耐高溫銥-錸涂層制備技術(shù)與性能研究.pdf

1、貴金屬銥（Ir）和難熔金屬錸（Re）以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，成為航天及軍事領(lǐng)域中耐高溫（>2000°C）熱結(jié)構(gòu)部件極具競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料。本文以第三代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用 Ir/Re和 Ir/Re/C/C燃燒室的研制為背景，采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備Re涂層，采用熔鹽電沉積法（ED）在其上沉積Ir涂層，探討制備工藝對(duì)Ir/Re涂層的組織形貌及均勻性的影響規(guī)律，研究Ir/Re涂層的界面結(jié)合、互擴(kuò)散、高溫氧化及燒蝕行為，分析Ir/Re涂層在

2、高溫服役時(shí)的失效機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，初步探索改性Ir提高Ir/Re涂層高溫抗氧化性的途徑。
　　基于復(fù)雜構(gòu)型燃燒室的制備需求，研究了CVD主要工藝參數(shù)對(duì)燃燒室芯模表面 Re涂層的沉積收率、速率及表面形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明，Re涂層的沉積收率隨沉積溫度升高而增加，隨氯氣流量及總壓的升高而減??；芯模表面各部位Re涂層的沉積速率隨該部位沉積溫度及反應(yīng)物濃度升高而增加，隨該部位氣體邊界層厚度增加而降低；涂層的表面粗糙度隨沉積溫度升高而增加

3、，隨氯氣流量及總壓的升高而降低。通過(guò)改變線圈形狀、沉積室形狀和總壓使芯模表面各處溫度、反應(yīng)物濃度及氣體流速實(shí)現(xiàn)合理分布，可以在燃燒室芯模表面獲得均勻Re涂層。制備獲得的Re涂層由等軸晶形核層和<002>向擇優(yōu)取向的柱狀晶生長(zhǎng)層構(gòu)成；厚壁Re涂層密度為理論密度的99.4％，純度為99.966%，室溫抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率分別為772 MPa和11.9%。
　　研究了ED Ir涂層用熔鹽體系的組成、結(jié)構(gòu)及熔體中Ir離子的穩(wěn)定性。在優(yōu)選的

4、熔鹽體系中，研究了陰極電流密度、熔鹽溫度及環(huán)境氣氛對(duì) Ir涂層組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NaCl-KCl-CsCl-IrCl3熔鹽體系的熔點(diǎn)隨CsCl含量的增加而降低，當(dāng)CsCl含量為60 wt.%時(shí)，體系熔點(diǎn)降低至479°C。熔鹽熔化時(shí)CsCl和IrCl3反應(yīng)形成Cs2IrCl6和Cs3IrCl6，提高了Ir鹽在熔體中的溶解度及穩(wěn)定性?？諝鈿夥罩校帢O電流密度增加時(shí)（5~50 mA/cm2），Ir涂層表面粗糙度增加、晶粒尺寸減小、宏觀

5、致密性提高而微觀致密性降低。熔鹽溫度升高時(shí)（520~640°C），Ir涂層表面粗糙度減小、晶粒尺寸增加、宏觀致密性降低而微觀致密性提高。Ar氣氛下采用相同沉積參數(shù)制備的Ir涂層的<111>向擇優(yōu)取向度更高，微觀致密性更好。ED Ir涂層和Re基體間界面結(jié)合強(qiáng)度大于16 MPa。Ir涂層密度接近理論密度的98%，純度優(yōu)于99.976%，室溫抗拉強(qiáng)度及斷裂延伸率分別為258 MPa和2.3%。
　　采用半無(wú)限大擴(kuò)散模型研究了1800~

6、2200°C間Ir-Re擴(kuò)散偶中Re向Ir中擴(kuò)散的行為，計(jì)算得到1800°C、2000°C和2200°C時(shí) Re在 Ir中的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.8×10-11 cm2/s、5.6×10-11 cm2/s及9.7×10-11 cm2/s，擴(kuò)散激活能為132.5 kJ/mol。對(duì)Ir/Re在2000°C時(shí)的抗氧化行為進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，Re沿Ir涂層晶界快速擴(kuò)散及Ir涂層直接氧化揮發(fā)共同導(dǎo)致Ir/Re在高溫氧化性環(huán)境中的失效。Ir涂層氧化破壞時(shí)，

7、其晶界上形成的大量孔洞源于涂層中細(xì)小孔洞的遷移和聚集，以及Re沿Ir晶界快速擴(kuò)散導(dǎo)致局部Re濃度較高而引發(fā)的擇優(yōu)氧化現(xiàn)象。
　　對(duì)C/C復(fù)合材料表面Ir/Re涂層的結(jié)合及高溫?zé)g行為進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，CVD Re涂層不但降低了熔鹽在C/C復(fù)合材料表面的接觸角（128.5°降低至43.4°），而且增強(qiáng)了Ir涂層與C/C復(fù)合材料的結(jié)合（3.2 MPa增加至7.9 MPa）。然而，熔鹽電沉積Ir涂層時(shí)熔鹽通過(guò)Re涂層表面的微裂紋滲入C/C

8、復(fù)合材料，導(dǎo)致高溫退火后，Ir/Re涂層與C/C復(fù)合材料的結(jié)合變?nèi)?。C/C復(fù)合材料表面Ir/Re涂層在高溫?zé)g過(guò)程中保持完好，但在燒蝕結(jié)束后的降溫過(guò)程中，涂層表面開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂和鼓泡。燒蝕后 Ir涂層表面粗糙度降低，晶粒尺寸增加，晶界出現(xiàn)孔洞，涂層擇優(yōu)取向由<311>轉(zhuǎn)變?yōu)?220>。
　　根據(jù)Ir/Re涂層在高溫下的失效機(jī)制，分別從Ir涂層的組織結(jié)構(gòu)改進(jìn)及成分改性兩方面入手，研究脈沖電沉積工藝及固滲工藝對(duì) Ir涂層結(jié)構(gòu)及組成的影響

9、，并對(duì)結(jié)構(gòu)及成分改進(jìn)后 Ir涂層的抗氧化性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，脈沖電沉積工藝可以改變Ir涂層的柱狀生長(zhǎng)趨勢(shì)，獲得具有較低表面粗糙度（Ra1.01±0.09μm）、極高<111>向擇優(yōu)取向、亞層厚度均勻、層間界面清晰的層狀I(lǐng)r涂層。固滲工藝可以實(shí)現(xiàn) Ir涂層的滲鋁改性，調(diào)整固滲溫度，可以在 Ir涂層表面制備出單層 IrAl（600°C）涂層及具有IrAl內(nèi)層、IrAl2.7(3)外層的雙層涂層（700~800°C）。滲鋁改性后，Ir涂層