鉬合金表面MoSi2涂層的制備工藝和形成機理

李鵬飛，范景蓮，成會朝，田家敏，成創(chuàng)功

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

鉬及鉬合金具有低的熱膨脹系數(shù)、較高的硬度和高溫強度，廣泛應(yīng)用于電工電子、儀器儀表、國防軍工和航空航天等領(lǐng)域[1?3]。但鉬及鉬合金在空氣中400℃以上便開始形成氧化物，造成性能的下降；高于750℃時氧化物揮發(fā)，并隨著溫度升高，氧化加劇，形成白色煙霧狀 MoO3，使得鉬及鉬合金在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[4?5]。目前國內(nèi)外學(xué)者主要是采用硅化物涂層、鋁化物涂層和硼化物涂層等涂層體系[6?8]，使得鉬及鉬合金具備抗氧化性能。美國和日本等系統(tǒng)地研究了MoSi2的氧化行為，發(fā)現(xiàn)MoSi2涂層較其他類型涂層在1 000～1 500 ℃具有更好的高溫抗氧化性能[9?11]，是航空航天和核工業(yè)等高科技領(lǐng)域苛刻環(huán)境下服役零部件的重要涂層材料之一。硅化物涂層可以通過包埋滲硅、料漿熔燒和化學(xué)氣相沉積等方法制備，其中包埋滲硅法較其他方法具有工藝簡單，對設(shè)備要求低，不受樣品形狀限制等優(yōu)點[11?12]。目前國內(nèi)外沒有對包埋滲硅法中粉料成分和粒度等因素對制備MoSi2涂層影響的相關(guān)報道。因此，本文作者在氫氣氣氛中，采用包埋滲硅法在鉬合金表面制備MoSi2涂層，研究粉料成分、粒度和反應(yīng)時間等因素對涂層厚度的影響，并通過熱力學(xué)計算和動力學(xué)分析研究MoSi2涂層的形成機理。

1 實驗方法

采用粉末冶金方法制備出長×寬×高為38 mm×5 mm×5 mm的鉬合金樣品。首先利用砂紙對樣品打磨拋光，然后酒精清洗干凈烘干后用精密電子天平對樣品稱重，制備出涂層基體。將粉料按一定的比例均勻混合，裝入干凈的剛玉坩堝，并將鉬合金基體埋入粉料；最后把坩堝密封，置于1 200 ℃下的氫氣氣氛鉬絲爐中進行包埋滲硅。

采用捷克NOVA TM NanoSEM230超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡對涂層厚度進行分析，利用背散射電子成像和線掃描分析涂層中的相分布和成分變化；采用日產(chǎn)JEOL公司的JSM?5600LV型掃描電鏡對涂層的表面形貌和顯微組織進行檢測分析，并利用 EDX對涂層進行成分分析；采用日產(chǎn)3014?2Z型X線衍射儀對樣品表面進行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉料成分對涂層厚度的影響

2.1.1 硅粉含量對涂層厚度的影響

表1所示為不同成分粉料包埋滲硅15 h后制備出涂層厚度的數(shù)據(jù)。1號和 2號粉料比較，添加少量NH4Cl后，涂層厚度有較大幅度增長，說明NH4Cl能起到好的活化作用，促進了涂層的形成；隨著硅粉和NH4Cl含量的增加，涂層厚度先增加后降低，說明活化劑和硅粉的量存在最優(yōu)值；當(dāng)粉料中只有硅粉時，涂層較薄。圖1所示為不同成分粉料制備出涂層截面的BSE圖。涂層分為2層，外層厚度隨著粉料的變化而變化，內(nèi)層厚度基本不變；硅粉含量為60%時，涂層較為致密，涂層中基本沒有孔洞和裂紋等缺陷，并且厚度達到116 μm。

表1 不同成分粉料制備出涂層的厚度Table 1 Thickness of coating prepared by different contents of powders

圖1 不同成分粉料制備出涂層截面的BSE圖Fig.1 Cross-sectional BSE image of coating prepared by different powders

2.1.2 催化劑含量對涂層厚度的影響

表2所示為質(zhì)量分數(shù)為60%Si粉和不同催化劑含量粉料經(jīng)過15 h高溫滲硅后涂層厚度的數(shù)據(jù)表。隨著NH4Cl活化劑含量的降低，涂層厚度緩慢增加；活化劑添加量為10%時涂層厚度達到130 μm，說明活化劑含量為10%時，能夠滿足粉料中活化作用的需要。

表2 不同催化劑含量粉料制備出涂層的厚度Table 2 Thickness of coatings prepared by different contents of catalyst

2.2 硅粉粒度對涂層厚度的影響

采用高能球磨對硅粉進行細化，制備出不同粒度的硅粉，研究硅粉粒度對涂層厚度的影響。分別對原始硅粉球磨15 h和30 h，然后采用7號粉料的比例，制備出均勻的粉料；在相同條件下包埋滲硅15 h后制備出涂層。圖2所示為經(jīng)不同球磨時間后硅粉的SEM圖。原始粉末粒徑在7～8 μm，有較少細顆粒粉末；經(jīng)過15 h球磨后，粒徑在5～6 μm，細顆粒粉末增多；經(jīng)過30 h球磨后，粒徑在3～4 μm，細顆粒粉末更多，并且粉末粒度趨于一致。圖3所示為不同粒度硅粉粉料制備涂層截面的BSE圖。隨著球磨時間延長，硅粉粒度變小，制備的涂層厚度增加；并且涂層均勻致密，基本沒有裂紋和空洞等缺陷。

2.3 涂層形成機理

2.3.1 MoSi2涂層形成的熱力學(xué)分析

包埋滲硅過程中可能發(fā)生如下反應(yīng)：

圖4所示為式(2)～(10)的反應(yīng)吉布斯自由能隨溫度變化的關(guān)系圖。根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)[13]計算，反應(yīng)(2)和(10)在恒溫恒壓的情況下不可能發(fā)生。MoSi2和Mo基體發(fā)生反應(yīng)可能生成 Mo5Si3和 Mo3Si相，而生成Mo5Si3相的吉布斯自由能較小，說明其較Mo3Si相更穩(wěn)定；Mo5Si3相和基體生成Mo3Si反應(yīng)吉布斯自由能大于0，使得反應(yīng)不可能在時恒溫恒壓的條件下進行。

圖2 不同球磨時間硅粉的SEM圖Fig.2 SEM images of silicon powder after different milled time

圖3 不同粒度硅粉粉料涂層截面的BSE圖Fig.3 Cross-sectional BSE images of coating prepared by different particle sizes of silicon

圖4 式(2)～(10)的反應(yīng)吉布斯自由能隨溫度變化的關(guān)系圖Fig.4 Changing curves of ΔG in equations (2)?(10)at different temperatures

2.3.2 涂層形成的動力學(xué)分析

圖5所示為不同球磨時間硅粉制備的涂層厚度與反應(yīng)時間關(guān)系圖。在1 200 ℃包埋滲硅過程中，MoSi2涂層的增長速度和活化反應(yīng)時間接近拋物線型，證明其涂層的形成受反應(yīng)擴散過程控制[14]。涂層厚度和反應(yīng)時間的關(guān)系式用下式表示：

圖5 不同球磨時間制備的涂層厚度與反應(yīng)時間關(guān)系圖Fig.5 A linear regression fit to respective plots of coatings thickness versus deposition time

式中：Y為涂層的厚度，μm；K為涂層增長的速率常數(shù)，μm2/s；t為時間，s。涂層厚度和反應(yīng)時間的關(guān)系和式(11)符合得較好，并且1 200 ℃時30 h，15 h和0 h球磨硅粉制備MoSi2涂層的增長速率常數(shù)分別為4.0×10?13，3.0×10?13和 2.0×10?13m2/s，與文獻報道中的速率常數(shù)接近[14]。硅粉經(jīng)過球磨后其粒度變小，表面活性增強，與鹵化物在高溫下更容易反應(yīng)，從而易于使得密封容器中能夠產(chǎn)生更高濃度的硅鹵化物。根據(jù)1 200 ℃時MoSi2形成的吉布斯自由能計算出硅的活度范圍在 0.007 49～1[15]，MoSi2涂層表面硅濃度的變化對硅活度有較大的改變，使得不同球磨時間硅粉對涂層增長速率常數(shù)有較大的影響。

2.3.3 涂層的形成機理

圖6所示為滲硅15 h(30 h球磨硅粉)涂層表面的SEM，EDS和XRD圖。表面有較多的白色區(qū)域，EDS分析其含Mo，Al，O和Si元素，其中Al元素含量較高；暗色區(qū)域EDS能譜顯示：其Al和O含量較白色區(qū)域降低，Mo和Si元素含量增加。包埋法的粉料由Si粉、Al2O3粉和催化劑組成，涂層在高溫形成的過程 中，Al2O3粉容易黏附在涂層的表面，所以EDS分析中出現(xiàn)了較強Al和O峰。結(jié)合XRD分析，MoSi2峰值很強，Al2.4Si0.6O4.8峰值較低，證明形成了MoSi2層。

包埋滲硅過程中，首先活性劑發(fā)生分解生成HCl，而HCl能夠與硅粉發(fā)生反應(yīng)生成氣態(tài)硅的鹵化物，如反應(yīng)(1)和(3)～(5)。硅的鹵化物可以與鉬基體發(fā)生反應(yīng)生成MoSi2層；當(dāng)MoSi2層達到一定厚度時硅的鹵化物不能直接和鉬反應(yīng)生成MoSi2，只能通過擴散Si原子與鉬基體逐漸反應(yīng)；通過熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，鉬基體容易和MoSi2層發(fā)生反應(yīng)形成過渡區(qū)域，當(dāng)硅原子擴散至過渡區(qū)域時，形成MoSi2相，而過渡區(qū)域也隨即向鉬基體擴展，這和不同時間涂層截面的 BSE圖一致。

圖7所示為球磨30 h硅粉包埋滲硅15 h后涂層截面的BSE，EDS和線掃描圖。涂層明顯分為2層，結(jié)合圖6中的XRD分析可知：外層為MoSi2層，內(nèi)層為過渡區(qū)域，其中硅和鉬原子比穩(wěn)定在3:5左右，說明其是Mo5Si3相。結(jié)合EDS分析，在涂層中沒有Al出現(xiàn)，說明 Al2O3只是黏附在涂層的表面。涂層中沒有發(fā)現(xiàn)Mo3Si相，主要是由于Mo5Si3相較Mo3Si相更加穩(wěn)定，并且Mo5Si3和鉬基體恒溫恒壓包埋滲硅下不可能形成Mo3Si相，這也和反應(yīng)吉布斯自由能計算的結(jié)果一致。

圖6 涂層表面的SEM，EDS和XRD圖Fig.6 SEM,EDS and XRD image of coating surface

圖7 球磨30 h硅粉涂層截面的BSE、EDS和線掃描圖Fig.7 Cross-sectional element line scanning,BSE image and EDS of coating

3 結(jié)論

(1)隨著包埋滲硅粉料中硅粉和催化劑粉末含量的增加，涂層的厚度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢；在硅粉含量為60%時，涂層厚度達到110 μm；催化劑含量為10%時，涂層厚度增加至130 μm。

(2)隨著硅粉球磨時間的增加，粉末表面活性增大，使得密封容器中能夠產(chǎn)生更高濃度的硅鹵化物，促進涂層的增長；1 200 ℃包埋滲硅15 h時能夠制備160 μm左右的涂層。

(3)根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)計算，涂層的增長受反應(yīng)擴散過程控制；并且涂層分為2層，外層為MoSi2層，內(nèi)層為Mo5Si3過渡層。

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