【摘 要】
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作为过渡族金属硼化物陶瓷的一员,硼化铌（Nb B2）具有高强度、高硬度和良好的高温抗氧化性广泛应用于航空航天、军事和冶金等领域。另外,其也被认为是一种很有前途的涂层材料,用于飞行器鼻锥、航空发动机的喉衬、喷管位置以及耐磨损部件。然而由于Nb B2自身的强共价键和低扩散系数导致难以制备致密的Nb B2复合涂层。为实现Nb B2复合涂层致密化,将Nb-B4C和Nb2O5-B4C-Al反应体系引入等离子
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.52072110）； 河北省自然科学基金（No.E2018202034）；
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作为过渡族金属硼化物陶瓷的一员,硼化铌（Nb B2）具有高强度、高硬度和良好的高温抗氧化性广泛应用于航空航天、军事和冶金等领域。另外,其也被认为是一种很有前途的涂层材料,用于飞行器鼻锥、航空发动机的喉衬、喷管位置以及耐磨损部件。然而由于Nb B2自身的强共价键和低扩散系数导致难以制备致密的Nb B2复合涂层。为实现Nb B2复合涂层致密化,将Nb-B4C和Nb2O5-B4C-Al反应体系引入等离子喷涂中原位制备具有超细显微组织的Nb B2复合涂层,并与Nb B2-Nb C和Nb B2-Nb C-Al2O3非原位体系进行对比研究。对比分析了四种Nb B2复合涂层的显微组织结构,揭示了采用原位反应方法制备Nb B2涂层的致密化机理,对等离子喷涂Nb2O5-B4C-Al体系反应合成的Nb B2-Nb C-Al2O3涂层进行了详细的透射表征。测试与分析了四种Nb B2复合涂层的性能,包括硬度、断裂韧性以及抗氧化性,并讨论了Nb B2复合涂层的强韧化机制以及高温氧化机理。采用等离子喷涂结合Nb-B4C和Nb2O5-B4C-Al原位反应成功制备了Nb B2复合涂层,涂层孔隙率分别为2.70%和1.75%,远低于采用直接喷涂制备的Nb B2-Nb C（18.12%）和Nb B2-Nb C-Al2O3（8.69%）两种涂层,实现了Nb B2复合涂层的致密化。本研究中设计的低熔点反应体系具有高的热效应和绝热温度,对实现涂层致密化起了主要作用。采用等离子喷涂原位反应制备的Nb B2复合涂层熔化状态良好,组织均匀致密,涂层内部存在大量细小的纳米晶颗粒。通过TEM表征,与Nb-B4C涂层相比Nb2O5-B4C-Al体系涂层内包含更多更细的纳米晶,各个物相之间存在明显界面,但也观察到了由于元素扩散形成的过渡层。四种NbB2复合涂层性能研究结果表明采用原位反应制备的涂层比采用非原位方法制备的涂层表现出了更高的硬度、断裂韧性和抗氧化性（1000°C静态空气中）。其中Nb-B4C体系涂层具有最高的显微硬度(1598.1 HV0.1);Nb2O5-B4C-Al体系涂层表现出了最高的断裂韧性(3.39 MPa·m1/2),最佳的抗氧化性,上述性能显著提高的主要原因在于涂层致密性的改善。利用等离子喷涂原位反应制备的Nb-B4C和Nb2O5-B4C-Al涂层的强韧化机制主要为细晶强韧化。在1000°C静态空气中,Nb2O5-B4C-Al涂层具有最佳的抗氧化性,这主要归因于其高的致密度,此外致密Al Nb O4氧化皮的形成、充足的硼源以及致密Al2O3也起到了一定作用。
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