MoSi2基复合涂层的制备及强韧化机理研究

1. MoSi2基复合涂层的背景和研究意义

1.1 MoSi2基复合涂层的应用背景

1.1.1 MoSi2基复合涂层的性能特点

• MoSi2基复合涂层具有优异的高温抗氧化性、良好的导热导电性能、高熔点和低密度等特性。
• MoSi2基复合涂层能够承受高温环境下的机械应力，适用于航空航天、能源等领域的高温结构材料。
• MoSi2基复合涂层在高温下形成的SiO2保护膜能够有效防止氧化，延长材料的使用寿命。

1.1.2 MoSi2基复合涂层的研究意义

• 提高MoSi2基复合涂层的高温强度和韧性，是实现其在高温结构材料领域广泛应用的关键。
• 通过优化MoSi2基复合涂层的微观结构和成分，可以提高其综合性能，满足高性能燃气轮机等高温结构材料的需求。
• 研究MoSi2基复合涂层的强韧化机理，有助于指导新型高性能涂层材料的研发和应用。

1.2 MoSi2基复合涂层的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

• 国外研究者已经通过不同的方法制备了MoSi2基复合涂层，并对其性能进行了一定程度的探究。
• 国外一些发动机公司已将MoSi2作为高达1600℃工作温度的涡轮发动机的最佳候选材料进行研究。

1.2.2 国内研究现状

• 国内研究者对MoSi2基复合涂层的研究主要集中在制备方法、微观结构和性能方面。
• 国内研究者通过热压烧结技术、机械合金化等方法制备了多种强韧相的MoSi2基复合材料，并研究了强韧相对其性能的影响。

2. MoSi2基复合涂层的制备方法

2.1 核-壳-壳结构设计

2.1.1 核-壳-壳结构的优势

• 核-壳-壳结构能够将不同组元的性能优势进行整合，提高MoSi2基复合涂层的综合性能。
• 核-壳-壳结构能够提高涂层的力学性能、高温抗氧化性和耐磨性，满足高温结构材料的需求。

2.1.2 核-壳-壳结构的制备方法

• 先制备出MoSi2@ZrO2核壳结构复合粉，再球磨制备出WMoNbVTa难熔高熵合金粉。
• 将两者复合制备出核-壳-壳结构MoSi2@ZrO2@WMoNbVTa难熔高熵合金复合涂层原料粉。
• 以金属钼(Mo)作衬底，采用放电等离子烧结(SPS)制备出核-壳-壳结构MoSi2@ZrO2@WMoNbVTa难熔高熵合金复合涂层。

2.2 性能表征方法

2.2.1 维氏硬度(HV)

• 维氏硬度是评价涂层力学性能的重要指标之一。
• 通过维氏硬度测试可以了解涂层的硬度分布和涂层与基体的结合强度。

2.2.2 断裂韧性(Kr)

• 断裂韧性是评价涂层韧性性能的重要指标之一。
• 通过断裂韧性测试可以了解涂层的韧性水平和涂层在高温下的抗断裂能力。

2.2.3 X射线衍射(XRD)

• X射线衍射是分析涂层微观结构和成分的重要手段之一。
• 通过X射线衍射可以了解涂层的相组成和晶体结构。

2.2.4 场发射扫描电子显微镜(SEM)

• 场发射扫描电子显微镜是观察涂层微观形貌和界面结构的重要手段之一。
• 通过场发射扫描电子显微镜可以了解涂层的表面形貌、裂纹和缺陷等微观特征。

2.2.5 电化学腐蚀测试

• 电化学腐蚀测试是评价涂层耐腐蚀性能的重要手段之一。
• 通过电化学腐蚀测试可以了解涂层的耐腐蚀性能和涂层在高温环境下的稳定性。

3. MoSi2基复合涂层的性能研究

3.1 MoSi2基复合涂层的显微组织分析

3.1.1 微观形貌分析

• 通过场发射扫描电子显微镜观察MoSi2基复合涂层的微观形貌。
• 观察到涂层由MoSi2、ZrO2和WMoNbVTa难熔高熵合金等相组成，具有核-壳-壳结构特征。

3.1.2 界面结构分析

• 通过场发射扫描电子显微镜观察MoSi2基复合涂层的界面结构。
• 观察到涂层与衬底之间的界面结合良好，无明显缺陷和裂纹。

3.2 MoSi2基复合涂层的力学性能研究

3.2.1 硬度性能

• 通过维氏硬度测试评价MoSi2基复合涂层的硬度性能。
• 结果显示，WMoNbVTa占比为25%的涂层硬度最大，说明核-壳-壳结构有利于提高涂层的硬度。

3.2.2 断裂韧性性能

• 通过断裂韧性测试评价MoSi2基复合涂层的断裂韧性性能。
• 结果显示，WMoNbVTa占比为20%的涂层断裂韧性最高，说明适量的WMoNbVTa难熔高熵合金能够提高涂层的断裂韧性。

3.3 MoSi2基复合涂层的耐腐蚀性能研究

3.3.1 电化学腐蚀测试方法

• 通过电化学腐蚀测试评价MoSi2基复合涂层的耐腐蚀性能。
• 采用开路电位-时间曲线、电化学阻抗图和极化曲线等方法进行测试。

3.3.2 测试结果分析

• 开路电位-时间曲线显示，MoSi2基复合涂层在测试时间内稳定，无明显变化。
• 电化学阻抗图显示，MoSi2基复合涂层具有较高的电阻值，说明涂层具有良好的耐腐蚀性能。
• 极化曲线显示，MoSi2基复合涂层的腐蚀电流较小，说明涂层具有较高的抗腐蚀能力。

4. 结论与展望

4.1 结论

• 通过核-壳-壳结构设计，制备了MoSi2@ZrO2@WMoNbVTa难熔高熵合金复合涂层。
• 研究了含WMoNbVTa难熔高熵合金不同含量（10%、15%、20%、25%、30%）的MoSi2@ZrO2@WMoNbVTa核-壳-壳复合涂层的硬度、断裂韧性与耐蚀性能。
• 结果显示，WMoNbVTa占比为25%的涂层硬度最大，20%的断裂韧性最高且耐蚀性能好。

4.2 展望

• 未来研究可以进一步优化MoSi2基复合涂层的微观结构和成分，提高其综合性能。
• 可以通过调控WMoNbVTa难熔高熵合金的含量和分布，进一步改善涂层的力学性能和耐腐蚀性能。
• 可以通过深入研究MoSi2基复合涂层的强韧化机理，为新型高性能涂层材料的研发和应用提供理论指导。

参考文献

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