等离子喷涂ZrB_2SiC涂层微结构控制与抗烧蚀性能表征Microstructure control and ablation resistance characterization of plasma sprayed ZrB_2SiC coatings.pdf

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1、等离子喷涂ZrB2/SiC涂层微结构控制与抗烧蚀性能表征柳彦博2015年1月中图分类号：UDC分类号：等离子喷涂ZrB2/SiC涂层微结构控制与抗烧蚀性能表征作者姓名柳彦博学院名称材料学院指导教师李树奎教授答辩委员会主席刘颖教授申请学位工学博士学科专业材料加工工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月Themicrostructurecontrollingandanti-ablationcharacterizationofZrB2/SiCcoatingdepositedbyAPSCandidateName

2、：YanboLiuSchoolorDepartment:MaterialScienceandEngineeringFacultyMentor:Prof.ShukuiLiChair,ThesisCommittee：Prof.YingLiuDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：MaterialScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重

3、声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要本文针对APS在C/C基体表面制备ZrB2/SiC复合陶瓷涂层的工艺及抗氧化烧蚀性能开展了研究工作。利用IPS对ZrB2/SiC团聚粉体进行了烧结

4、致密化处理，获得了适用于APS工艺的粉末原料，研究了ZrB2/SiC团聚粉体在IPS工艺中的致密化机理及控制方式；在等离子射流场特征形成原理的基础上对等离子射流场加以控制，以满足ZrB2/SiC粉末对等离子射流场的要求，得到了具有一定致密度和结合强度的涂层，并研究了射流场状态对涂层性能的影响；评价了ZrB2/SiC涂层在不同燃流条件下的抗氧化烧蚀性能，揭示了ZrB2/SiC涂层在氧化烧蚀环境中的演化机制，并探讨了涂层的失效机理。ZrB2/SiC粉末在IPS处理过程中，由于温度的升高使得ZrB2颗粒与SiC颗粒发生共熔

5、，产生的熔液对缺陷进行填充，并对颗粒组织进行包裹，之后熔液在极短的时间内冷却至室温，呈现快速熔凝组织存在颗粒组织之间，该组织在改变颗粒间联接方式的同时，对粉末中的缺陷进行了封填，使得粉末获得较高的致密度并提高了自身强度。使其在APS工艺过程中输送稳定性提高、不易破碎，能够得到完整的变形颗粒。在IPS处理过程中能够获影响粉末烧结率的因素包括设备参数、团聚粉体粒度大小。针对Z3S1团聚粉体优化得到的IPS工艺参数为：团聚粉体粒度在5～70μm；H2流量6slpm、Ar流量65slpm、处理室压力12Psig、送粉器转速4

6、rpm，所得粉末烧结率为71.3%。基于等离子喷枪中等离子射流的压缩原理设计了等离子射流场控制装置，通过延长等离子射流的压缩过程可以减缓等离子射流的能量耗散，扩大对粉末加热、加速的有效范围。采用等离子射流场控制装置后，等离子射流的温度与速度比APS条件下有显著提高，粉末颗粒通过等离子射流场后温度与速度上升，熔融充分，所得涂层的致密度与结合强度明显改善。通过正交试验设计后得到PFC-APS的优化参数为：喷涂距离65mm、电流950A、Ar流量90SCFH、He流量55SCFH，保护气压0.5MPa；得到Z3S1涂层的孔

7、隙率为8.76%，结合强度为13.12MPa。采用氧-乙炔燃流（OAF）和超音速燃流（SCF）对ZrB2/SiC涂层的抗氧化烧蚀性能进行了考核。结果表明，ZrB2/SiC涂层的制备使得C/C在OAF与SCF考核条件下的抗氧化烧蚀性能显著提高，不仅能够耐受更高的烧蚀温度，烧蚀寿命也大幅延长；其中含SiC25%的ZrB2/SiC涂层可以承受OAF50mm处氧化烧蚀达600s，在SCF150mm处抗氧化烧蚀时间达180s。在不同燃流的氧化烧I北京理工大学博士学位论文蚀条件下，ZrB2/SiC对氧化烧蚀环境响应方式基本一致，

8、分别包括：SiC被动氧化过程、SiC主动氧化过程以及SiO2汽化损耗过程。SiC被动氧化过程发生在涂层的表面，生成的SiO2可以对涂层表层的缺陷进行封填，阻碍O2的进一步渗入；而SiC的主动氧化则会引起涂层内部Si原子向表层富集，生成SiO2膜层；SiO2的汽化损耗则会使涂层表面缺少对孔隙的封填，造成其快速失效。关键词：C/C；ZrB2/SiC