《熱浸滲矽製備W基W-WSi2功能梯度材料及其性能表征》是依託重慶大學，由張穎異擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：熱浸滲矽製備W基W-WSi2功能梯度材料及其性能表征
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張穎異
- 依託單位：重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
金屬鎢和WSi2陶瓷作為超高溫結構材料在航空航天領域引起了廣泛關注。然而，金屬鎢的氧化失效、WSi2陶瓷的難切削加工以及兩者間的熱膨脹不匹配問題限制了它們的套用。為此，本項目擬採用熱浸滲矽的方法，製備一種W、Si元素連續分布的W-WSi2功能梯度材料。充分發揮金屬鎢和WSi2陶瓷的特殊優點，克服金屬鎢的高溫氧化失效和WSi2陶瓷韌性差、難切削加工的缺點。通過對梯度層微觀結構、物相組成、元素分布和擴散行為的調控，來消除WSi2與鎢基體相邊界間的局部應力和熱膨脹不匹配問題。研究不同熱浸滲矽、擴散退火、預氧化處理工藝對W-WSi2功能梯度材料室溫韌性、高溫強度、抗熱震、抗燒蝕和抗氧化等性能的影響，確定W-WSi2功能梯度材料的最佳組態和最佳製備工藝。建立W-Si反應擴散和梯度層高溫氧化過程的熱力學和動力學模型，揭示矽在鎢基體中的擴散特性、梯度層的生長機理、物相變遷和組成規律。
結題摘要
本項目針對金屬鎢的氧化失效以及塗層和基體間的熱膨脹不匹配問題，提出了一種新型抗氧化W-WSi2功能梯度材料，即首先採用熱浸滲矽工藝（HDS）在鎢基體上沉積矽化鎢塗層（W5Si3及WSi2），獲得組元成分、元素分布、塗層厚度以及微觀形貌可控的W-WSi2功能梯度材料；再通過高溫擴散退火工藝對W-WSi2功能梯度材料進行處理，旨在改善界面層中的元素漸變行為，增大塗層厚度，緩解WSi2塗層與鎢基體之間的熱膨脹失配，避免塗層的開裂與剝落。本項目獲得了W-WSi2功能梯度材料的製備工藝條件和形成機理，闡明了WSi2及W5Si3在鎢表面的作用機制和生長規律，確立了各組元分布、比例、界面狀態及組織結構與製備工藝參數之間的關係，發現W-WSi2功能梯度材料主要由鎢基體、界面層（W5Si3層）以及塗層（WSi2層）構成，WSi2塗層在（211）和（206）晶面上具有很強的擇優取向。隨著熱浸時間和溫度的增大，矽化鎢塗層的厚度顯著增大，而界面層（W5Si3層）的厚度隨著熱浸溫度和時間的增大，則表現為一個拋物線規律。此外，當熱浸溫度和時間較大時，塗層表面的矽濃度較高，顯著改善了塗層的高溫抗氧化性能。採用熱浸矽技術製備的W-WSi2功能梯度材料具有非常良好的表面形貌，塗層表面晶粒大小均勻、表面形貌光滑平整，最佳工藝條件下的塗層表面粗糙度可控制在50 nm以下，顯著改善了塗層的力學性能。本項目還揭示了W-WSi2功能梯度材料在不同服役環境下的氧化燒蝕機理，在高溫氧化過程中，光滑緻密的SiO2薄膜能夠有效防止氧原子的擴散，能夠保護鎢及其合金在高溫氧化環境中長時間服役。因此，W-WSi2功能梯度材料能夠在航空航天、電子、化工、冶金等領域發揮其巨大作用，具有很好的國防和工業套用前景。
