纯钼表面微弧氧化法制备抗氧化陶瓷涂层研究

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钼金属因其熔点高、硬度大、热膨胀系数低等优势被广泛应用于制作高温结构部件,但钼易氧化的缺点严重限制了其在工业生产的应用。研究发现,通过在钼基体表面制备硅化物、氧化物、难熔金属和铝化物等涂层可显著增强其在高温氧化性气氛中的服役性能。目前,在钼及钼合金表面制备涂层的主要工艺有包埋法、喷涂法、化学气相沉积法及料浆烧结法等,但这些工艺普遍存在工件适应性较差、涂层制备效率低下、设备成本高昂、工艺复杂等问题,难以实现涂层工业化制备。微弧氧化法是一种近年来发展成熟的新型涂层制备工艺,具有操作简单、成膜速率快等特点,广泛应用于阀金属表面涂层制备,但目前鲜有通过微弧氧化法制备钼金属表面抗氧化涂层的报道。由于钼不是阀金属,进行微弧氧化处理时工件表面难以起弧,通过前处理工艺在钼表面制备阀金属涂层有望解决这一问题。基于上述分析,本文首先通过在钼表面热浸镀铝以形成阀金属镀铝涂层,研究了热浸镀活化剂、热浸镀温度和热浸镀时间对镀铝涂层组织结构和微观形貌的影响,分析了镀铝涂层的形成机制。随后在镀铝后的钼基体表面通过微弧氧化工艺制备抗氧化陶瓷涂层,研究了微弧氧化时间、脉冲频率、占空比和Y(NO3)3添加剂对陶瓷涂层组织结构和微观形貌的影响规律。最后通过循环氧化试验对比研究了镀铝涂层、陶瓷涂层和Y改性陶瓷涂层的抗氧化性能,探究了涂层的抗氧化作用机理。主要研究成果如下:(1)在活化剂成分为80 g/L K2Zr F6+6 g/L NH4Cl,热浸镀温度为750℃和热浸镀时间为15 min的最佳工艺条件下,可制备出光滑平整、厚度均匀、结合良好的镀铝涂层。镀铝涂层形成过程为:熔融铝液充分润湿钼表面原子形成扩散偶,通过Al、Mo原子互扩散反应生成Al12Mo及Al5Mo合金扩散层,高温下熔融铝液通过黏附作用在试样上得以保留,冷却后形成Al-Al12Mo-Al5Mo镀铝涂层结构。(2)镀铝涂层试样经微弧氧化后表面形成以Al2O3为主要成分的陶瓷涂层,在氧化时间为20 min,脉冲频率为300 Hz,占空比为30%的最佳工艺条件下,Al2O3层厚度最大达到5.67μm。陶瓷涂层表面光滑整洁,微孔分布均匀细密,未产生烧蚀等缺陷。在基础电解液中添加0.2 g/L的Y(NO3)3可对陶瓷涂层中的微孔和裂纹起到良好的封闭及愈合作用,从而改善陶瓷涂层表面微观形貌。(3)镀铝涂层、陶瓷涂层和Y改性陶瓷涂层对钼基体具有不同程度的抗氧化防护效果。600℃下循环氧化128 h后,涂层试样增重量分别为3.12 mg·cm-2、1.76 mg·cm-2和1.36 mg·cm-2;氧化速率常数6)分别为2.72×10-2 mg~2·cm-4·h-1、1.68×10-2 mg~2·cm-4·h-1和1.08×10-2 mg~2·cm-4·h-1。涂层的抗氧化防护性能差异源于其对O原子扩散阻隔能力不同,镀铝涂层原生Al2O3膜层厚度较低,其抑制O扩散能力较弱;陶瓷涂层中Al2O3层厚度远大于前者,因而具有更优异的抗氧化防护性能;Y改性陶瓷涂层表面微孔和裂纹得到一定程度修复,O扩散通路被抑制,抗氧化性能进一步提高。
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