基于Si高溫?cái)U(kuò)散的Mo-W-Si-N系涂層鉬材的研制.pdf

1、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。MoSi2涂層是一種提高鉬電極高溫抗氧化性的有效措施，然而，在使用過程中，MoSi2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MoSi2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

2、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MoSi2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題，通過放電等離子快速燒結(jié)法(SPS)制備了MoSi2-Si3N4/Mo和MoSi2-WSi2-Si3N4/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MoSi2-Si3N4/Mo和Mo

3、Si2-WSi2-Si3N4/Mo擴(kuò)散副中的擴(kuò)散規(guī)律，計(jì)算出Si在MoSi2-Si3N4/Mo和MoSi2-WSi2-Si3N4/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Si3N4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MoSi2-Si3N4和MoSi2-WSi2-Si3N4復(fù)合粉末，用SPS燒結(jié)MoSi2-Si3N4/Mo和MoSi2-WSi2-Si3N4/Mo擴(kuò)散副的合理真空燒

4、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，且無裂紋。
　　運(yùn)用菲克第一定律、拋物線生長定律和物質(zhì)守恒定律研究了在1200-1500℃溫度區(qū)間內(nèi)，不同 Si3N4和 WSi2含量 MoSi2-Si3N4/Mo和 MoSi2-WSi2-Si3N4/Mo擴(kuò)散副中間層 Mo5Si3的生長動(dòng)力學(xué)行為。WSi2的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，MoSi2-WSi

5、2-Si3N4/Mo擴(kuò)散副中間層的生長速率常數(shù)kp值最?。籗i3N4的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%時(shí)，MoSi2-Si3N4/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)MoSi2相退化為富鉬相Mo5Si3；(2)游離的Si與鉬基體反應(yīng)生成Mo5Si3。
　　基于擴(kuò)散理論計(jì)算出1200-1500℃溫度區(qū)間內(nèi)Si在MoSi2-3.5%vol.Si3N4/Mo和MoSi2-5.0%vol.WSi2-3.5%vol.

6、Si3N4/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 cm2/s和5.64exp cm2/s。Si在MoSi2-5.0%vol.WSi2-3.5%vol.Si3N4/Mo擴(kuò)散副中的Q值比在MoSi2-3.5%vol.Si3N4/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WSi2的擴(kuò)散副中更難向鉬

7、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MoSi2材料、MoSi2-3.5%vol.Si3N4復(fù)合材料和MoSi2-5.0%vol.WSi2-3.5%vol.Si3N4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0.017 g/(m2·h)，都表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗氧化性能。MoSi2-5