工业库 文献库 耐高温铱/铼涂层制备技术与性能研究

耐高温铱/铼涂层制备技术与性能研究

登录后即可下载 收藏 作者:朱利安 年份:2014 来源库:博士
摘要

耐高温铱/铼涂层制备技术与性能研究

作者:朱利安 年份:2014 来源库:博士

贵金属铱(Ir)和难熔金属铼(Re)以其独特的物理化学性质,成为航天及军事领域中耐高温(>2000°C)热结构部件极具竞争力的候选材料。本文以第三代液体火箭发动机用Ir/Re和Ir/Re/C/C燃烧室的研制为背景,采用化学气相沉积法(CVD)制备Re涂层,采用熔盐电沉积法(ED)在其上沉积Ir涂层,探讨制备工艺对Ir/Re涂层的组织形貌及均匀性的影响规律,研究Ir/Re涂层的界面结合、互扩散、高温氧化及烧蚀行为,分析Ir/Re涂层在高温服役时的失效机理,在此基础上,初步探索改性Ir提高Ir/Re涂层高温抗氧化性的途径。基于复杂构型燃烧室的制备需求,研究了CVD主要工艺参数对燃烧室芯模表面Re涂层的沉积收率、速率及表面形貌的影响规律。结果表明,Re涂层的沉积收率随沉积温度升高而增加,随氯气流量及总压的升高而减小;芯模表面各部位Re涂层的沉积速率随该部位沉积温度及反应物浓度升高而增加,随该部位气体边界层厚度增加而降低;涂层的表面粗糙度随沉积温度升高而增加,随氯气流量及总压的升高而降低。通过改变线圈形状、沉积室形状和总压使芯模表面各处温度、反应物浓度及气体流速实现合理分布,可以在燃烧室芯模表面获得均匀Re涂层。制备获得的Re涂层由等轴晶形核层和<002>向择优取向的柱状晶生长层构成;厚壁Re涂层密度为理论密度的99.4%,纯度为99.966%,室温抗拉强度和断裂延伸率分别为772 MPa和11.9%。研究了ED Ir涂层用熔盐体系的组成、结构及熔体中Ir离子的稳定性。在优选的熔盐体系中,研究了阴极电流密度、熔盐温度及环境气氛对Ir涂层组织结构的影响。结果发现,NaCl-KCl-CsCl-IrCl3熔盐体系的熔点随CsCl含量的增加而降低,当CsCl含量为60 wt.%时,体系熔点降低至479°C。熔盐熔化时CsCl和IrCl3反应形成Cs2IrCl6和Cs3IrCl6,提高了Ir盐在熔体中的溶解度及稳定性。空气气氛中,阴极电流密度增加时(5~50 mA/cm2),Ir涂层表面粗糙度增加、晶粒尺寸减小、宏观致密性提高而微观致密性降低。熔盐温度升高时(520~640°C),Ir涂层表面粗糙度减小、晶粒尺寸增加、宏观致密性降低而微观致密性提高。Ar气氛下采用相同沉积参数制备的Ir涂层的<111>向择优取向度更高,微观致密性更好。ED Ir涂层和Re基体间界面结合强度大于16 MPa。Ir涂层密度接近理论密度的98%,纯度优于99.976%,室温抗拉强度及断裂延伸率分别为258 MPa和2.3%。采用半无限大扩散模型研究了1800~2200°C间Ir-Re扩散偶中Re向Ir中扩散的行为,计算得到1800°C、2000°C和2200°C时Re在Ir中的扩散系数分别为2.8×10-11 cm2/s、5.6×10-11 cm2/s及9.7×10-11 cm2/s,扩散激活能为132.5 kJ/mol。对Ir/Re在2000°C时的抗氧化行为进行研究后发现,Re沿Ir涂层晶界快速扩散及Ir涂层直接氧化挥发共同导致Ir/Re在高温氧化性环境中的失效。Ir涂层氧化破坏时,其晶界上形成的大量孔洞源于涂层中细小孔洞的迁移和聚集,以及Re沿Ir晶界快速扩散导致局部Re浓度较高而引发的择优氧化现象。对C/C复合材料表面Ir/Re涂层的结合及高温烧蚀行为进行研究后发现,CVD Re涂层不但降低了熔盐在C/C复合材料表面的接触角(128.5°降低至43.4°),而且增强了Ir涂层与C/C复合材料的结合(3.2 MPa增加至7.9 MPa)。然而,熔盐电沉积Ir涂层时熔盐通过Re涂层表面的微裂纹渗入C/C复合材料,导致高温退火后,Ir/Re涂层与C/C复合材料的结合变弱。C/C复合材料表面Ir/Re涂层在高温烧蚀过程中保持完好,但在烧蚀结束后的降温过程中,涂层表面开始出现开裂和鼓泡。烧蚀后Ir涂层表面粗糙度降低,晶粒尺寸增加,晶界出现孔洞,涂层择优取向由<311>转变为<220>。根据Ir/Re涂层在高温下的失效机制,分别从Ir涂层的组织结构改进及成分改性两方面入手,研究脉冲电沉积工艺及固渗工艺对Ir涂层结构及组成的影响,并对结构及成分改进后Ir涂层的抗氧化性进行了研究。结果表明,脉冲电沉积工艺可以改变Ir涂层的柱状生长趋势,获得具有较低表面粗糙度(Ra 1.01±0.09μm)、极高<111>向择优取向、亚层厚度均匀、层间界面清晰的层状Ir涂层。固渗工艺可以实现Ir涂层的渗铝改性,调整固渗温度,可以在Ir涂层表面制备出单层IrAl(600°C)涂层及具有IrAl内层、IrAl2.7(3)外层的双层涂层(700~800°C)。渗铝改性后,Ir涂层的抗氧化性大幅提高,渗铝改性Ir涂层和纯Ir涂层在1850~1900°C分别氧化考核90 min和100 min后,二者的失重分别为0.372 mg/cm2和81.1mg/cm2。渗铝改性Ir涂层氧化后形成了从内到外依次为Ir、Ir+Al2O3及Al2O3的多层结构。