钼及钼合金表面硅化物涂层的制备、改性及抗氧化性能研究进展

来源期刊：材料导报2019年第19期

论文作者：何浩然 许俊强 苗欣 刘奇 薄新维

文章页码：3227 - 3235

关键词：钼;钼合金;硅化物;抗氧化;涂层;灾难性氧化;梯度涂层;增强相;渗氮;渗硼;渗铝;渗钛;渗碳;渗铬;

摘    要：钼及其合金具有优异的高温力学性能和耐蚀性能,以及相比于钨、铌、钽更为便宜的价格,因而在电子器件、发热元件、玻璃纤维加工、测温用保护管以及航空航天等尖端领域拥有较为广泛的运用。但是,钼的抗氧化能力较差,这在很大程度上限制了钼在高温领域的应用。因此,研究和提高钼及其合金的抗氧化性能有着重要意义。硅化物涂层具有高温自愈合能力,能对基材起到良好的保护作用,因此成为钼及其合金基体材料高温防护涂层的研究热点。研究人员对钼及其合金表面硅化物涂层的改性已开展了广泛的探索,如:（1）采用渗氮、渗硼、渗铝等方式引入有益元素,实现单一元素改性;（2）利用多种元素进行复合改性或形成梯度化涂层;（3）引入增强相对涂层进行改性。渗氮改性改变了硅化钼涂层的微观结构,使涂层与基体间的热膨胀系数更为接近。渗硼改性能改善涂层的自愈合能力,形成的T₂（Mo₅SiB₂）合金层能降低硅的内扩散速率。渗铝改性使硅化物涂层在低温氧化时形成Al₂O₃-SiO₂薄膜,有助于防止MoSi₂涂层的低温"pesting"失效。在复合改性与形成梯度化涂层方面,渗碳改性可利用涂层中各元素与基体的反应形成梯度化涂层,改善涂层与基体的热膨胀系数差异并阻碍有益硅向基体扩散。渗铬改性则利用铬元素富集在涂层表层,抑制涂层氧化时硅元素的内扩散和MoO₃的挥发。渗钛改性涂层中,钛元素的合金化作用可形成C11b/C40双相结构,其可以改善涂层的高温延展性,且在氧化时形成的致密Si-Ti-O玻璃层能增强涂层的抗氧化能力。此外,利用含锆增强相（如ZrB₂和ZrSi₂）改性的硅化物涂层在高温氧化下生成高熔点ZrO₂颗粒,从而在涂层表面形成"骨骼"结构,提升涂层的抗氧化性能。而引入晶须增强相后,晶须的拔出桥连与裂纹转向机制能有效提高涂层的强度和韧性,抑制涂层中裂纹的扩展。基于国内外对单一硅化物和改性硅化物涂层的研究结果,可以总结得出,硅化物涂层抗氧化影响因素主要包括低温"pesting"氧化、涂层与基体间的互扩散、涂层与基体间的热膨胀系数差异。本文结合国内外研究近况,综述了钼及钼合金表面单一硅化物涂层与改性硅化物涂层的研究现状,以及影响硅化物涂层抗氧化性能的关键因素,并简要分析了该领域尚待研究和解决的问题。