西北工大付前刚教授：多主元高熵超高温陶瓷改性热防护涂层2022-12-29 19:23:19 来源: 材料学网
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西北工业大学陶瓷顶刊：原位硼/碳热还原法结合气相反应熔渗法制备极端环境用碳基复合材料多主元高熵超高温陶瓷改性热防护涂层
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222001407?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222020144
导读：高性能航空发动机的热端部件需满足长寿命、宽温域抗氧化、抗冲刷和抗疲劳振动等性能要求；而高超声速航天飞行器的热防护系统在服役过程中则需要承受严重的烧蚀、高速气流强冲刷和大梯度热冲击等。以石墨、碳/碳（C/C）复合材料为代表的碳基复合材料高温氧化敏感性高、抗烧蚀能力不足，严重制约其作为热结构材料的应用。涂层技术是提高C/C复合材料抗氧化/烧蚀性能的有效手段。目前研究较为广泛的SiC涂层，因氧化后形成的SiO2氧化层在温度高于1773 K时易挥发，高温长时间使用时会在氧化层中形成孔洞，从而导致涂层失效，应用严重受限。引入超高温陶瓷可有效改善SiC基陶瓷涂层的抗氧化/烧蚀性能。
超高温陶瓷（UHTCs）改性SiC基涂层的组成、制备方法、微观结构及热防护应用示意图[ D. Ni, Y. Cheng, J. Zhang, et al. Advances in ultra-high-temperature ceramics, composites, and coatings[J]. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(1): 1-56.]
超高温陶瓷良好的抗氧化性能主要归因于氧化后形成的具有良好热稳定性以及低氧渗透率的氧化物防护层。多组元尤其是高熵陶瓷因其氧化后可生成多种氧化物，不同氧化物表现出不同的特征，相比单组元超高温陶瓷表现出更好的氧化防护性能。多组元及高熵陶瓷改性涂层在面向极端高温环境使役材料热防护方面具有极大的应用前景。Cheng和Xie等研究了九种过渡金属的超高温陶瓷氧化物（TMxOy，TM=Ti、Cr、Mo、Zr、Nb、Hf、W、V、Ta）对SiO2玻璃在1973 K下稳定性的影响。结果发现，V2O5、MoO3、WO3、Nb2O5和Ta2O5对SiO2的挥发影响较小；Cr2O3可促进SiO2结晶，进而抑制SiO2挥发；ZrO2、TiO2和HfO2有利于缓解SiO2玻璃的挥发，因为Ti、Zr和Hf在高温条件中会扩散进入SiO2晶格中，提高Si-O键强度，进而降低SiO2的挥发量。
基于上述研究背景，西北工业大学陕西省纤维增强轻质复合材料重点实验室付前刚教授团队首先利用硼/碳热还原反应法在不同温度下制备高熵(Hf0.25Zr0.25Ti0.25Cr0.25)B2（记为HZTCB2）陶瓷，并结合热力学计算，研究HZTCB2陶瓷的合成可能性及其形成机制。然后，通过组分调控，采用浆料涂覆结合气相渗硅法在C/C复合材料表面原位反应制备HZTCB2改性SiC-Si（记为SiC-HZTCB2-Si）涂层，考察SiC-HZTCB2-Si涂层在1973 K以上的超高温抗氧化性能。依据热力学计算结果，深入阐释相应的氧化和烧蚀机理。通过引入HZTCB2陶瓷，利用HZTCB2陶瓷改性涂层能够在氧化过程中形成足量具有低氧扩散、渗透率且稳定的多组元复合氧化物的特点，可显著改善传统的超高温陶瓷改性SiC涂层在高温环境下稳定性差、抗氧化/烧蚀性能不足等问题，进而实现涂层在更高温度极端复杂环境下的服役要求。
相关研究结果分别以“Multicomponent (Hf0.25Zr0.25Ti0.25Cr0.25)B2 ceramic modified SiC–Si composite coatings: In-situ synthesis and high-temperature oxidation behavior”与“High-entropy (Hf0.25Zr0.25Ti0.25Cr0.25)B2 ceramic incorporated SiC-Si composite coating to protect C/C composites against ablation above 2400 K ”发表在陶瓷领域顶刊《Ceramics International》上。
论文链接1：
Pei Zhang, Chunyu Cheng*, Bing Liu, Wei Xie, Xiaofei Zhu, Jiaping Zhang, Qiangang Fu*. Multicomponent (Hf0.25Zr0.25Ti0.25Cr0.25)B2 ceramic modified SiC–Si composite coatings: In-situ synthesis and high-temperature oxidation behavior. Ceramics International, 2022, 48(9): 12608-12624.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222001407?via%3Dihub
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论文链接2：
Pei Zhang, Chunyu Cheng, Min Xu, Bing Liu, Xiaofei Zhu, Qiangang Fu*. High-entropy (Hf0.25Zr0.25Ti0.25Cr0.25)B2 ceramic incorporated SiC-Si composite coating to protect C/C composites against ablation above 2400 K. Ceramics International, 2022, 48(18): 27106-27119.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222020144
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核心图文解析：
图1 高熵陶瓷与涂层的制备流程图：(a) 原位硼/碳热还原制备HZTCB2陶瓷，(b) 浆料涂覆结合气相渗硅制备SiC-HZTCB2-Si涂层
图2 氧化试验示意图
图3 氧-乙炔烧蚀测试设备装置示意图
图4 标准反应吉布斯自由能变 (ΔG)随温度变化关系
图5 B4C与石墨以及TiO2、HfO2、ZrO2和Cr2O3氧化物之间硼/碳热还原反应过程相关二硼化物平衡态摩尔量随温度变化关系
图6 2173 K和2373 K无压烧结HZTCB2陶瓷的XRD谱图
图7 2173 K无压烧结HZTCB2陶瓷的XRD精修（Rietveld）结果
图8 HZTCB2晶粒典型透射电镜 (TEM) 结果：(a) 明视场TEM (BF-TEM) 和 (b) 高分辨率TEM (HR-TEM) 照片，(c) 为 (a) 中框定区的选区电子衍射 (SAED)，(d) 为高角度环形暗场TEM (HAADF-TEM) 照片，(e~i) 为TEM-EDS面扫结果
图9 SC-(HZTC-BC-G)-PRC预涂层表面XRD谱图
图10 SC-(HZTC-BC-G)-PRC预涂层的微观结构
(a) 表面和 (b) 横截面BSE照片，(c) 为 (b) 中A区的放大照片
图11 SiC-HZTCB2-Si涂层典型XRD谱图
图12 SiC-HZTCB2-Si涂层的微观结构：（a）表面和（b）截面BSE照片，以及对应的EDS元素分布分析
图13 SiC-HZTCB2-Si（本工作）和SiC-HfB2-Si（前一工作（Pei Zhang, Qiangang Fu*, Chunyu Cheng, Jia Sun, Jiaping Zhang, Min Xu, Xiaofei Zhu. Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high-temperatures. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(13): 6223-6237））复合涂层在1973 K氧化过程中平均氧化失重与氧化时间关系曲线（其中，A到C表示SiC-HZTCB2-Si涂层的三个氧化阶段）
图14 本工作和前一工作（Pei Zhang, Qiangang Fu*, Chunyu Cheng, Jia Sun, Jiaping Zhang, Min Xu, Xiaofei Zhu. Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high-temperatures. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(13): 6223-6237），以及已报道相关超高温陶瓷改性SiC基涂层抗氧化性能比对比（后面括号中标明了其对应的制备方法），其中 (1~4) 为不同的WSi2含量的WSi2-HfB2-SiC/SiC 涂层 (PC/PC) [32]，(5) 为HfB2-MoSi2 /SiC-Si 涂层 (SP/PC)[33]，(6) 为MoSi2-SiC/MoSi2涂层 (PC/SP)[34]，(7) 为前一工作（Pei Zhang, Qiangang Fu*, Chunyu Cheng, Jia Sun, Jiaping Zhang, Min Xu, Xiaofei Zhu. Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high-temperatures. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(13): 6223-6237）中SiC-HfB2-Si涂层 (SP-GSI)[35]
图15 SiC-HZTCB2-Si涂层在1973 K下氧化205 h后的典型XRD谱图
图16 SiC-HZTCB2-Si涂层在静态空气中1973 K下氧化205 h后表面微观结构和物相元素分布：(a, b) BSE与SE照片，(c) EDS谱图
图17 SiC-HZTCB2-Si涂层在1973 K静态空气中氧化205 h后横截面微观结构和物相元素分布：(a, b) BSE与SE照片，(c) 为 (a) 中框选区的放大和EDS谱图
图18 SiC-HZTCB2-Si涂层试样的抗烧蚀性能：(a) 蚀过程中表面温度随时间变化关系图（插图表示烧蚀过程录像截图），以及 (b) 烧蚀前和 (c) 烧蚀后涂层试样表面宏观照片
图19 SiC-HZTCB2-Si涂层的烧蚀率，以及与前一工作（Pei Zhang, Qiangang Fu*, Chunyu Cheng, Jia Sun, Jiaping Zhang, Min Xu, Xiaofei Zhu. Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high-temperatures. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(13): 6223-6237）及文献中报道的相关单组元或固溶体相超高温陶瓷二硼化物(TMB2，TM=Hf、Zr、Ti或/和Cr）改性SiC基复合涂层烧蚀性能对比： (1) [35], (2, 3) [37], (4, 5) [38], (6) [39], (7) [40], (8) [41], (9, 10) [42], (11) [42], (12) [43], (13) [44], (14) [45], (15 ,16) [46], (17) [47]与 (18) 本工作，图中缩写：浆料涂覆（SP），气相渗硅（GSI），超音速大气等离子喷涂（SAPS），包埋熔渗（PC），浸渍碳化辅助包埋熔渗（DPC），原位烧结反应（ISSR），大气等离子喷涂（HPPS），感应等离子喷涂（ISP），浆料烧结（SS），不适用（N.A）
图20 烧蚀后SiC-HZTCB2-Si涂层表面XRD谱图
图21 文献中关于高温氧化物及其与SiO2体系相图
图22 SiC-HZTCB2-Si涂层试样烧蚀后表面BSE与SE照片：(a，b) 边缘区，(c，d) 过渡区和 (e，f) 中心区
图23 SiC-HZTCB2-Si涂层试样烧蚀后截面微观形貌：(a) BSE和 (b) SE烧蚀分区照片, (c，d) 边缘区, (f，g) 过渡区和 (i，j) 中心区BSE和SE照片，以及对应的 (e, h, k) EDS谱图
图24 过渡金属 (TMs)-O、B-O、Si-O和C-O体系的埃林厄姆图（数据来源于FactSage软件网络版 (https://www.crct.polymtl.ca/factweb.php))
图25 SiC-HZTCB2-Si涂层1973 K氧化过程示意图：(a) 氧化测试前,（a→d）氧化测试期间和 (d) 氧化测试之后
图26 多组分陶瓷的氧化保护效果示意图
图27 SiC-HZTCB2-Si涂层烧蚀过程示意图: 烧蚀测试 (a) 之前,（b）期间和 (c) 之后