布于涂层中,此白色点状物为不均匀渗硅区[10]。由图2(c) EDS结果表明,涂层由主体层MoSi2 相和过渡层Mo5 Si3 相组成,此结果与相关文献报道一致[18]。因此,La元素的加入并未导致涂层主体层及过渡层成分发生改变,此结果与XRD结果一致。

  • 图2 钼镧合金基MoSi2 涂层氧化前表面和截面形貌及EDS结果

  • Fig.2 Surface and cross-section images and EDS results of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates before oxidation

  • 2.2 1600℃恒温氧化性能

  • 图3 为钼镧合金基和纯钼基MoSi2 涂层1600℃下高温氧化动力学曲线。从图中可以看出,钼镧合金基MoSi2 涂层氧化2 h后,涂层增重明显。该阶段内,涂层表面氧化膜的生成导致质量显著增加。在经历2~6 h平稳氧化增重阶段后,涂层氧化8 h后开始产生失重,15 h后涂层失效。相较于纯钼基MoSi2 涂层失效时间25 h [10], 钼镧合金基MoSi2 涂层高温抗氧化性能有所降低。

  • 图3 纯钼基[10]及钼镧合金基MoSi2 涂层1600℃氧化动力学曲线

  • Fig.3 Oxidation kinetic curves of MoSi2 coatings on Mo [10] and Mo-La alloy substrates at 1600℃

  • 图4(a)为钼镧合金基MoSi2 涂层1600℃ 下氧化2 h截面形貌。致密的SiO2 氧化膜在表面形成使得涂层在氧化前期质量增加,具体反应方程式见式( 1)。此外, 与纯钼基MoSi2 涂层相比[10],钼镧合金基MoSi2 涂层中产生了大量Mo5 Si3 相, 主体抗氧化层MoSi2 相消耗严重。 MoSi2 氧化一般分为Si的选择性氧化(如式(1) 所示)和Mo、Si同时氧化(如式(2)所示)两种情况。 1600℃ 下式( 1) 的反应吉布斯自由能更负[18],因此更倾向于形成Mo5 Si3 和SiO2 相。 MoSi2 的消耗一方面源于Si的选择性氧化,另一方面源于其与基体的剧烈反应,如式(3) 所示。由此可见,La元素的加入,促进了Si元素的扩散,加剧了MoSi2 涂层与基体的反应,从而使得在相同氧化时间下,MoSi2 消耗速率明显增加。由于涂层表面致密氧化膜的形成,有效地抑制了氧气的渗透,涂层氧化速率减小,并在2~6 h处于平稳氧化增重阶段。随着氧化的进行,MoSi2 涂层在氧化8 h后开始失重,氧化10 h涂层截面形貌如图4(b)所示,此时MoSi2 被不断氧化消耗, 仅在涂层前端呈块状分布,主体层MoSi2 逐渐转化为抗氧化性能较差的Mo5 Si3。此时反应产生大量挥发性氧化物MoO3,具体反应方程式见式(4)。已形成的SiO2 氧化膜极易被MoO3 的快速挥发而破坏,产生氧气通道,从而加速涂层氧化。此外,还有一部分Mo5 Si3 与基体Mo发生反应产生新的物相Mo3 Si,反应方程式见式( 5)。图4(c)为钼镧合金基MoSi2 涂层氧化15 h后的截面形貌,表1 为对应的EDS能谱结果。此时涂层已不具备高温防护能力,涂层中无法快速提供Si扩散至表面生成致密氧化膜,MoO3 的挥发导致涂层中氧气通道被打开。同时,涂层中还存在明显的孔洞层,这主要是由于“Kirkendall”效应导致的空位聚集[17]。氧气通道被打开后,这些孔洞缺陷处将会优先氧化并产生钉楔作用[19],诱导裂纹扩展至涂层内部直至基体,导致涂层与基体之间存在大量SiO2 氧化物, 形成较为明显的界面层。

  • 图4 钼镧合金基MoSi2 涂层1600℃氧化后截面形貌

  • Fig.4 Cross-section images of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates after oxidation at 1600℃

  • 表1 图4(c)中对应的EDS结果

  • Table1 Corresponding EDS results in Fig.4(c)(a/%)

  • 5MoSi2+7O2Mo5Si3+7SiO2
    (1)
  • 2MoSi2+7O22MoO3+4SiO2
    (2)
  • 3MoSi2+7Mo2Mo5Si3
    (3)
  • 2Mo5Si3+21O210MoO3+6SiO2
    (4)
  • Mo5Si3+4Mo3Mo3Si
    (5)
  • 钼镧合金基MoSi2 涂层的高温氧化失效机理与纯钼基MoSi2 涂层类似[18]。在持续性高温氧化条件下,涂层失效的主要原因在于高硅相MoSi2 的逐渐转化消耗,Mo5 Si3、Mo3 Si等低硅化物的形成导致涂层中无法提供足够的硅元素,进而降低了致密SiO2 氧化膜的生成速率,同时加剧了MoO3 等挥发性氧化物的产生,氧气通道不断被打开,诱导裂纹扩展至涂层内部直至基体,导致基体氧化后剧烈失重,涂层失效。与纯钼基MoSi2 涂层不同的是,La元素的添加促进了Si元素的扩散,加剧了涂层与基体的化学反应,使抗氧化主体层MoSi2 相的消耗速率增加,抗高温氧化性能降低。

  • 2.3 800℃恒温氧化性能

  • 图5 为纯钼及钼镧合金基MoSi2 涂层在800℃下氧化动力学曲线。由图可知,两种涂层在氧化前期增重显著,随后进入稳定阶段。这是由于氧化初期,MoSi2 发生Si的选择性氧化,生成致密的SiO2 层,导致质量增加,且有效抵挡了氧气的进一步侵蚀。随后涂层质量以极其缓慢的速率增加直至平稳。因此,两种涂层在800℃ 下均具有极佳的抗氧化性能,La元素的加入对MoSi2 涂层中温抗氧化性能影响不明显。

  • 图5 纯钼和钼镧合金基MoSi2 涂层800℃ 氧化动力学曲线

  • Fig.5 Oxidation kinetic curves of MoSi2 coatings on Mo and Mo-La allay substrates at 800℃

  • 图6 为钼镧合金基MoSi2 涂层800℃ 氧化400 h后的XRD图谱。从图中可以看出,涂层氧化400 h后表层生成一层SiO2 氧化物,涂层中的主体相MoSi2 未发生改变。

  • 图7 为钼镧合金基MoSi2 涂层800℃ 氧化400 h表面及截面形貌,表2 为对应的能谱结果。从图7(a)可以看出,在氧化400 h后,涂层表面依然致密,未发现明显的孔洞与裂纹,经EDS能谱分析,膜层主要成分为SiO2,其中夹杂有少量的Mo、Si混合氧化物呈白色颗粒分布在SiO2 膜层之中。 800℃下氧化400 h截面形貌如图7(b)所示, 涂层在表层生成了一定厚度的致密氧化膜,内部主体层与过渡层几乎无变化(与XRD结果一致, 见图6),表明此时涂层仅在表层发生了轻微的氧化,涂层内部并未受氧气的侵蚀。因此,涂层在800℃静态氧化条件下具有极佳的防护作用。相较于1600℃的高温条件而言,涂层在800℃ 中温氧化条件下,氧气扩散速率较慢,且涂层与基体的反应不太剧烈,因此MoSi2 相的消耗速率较慢;而相较于400~600℃ 的“ pest” 温度区间而言,Si元素在800℃ 温度下具有足够的迁移速率,能够以较快的速度在涂层表面形成一层致密的SiO2 保护膜,致使涂层在中温区域展现出优良的抗氧化性能。

  • 图6 钼镧合金基MoSi2 涂层800℃ 氧化400 h后的XRD图谱

  • Fig.6 XRD patterns of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates after oxidation at 800℃ for 400 h

  • 图7 钼镧合金基MoSi2 涂层800℃ 氧化400 h后表面及截面形貌

  • Fig.7 Surface and cross-section images of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates after oxidation at 800℃ for 400 h

  • 表2 图7(b)中对应的EDS结果

  • Table2 Corresponding EDS results in Fig.7(b)(a/%)

  • 2.4 500℃恒温氧化性能

  • 纯钼及钼镧合金基MoSi2 涂层500℃下氧化动力学曲线见图8。由图可知,钼镧合金基MoSi2 涂层在氧化前期处于平稳增重阶段,此时涂层氧化速率较低。氧化350 h后,涂层质量开始快速上升,氧化500 h时,涂层依旧保持增重状态,并未出现失重,“Pest”效应未产生;而纯钼基MoSi2 涂层在氧化400 h后开始失重,随后在500 h时产生严重失重而失效[10]。由此可见,La元素的加入显著提升了MoSi2 涂层低温抗氧化性能,有效避免了“Pest”效应的产生。

  • 图8 纯钼[10] 及钼镧合金基MoSi2 涂层500℃ 氧化动力学曲线

  • Fig.8 Oxidation kinetic curves of MoSi2 coatings on Mo [10] and Mo-La alloy substrates at 500℃

  • 钼镧合金基MoSi2 涂层500℃下不同时间段氧化宏观形貌如图9 所示。 300 h时,涂层表面主要为SiO2 氧化膜,白色氧化物MoO3 呈块状弥散分布于表面。随着氧化的进行,表层沉积的挥发性氧化物MoO3 逐渐增多,当氧化时间为500 h后,涂层表面已经完全覆盖了一层MoO3

  • 图9 钼镧合金基MoSi2 涂层500℃氧化宏观形貌

  • Fig.9 Macroscopic photographs of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates at 500℃

  • 钼镧合金基MoSi2 涂层500℃ 下氧化500 h后的表面及截面形貌如图10 所示,表层生成的氧化膜整体较为致密,氧化膜凹凸不平呈现堆叠形态,表面存在少量孔洞缺陷,MoO3 等挥发性氧化物在试样冷却过程中附着于SiO2 膜中。从图10(b)中可以看出,氧化500 h后,钼镧合金基MoSi2 涂层均匀致密,无贯穿式裂纹出现,“Pest” 效应得到有效抑制,说明La元素的添加改善了MoSi2 涂层的低温抗氧化性能。王等[8] 从动力学角度对MoSi2 发生氧化的条件进行了详细分析。 MoSi2 发生氧化的条件与界面氧分压密切相关。要避免Mo、Si的同时氧化,必须满足硅迁移到氧化界面的速率等于或大于界面硅氧化的速率。在高温下,Si元素的迁移速率较快,界面氧分压较低,发生Si的选择性氧化;在低温下,Si元素的扩散速率减慢,界面氧分压升高,发生Mo、Si的同时氧化。因此,纯钼基MoSi2 涂层在500℃ 氧化500 h后产生严重失重而失效。钼镧合金基MoSi2 涂层由于La元素的存在促进了Si元素的扩散,有效抑制了Mo、Si的同时氧化,使其表面形成致密的SiO2 膜,大幅提升了涂层的低温抗氧化性能。朱等[15] 的研究结果表明,La2O3 是以第二相粒子的形式弥散分布在MoSi2 材料中,且大部分位于晶界,少量则分布于晶内,能起到细化晶粒的作用。晶粒细化导致晶界增多。由于元素在晶界处的扩散能力优于晶粒内[20],因此,La元素的加入有益于提升涂层中Si元素的扩散速率,从而使得涂层在低温环境下也能较快地形成致密的SiO2 氧化膜,从而有效阻碍氧气的侵蚀。

  • 图10 钼镧合金基MoSi2 涂层500℃氧化500 h后表面及截面形貌

  • Fig.10 Surface and cross-section images of MoSi2 coatings on Mo-La alloy substrates after oxidation at 500℃ for 500 h

  • 3 结论

  • 采用包渗法在钼镧合金基体上制备MoSi2 涂层,并系统研究其在500、800 和1600℃ 温度下的氧化行为及影响机制,主要结论如下:

  • (1) 钼镧合金基MoSi2 涂层组织结构较为致密,主体物相仍为MoSi2 相。

  • (2) La元素的加入降低了MoSi2 涂层的高温抗氧化性能,提升了涂层的低温抗氧化性能, 而对中温抗氧化性能影响不明显。

  • (3) La元素的加入,促进了Si元素的扩散, 高温条件下加剧了涂层与基体的化学反应,增加了MoSi2 相的消耗速率,使其高温抗氧化性能有所下降;低温条件下,Si元素的扩散速率增加使其可以较快地在表面形成致密的氧化层,有效阻碍了氧气的渗透,避免了“Pest”效应的产生。

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