玻璃陶瓷复合涂层的原位制备方法及高温腐蚀行为

water2000

玻璃陶瓷（glass-ceramic）材料由于其较好的耐高温能力、化学稳定性以及可调的热膨胀系数，可作为高温金属材料的抗高温氧化涂层。传统的玻璃陶瓷涂层为促进玻璃相中晶体的析出和生长，需精确配制玻璃的化学成分以及采用合适的烧制或热处理工艺。水玻璃（玻璃胶体溶液）是硅酸盐胶体水溶液，可高温转化成硅酸盐玻璃。向其内部添加耐高温陶瓷或者高温粘土，如氧化铝、石英、碳化硅、高岭土等，可制备具备抗氧化效果的陶瓷相增强的玻璃基复合涂层。本论文使用硅酸钾水玻璃为玻璃陶瓷复合涂层的玻璃相原料，直接添加陶瓷颗粒相，采用喷涂-烧制的方法制备一层玻璃陶瓷复合涂层。研究了该涂层的高温氧化行为、热腐蚀行为、与合金的高温界面反应行为以及涂层中颗粒相的替代性。主要取得以下成果： 向硅酸钾水玻璃中添加刚玉颗粒制备的刚玉-玻璃涂层为多孔涂层。这主要是由于刚玉与玻璃在涂层烧制温度（900°C）发生高温反应，生成白榴石（KAlSi2O6），消耗了涂层中的玻璃相，导致涂层中的气泡在烧制过程中不能通过残余玻璃相的高温粘性流动排出。向硅酸钾水玻璃中添加石英颗粒制备的石英-玻璃复合涂层烧制后存在裂纹。这与石英-玻璃复合涂层与Ti-47Al-2Cr-2Nb合金热膨胀系数不匹配有关。采用刚玉颗粒替代石英-玻璃复合涂层中四分之一的石英颗粒，可制备烧制性能良好，与Ti-47Al-2Cr-2Nb合金热膨胀系数匹配的石英-刚玉-玻璃复合涂层。 石英-刚玉-玻璃复合涂层可显著降低Ti-47Al-2Cr-2Nb合金在800°C和900°C的氧化速率，这主要是因为氧在涂层中扩散速率较低，涂层可阻挡空气中的氧向涂层/合金界面扩散。此外石英-刚玉-玻璃复合涂层在Ti-47Al-2Cr-2Nb合金上展现了良好的抗循环氧化性能。石英-刚玉-玻璃复合涂层与Ti-47Al-2Cr-2Nb合金在氧化过程中发生了明显的高温界面反应。在界面形成了Al2O3/Ti5Si3/Al2O3/Z-相 (Ti5Al3O2)的层状结构。由石英-刚玉-玻璃复合涂层和界面生长的连续Al2O3膜构成的复合结构可更好地阻挡氧向涂层/合金界面的扩散，降低氧化速率。涂层中的刚玉和石英颗粒在氧化过程中都会向玻璃相中溶解，主要以小颗粒为主。石英颗粒在玻璃相中的氧化钾的诱导下在900°C会发生相变转变成方石英。 石英-刚玉-玻璃复合涂层可有效地提高Ti-47Al-2Cr-2Nb合金在75wt.% Na2SO4 + 25wt.% NaCl混合熔盐环境中的抗热腐蚀性能。Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的腐蚀产物表层为Na2Al2Ti6O16和Na2Ti6O13，内层为由TiO2和Al2O3构成的层状氧化膜，以TiO2为主。氧化膜下方为硫化物。石英-刚玉-玻璃复合涂层能够有效地阻挡熔盐中的硫和氯向涂层/合金界面的扩散，并在涂层/合金界面处生长一层Al2O3膜。随着温度从850°C升高到900°C，熔融盐中的硫可扩散通过石英-刚玉-玻璃涂层到达合金/涂层界面，在界面形成硫化物，不利于涂层的长期抗热腐蚀性能。 石英-刚玉-玻璃复合涂层在Ti-6Al-4V合金基体上可降低合金的氧化速率。由于氧的溶解在Ti-6Al-4V合金基体的氧化膜下方形成了硬化层，但石英-刚玉-玻璃复合涂层可抑制空气中氧向Ti-6Al-4V合金内部的溶解，从而抑制该硬化层的形成。石英-刚玉-玻璃复合涂层与Ti-6Al-4V合金在800°C和900°C发生了明显的高温界面反应，生成了Ti5Si3/Ti3Al的双层结构。Ti5Si3层中弥散分布着氧化铝和氧化钛的混合氧化物。在900°C氧化过程中还在Ti5Si3层上方生长了一层厚度小于0.5μm 的Al2O3膜。 采用高岭土颗粒可有效替代石英-刚玉-玻璃复合涂层中的刚玉颗粒，制备出一种具备较好抗高温氧化性能的石英-高岭土-玻璃复合涂层。颗粒的替换并不会影响涂层与合金的界面反应。采用SiC颗粒也可替换石英-刚玉-玻璃复合涂层中的石英颗粒，制备出碳化硅-刚玉-玻璃复合涂层，该涂层在Ti-47Al-2Cr-2Nb合金上展现了较好的抗高温氧化性能。涂层中的SiC颗粒在氧化过程中会逐步氧化成二氧化硅并且溶解到涂层中的玻璃相中。