發(fā)布時(shí)間：2017-11-11 15:20

  本文關(guān)鍵詞：基于Si高溫?cái)U(kuò)散的Mo-W-Si-N系涂層鉬材的研制

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【摘要】：金屬鉬因高熔點(diǎn)、高的高溫強(qiáng)度、良好的耐熱和耐磨性、高的導(dǎo)電導(dǎo)熱率和良好的耐蝕性等性能,常作為汽車玻璃生產(chǎn)的熔融電極。但鉬電極在高溫氧化環(huán)境下易生成揮發(fā)性的氧化物,導(dǎo)致鉬的脆化和結(jié)構(gòu)失效,嚴(yán)重影響了鉬電極的使用壽命。MoSi_2涂層是一種提高鉬電極高溫抗氧化性的有效措施,然而,在使用過(guò)程中,MoSi_2涂層與鉬基體會(huì)發(fā)生Si的擴(kuò)散,降低了涂層鉬電極的高溫服役效果。因此,研究鉬基體與MoSi_2涂層間Si的擴(kuò)散規(guī)律,探尋阻礙Si向鉬基體擴(kuò)散的有效方法,對(duì)于促進(jìn)涂層鉬電極的應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本研究針對(duì)鉬基MoSi_2涂層在高溫下,Si元素向鉬基體擴(kuò)散而導(dǎo)致涂層壽命降低的問(wèn)題,通過(guò)放電等離子快速燒結(jié)法(SPS)制備了MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副,在高溫管式爐對(duì)擴(kuò)散副進(jìn)行等溫時(shí)效擴(kuò)散實(shí)驗(yàn),利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)等技術(shù),探討了Si在MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中的擴(kuò)散規(guī)律,計(jì)算出Si在MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能,分析了復(fù)合涂層中Si_3N_4相及W元素對(duì)Si擴(kuò)散的阻礙作用,得出如下研究結(jié)果:球磨3h獲得混合均勻的MoSi_2-Si_3N_4和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4復(fù)合粉末,用SPS燒結(jié)MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副的合理真空燒結(jié)工藝為升溫速率60℃/min,1550℃保溫10min,燒結(jié)壓力25MPa,此燒結(jié)工藝制得的擴(kuò)散副致密度范圍在93~95%之間,且無(wú)裂紋。運(yùn)用菲克第一定律、拋物線生長(zhǎng)定律和物質(zhì)守恒定律研究了在1200-1500℃溫度區(qū)間內(nèi),不同Si_3N_4和WSi_2含量MoSi_2-Si_3N_4/Mo和MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中間層Mo5Si3的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)行為。WSi_2的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí),MoSi_2-WSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中間層的生長(zhǎng)速率常數(shù)kp值最小;Si_3N_4的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%時(shí),MoSi_2-Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中間層的kp值最小。中間層Mo5Si3的形成機(jī)制有兩種:(1)MoSi_2相退化為富鉬相Mo5Si3;(2)游離的Si與鉬基體反應(yīng)生成Mo5Si3�；跀U(kuò)散理論計(jì)算出1200-1500℃溫度區(qū)間內(nèi)Si在MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo和MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中的擴(kuò)散激活能Q和擴(kuò)散系數(shù)D,其擴(kuò)散激活能分別為278±19 kJ/mol和316±23 kJ/mol,擴(kuò)散系數(shù)可分別表達(dá)為1.28exp[(-278±19)/RT]cm2/s和5.64exp[(-316±23)/RT]cm2/s。Si在MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中的Q值比在MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4/Mo擴(kuò)散副中的Q值大38kJ/mol,且相同溫度下D值更小,表明Si在添加有WSi_2的擴(kuò)散副中更難向鉬基體擴(kuò)散,W元素對(duì)鉬基硅化物涂層中Si的擴(kuò)散起到了阻礙作用。對(duì)比了純MoSi_2材料、MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4復(fù)合材料和MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4復(fù)合材料在1450℃大氣環(huán)境下的高溫抗氧化性能,三種材料在此環(huán)境氧化384h后的氧化速率K分別為0.065 g/(m2·h)、0.025 g/(m2·h)和0.017g/(m2·h),都表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗氧化性能。MoSi_2-5.0%vol.WSi_2-3.5%vol.Si_3N_4復(fù)合材料的高溫抗氧化性能最優(yōu)異,其次是MoSi_2-3.5%vol.Si_3N_4復(fù)合材料,二者的高溫抗氧化性能均優(yōu)于純MoSi_2材料,表明Si_3N_4和WSi_2相的引入有助于提高M(jìn)oSi_2基復(fù)合材料的高溫抗氧化性能,且W元素的引入能達(dá)到更好的效果。
【學(xué)位授予單位】：廈門理工學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U465.9

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本文編號(hào)：1171949