王 鑫,張 平,胡振峰,梁秀兵
(1. 軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院,北京 100071;2. 中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展,飛行器的飛行速度不斷提高,飛行器熱端既要承受超高溫(>1 800 ℃)氧化,又要抵抗劇烈溫度沖擊和強(qiáng)氣流沖刷,越來越高的速度和溫度對(duì)耐高溫材料提出了更苛刻的要求。目前可用于高超聲速飛行器熱端部件的材料主要有3類:超高溫陶瓷,碳纖維復(fù)合材料,難熔金屬。高熔點(diǎn)碳化物陶瓷、碳纖維復(fù)合材料和難熔金屬具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,但在超高溫有氧環(huán)境下皆易發(fā)生氧化、燒蝕。為充分發(fā)揮高溫材料的優(yōu)勢(shì),防止其氧化失效,在高溫材料表面制備抗氧化涂層是最有效的保護(hù)措施。
鉑族元素銥,熔點(diǎn)2 445 ℃,具有良好的耐腐蝕性,不溶于硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸和氫氧化鈉熔液,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,氧滲透率極低,且其隨溫度升高基本保持不變[1](如圖1所示),同時(shí)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)穩(wěn)定性[2](如圖2所示)。在1 800 ℃時(shí),1 μm銥涂層的抗氧滲透性相當(dāng)于1 mm SiO2的[3],是理想的氧氣擴(kuò)散屏障材料。相比于其他抗氧化涂層,銥涂層具有更高的使用溫度、更長的服役壽命以及高溫下其他金屬所不及的化學(xué)惰性[4,5],其合金制品使用溫度可達(dá)到2 100~2 200 ℃,且在2 280 ℃下不與碳發(fā)生反應(yīng),能有效阻止碳擴(kuò)散[6],因此銥被認(rèn)為是碳材料、難熔金屬材料、高熔點(diǎn)碳化物陶瓷的優(yōu)選抗氧化涂層,是目前1 800 ℃以上最理想的高溫抗氧化涂層候選材料。
圖1 部分材料氧滲透率隨溫度的變化[1]Fig. 1 Change of oxygen permeability of some materials with temperature
圖2 銥片變形再結(jié)晶過程中的最大拉伸強(qiáng)度(бt),屈服強(qiáng)度(б0.2)和伸長率(б)隨溫度的變化[2]Fig. 2 Variations of the ultimate tensile strength (бt), yield strength (б0.2) and tensile elongation (б) of pure deformed and subsequently recrystallized iridium sheet with temperature
國外早在20世紀(jì)60年代就對(duì)銥涂層的制備方法和表征進(jìn)行了研究,其中以美國、俄羅斯、日本的研究處于領(lǐng)先地位[7-10],以美國NASA、Ultramet為代表深入開展了銥涂層的研制工作,但制備工藝大都保密。我國針對(duì)銥涂層的研究起步較晚,目前只有昆明貴金屬研究所、航天材料及工藝研究所、國防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位開展了研究工作,并取得了一定進(jìn)展[4, 11-14]。
銥涂層在服役過程中主要面臨2方面的問題:(1)無論采用何種制備工藝,銥涂層都不是嚴(yán)格的致密材料,涂層中均存在微觀缺陷,其在高溫下易發(fā)生微孔擴(kuò)散和沿晶界聚集的現(xiàn)象,導(dǎo)致晶界快速擴(kuò)散通路的形成[15],使氧元素和基體元素通過晶界快速擴(kuò)散,涂層提前失效。(2)銥自身存在高溫氧化特性缺陷,一方面銥在高于1 100 ℃氧化時(shí)生成揮發(fā)性氧化物IrO2和IrO3,其在1 965 ℃下的氧化揮發(fā)速率約為35 μm/h[16],導(dǎo)致涂層持續(xù)減??;另一方面銥催化活性高,而熱輻射率較低,表面活躍的原子態(tài)氣體結(jié)合成分子,釋放的化學(xué)能引入多余的熱量,使銥涂層表面溫度高于環(huán)境溫度[17, 18],甚至超過銥的熔點(diǎn),加劇了銥的氧化揮發(fā)和燒蝕。因此,需針對(duì)銥的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高溫氧化特性對(duì)銥涂層進(jìn)行改性,提高涂層的高溫抗氧化能力。
目前銥涂層的改性主要分為2方面:(1)優(yōu)化涂層組織結(jié)構(gòu),如涂層致密度及均勻性、晶粒尺寸及分布特征、與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度等,提高銥涂層致密度,減少晶界擴(kuò)散、氧化揮發(fā)和燒蝕對(duì)涂層的消耗,這主要通過改進(jìn)制備工藝實(shí)現(xiàn);(2)利用高溫陶瓷催化活性低、熱輻射率高的特點(diǎn),在銥涂層表面覆蓋陶瓷層或通過合金化原位生成氧化物陶瓷層,隔絕氧化環(huán)境,阻止銥的氧化揮發(fā)。本文結(jié)合近年來國內(nèi)外的研究報(bào)道,綜述了銥涂層改性方法的研究進(jìn)展,并指出該領(lǐng)域未來的研究方向。
銥是面心立方結(jié)構(gòu)金屬,但具有體心立方結(jié)構(gòu)金屬的性質(zhì),脆性大,是室溫下最難加工的金屬元素之一,在-196~1 000 ℃之間的拉伸試驗(yàn)中塊體銥多晶出現(xiàn)晶界脆裂,研究發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象不是晶間微量雜質(zhì)引起的,而是銥本身固有的性質(zhì)。雖然塊體銥存在難加工和脆性等缺點(diǎn),但微米級(jí)厚度的銥涂層表現(xiàn)出一定的韌性[2],這顯著減少了銥的消耗量,降低了成本,同時(shí)可滿足2 200 ℃長時(shí)間服役的要求[19]。銥涂層的制備工藝是其面向應(yīng)用的重要研究方向,圍繞工藝參數(shù)對(duì)銥涂層宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、致密度、界面結(jié)合強(qiáng)度和抗氧化性能等的影響開展了大量研究工作。目前銥涂層的常用制備方法包括化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積(Metalorganic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、磁控濺射(Magnetron Sputtering,MS)、電鑄/熔鹽電沉積(Electroformed/Electrochemical Deposition,EF/ED)、原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)、雙層輝光等離子沉積(Double Glow Plasma,DGP)等,表1比較了常見制備方法的優(yōu)勢(shì)與不足。
表1 銥涂層制備方法比較[20-24]
表1制備方法中,熔鹽電沉積(ED)法可制備較厚的銥涂層,沉積速率快、效率高,且涂層制備過程中可同時(shí)進(jìn)行原料純化,這意味著可以使用純度較低(98.00%~99.50%)的銥原料獲得純度極高的銥涂層(99.97%~99.99%)[25],從而降低成本。美國國家航空航天局在2006年啟動(dòng)的AMBR(Advanced Materials Bipropellant Rocket)發(fā)展項(xiàng)目中綜合比較了幾種Ir/Re燃燒室制備技術(shù),最終選擇ED法取代成熟的CVD法制備Ir/Re燃燒室,整體成本降低30%,并獲得了令人滿意的熱試車結(jié)果[26]。ED法制備的銥涂層致密度不高,與基底的附著力較差。美國TRW公司利用熱等靜壓技術(shù)對(duì)銥涂層進(jìn)行處理,改善了涂層結(jié)構(gòu),有效提高了涂層的致密度,但其工藝嚴(yán)格保密[15]。
如何提高涂層的致密度、減少缺陷,是實(shí)現(xiàn)銥涂層在高溫強(qiáng)氧化環(huán)境下長時(shí)間應(yīng)用的首要條件。上述不同制備方法得到的銥涂層具有不同的晶粒尺寸、表面粗糙度和擇優(yōu)取向等,但其共同點(diǎn)在于涂層晶粒結(jié)構(gòu)均為柱狀晶組織,晶界垂直于基體表面,并在晶界處偏聚大量缺陷,高溫環(huán)境下晶界和孔洞為氧元素和基體元素提供了最短的擴(kuò)散路徑,導(dǎo)致涂層實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于理論預(yù)測(cè)值。
為克服柱狀晶組織的缺點(diǎn),許多研究者通過工藝調(diào)整制備了非柱狀晶組織的銥涂層。Huang等[27]分別利用直流、脈沖電流熔鹽電沉積在錸基體表面制備層狀銥涂層,并考察了2 000 ℃下等軸晶和柱狀晶組織銥涂層在空氣中的靜態(tài)氧化壽命,結(jié)果表明等軸晶涂層的抗氧化能力明顯優(yōu)于柱狀晶涂層的,這主要?dú)w因于等軸晶組織晶界彎曲復(fù)雜,不易成為氧和基體原子擴(kuò)散的通道。Mumtaz等[28]在800 ℃下采用射頻磁控濺射(RFMS)在各向同性石墨基體上制備了銥涂層,由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配出現(xiàn)了裂紋,但經(jīng)過1 700 ℃的高溫?zé)崽幚砗?,銥涂層表面裂紋消失。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),涂層在27~1 600 ℃循環(huán)加熱處理后仍能保持柱狀晶結(jié)構(gòu),內(nèi)部的微孔轉(zhuǎn)移到涂層的表面。當(dāng)循環(huán)加熱最低溫度為27 ℃,最高溫度為1 700~1 900 ℃時(shí),柱狀晶被致密的等軸晶所取代,表面裂紋消失。
相比調(diào)整晶粒形態(tài),更為有效的解決方案是制備多層涂層,使涂層的晶界和缺陷“錯(cuò)位”,增加氧原子和基體元素的擴(kuò)散距離,從而提高銥涂層的抗氧化性能。朱利安[22]、Huang等[29]采用低頻脈沖電沉積技術(shù)在氯化物熔鹽體系中制備了表面光滑、致密的層狀銥涂層,各亞層厚度約為1 μm,亞層間界面清晰,結(jié)合良好。層狀結(jié)構(gòu)的銥涂層晶界結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可以增加裂紋擴(kuò)展時(shí)的偏轉(zhuǎn)路徑和氧原子的擴(kuò)散距離,其斷裂韌性和抗氧化性均優(yōu)于單層柱狀晶銥涂層。他們還利用電沉積方法采用交替電流,在碳材料覆蓋錸表面制備了層狀柱狀晶結(jié)構(gòu)銥涂層。研究發(fā)現(xiàn)每1個(gè)亞層對(duì)應(yīng)1個(gè)電流周期,低電流密度下沉積的銥晶粒粗糙,高電流密度導(dǎo)致電極周圍產(chǎn)生較大的超電勢(shì),促進(jìn)銥晶粒成核,生成超細(xì)晶粒,層狀柱狀晶銥涂層比單層銥薄膜具有更好的抗氧化性。
由于銥的工作溫度遠(yuǎn)高于其再結(jié)晶溫度,銥涂層在使用時(shí)晶粒快速長大,導(dǎo)致其晶界結(jié)構(gòu)無法長時(shí)間保持穩(wěn)定,且單純改變組織結(jié)構(gòu)無法減緩其氧化揮發(fā)速率,故改善制備工藝對(duì)銥涂層抗氧化壽命的提高幅度有限。
針對(duì)銥涂層氧化揮發(fā)、熱輻射率低、催化活性高等問題,主要通過表面制備高熔點(diǎn)、致密陶瓷涂層或原位生成氧化物陶瓷方法,將銥涂層與氧化環(huán)境隔離。
在銥涂層表面涂覆高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、高輻射率的陶瓷涂層,直接阻擋銥與外界環(huán)境的接觸,可有效降低涂層表面溫度。已報(bào)道的防護(hù)性較好的氧化物陶瓷包括HfO2、ZrO2和Al2O3等。趙生合[30]在銥涂層表面等離子噴涂HfO2涂層和電泳沉積 - 燒結(jié)制備HfO2- Y2O3(HYO)復(fù)合涂層,風(fēng)洞(熱流密度1.2 MW/m2)考核結(jié)果表明,HYO涂層相對(duì)銥涂層可使駐點(diǎn)溫度降低600 ℃,但涂層由于致密度不高發(fā)生了鼓起脫落現(xiàn)象。為了提高陶瓷涂層與銥涂層的熱物理兼容性和結(jié)合力,美國PPI公司采用真空等離子噴涂法在銥涂層表面制備了HfO2梯度涂層,但未見詳細(xì)應(yīng)用報(bào)道。
銥涂層表面涂覆陶瓷涂層顯著改善了其高溫抗氧化性能,但依然存在明顯不足:一方面陶瓷外層產(chǎn)生的微孔、裂紋等缺陷達(dá)到一定尺度后將失去對(duì)銥內(nèi)層的保護(hù)作用,導(dǎo)致銥內(nèi)層表面形成局部“熱點(diǎn)”而失效;另一方面陶瓷膜在升溫過程中發(fā)生固態(tài)相變,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,與銥涂層界面結(jié)合性變差,易開裂剝落。
對(duì)銥涂層進(jìn)行合金化,以期在氧化過程中合金元素被氧化后原位生成較致密的氧化物外層,即使涂層表面出現(xiàn)微孔、裂紋或剝落等缺陷,也能被新形成的氧化物填補(bǔ)和覆蓋,實(shí)現(xiàn)涂層的“自愈合”。合金化改性銥涂層通常選用Hf, Al, Zr等元素,表2列舉了Ir - Hf、Ir - Al、Ir - Zr和Ir - Hf - Zr材料體系的相組成信息,其中Al和Hf的合金化改性效果比較顯著。
表2 Hf, Al, Zr合金化銥材料的相組成
2.2.1 Ir - Al體系
Ir - Al合金氧化時(shí)表面形成連續(xù)Al2O3層所需的Al含量須高于55%(原子分?jǐn)?shù),下同)。Al含量為55%時(shí)只能形成多孔氧化層[41],不具有保護(hù)性。添加元素達(dá)到一定量時(shí)才能形成具有保護(hù)作用的致密氧化層,該含量即為元素生成致密氧化層的閾值。Ir - Al材料體系中不同Al含量對(duì)應(yīng)的相結(jié)構(gòu)如表3所示。
表3 Ir - Al材料體系金屬間化合物[41]
由表3可知,隨著Ir - Al材料體系中Al含量的增加,材料中金屬間化合物IrAlx含量逐漸升高,x值逐漸增大,與圖3中Ir - Al二元相圖[42]一致。
圖3 Ir - Al二元相圖[42]Fig. 3 Phase diagram of Ir - Al binary system[42]
Al含量為55%(原子分?jǐn)?shù))時(shí)體系只含IrAl一種金屬間化合物,無法生成致密Al2O3層[41]。隨著x值增大,Al含量高于閾值,涂層生成致密氧化層能力逐漸增強(qiáng),熔點(diǎn)卻逐漸降低,例如,含Al 65%(原子分?jǐn)?shù))的Ir - Al材料體系[≈58.4%(摩爾分?jǐn)?shù),下同)IrAl2.5+ 41.6%IrAl]在1 650 ℃以上部分熔化,而含Al 60%(原子分?jǐn)?shù))的Ir - Al材料體系(≈26%IrAl2.5+ 74%IrAl)升溫至1 800 ℃依然沒有熔化。這說明金屬間化合物IrAl2.5的熔點(diǎn)低于1 650 ℃,而IrAl的熔點(diǎn)高于1 800 ℃(IrAl熔點(diǎn)2 120 ℃)。該結(jié)論對(duì)于不同服役溫度下設(shè)計(jì)涂層組分具有指導(dǎo)意義。研究還發(fā)現(xiàn),IrAlx(x>1)在氧化過程中初步生成Al2O3和IrAl金屬間化合物,說明IrAl不但熔點(diǎn)高而且非常穩(wěn)定。朱利安[22]研究Ir - Al材料體系得到同樣的結(jié)論,采用先熔鹽電鍍Ir再包埋滲Al的工藝在Ir涂層表面生成了IrAl2.7(3)/IrAl雙層金屬間化合物涂層,其中富Al的IrAl2.7(3)作為抗氧化外層,Ir作為氧擴(kuò)散阻擋層,IrAl作為過渡層,兼顧了涂層抗氧化性和抗氧滲透性的能力。但I(xiàn)rAl2.7(3)的熔點(diǎn)只有1 450 ℃,限制了其在更高溫工況下的應(yīng)用。
2.2.2 Ir - Hf體系
Hf在Ir中的固溶度僅為5%(原子分?jǐn)?shù)),因此Hf在Ir中的存在形式為固溶或形成IrHfx金屬間化合物。當(dāng)Hf以固溶形式存在時(shí),其對(duì)Ir的固溶強(qiáng)化效果顯著,但提高抗氧化性能有限。Gu等[43]研究表明Ir - 5Hf合金經(jīng)1 100 ℃氧化200 h后,表面生成的HfO2氧化膜疏松多孔易脫落。有研究表明Ir - Hf合金氧化時(shí)表面形成連續(xù)HfO2層所需的Hf含量閾值為50%(原子分?jǐn)?shù))。Hf含量等于50%(原子分?jǐn)?shù))的Ir - Hf合金只能生成多孔氧化層。Ir - Hf合金初期氧化符合拋物線規(guī)律,Hf的氧化通過氧向內(nèi)遷移發(fā)生,與氧分壓無關(guān),這說明HfO2是n型氧化物。由Ir - Hf二元相圖(圖4)可知,Ir - Hf金屬間化合物有HfIr (2 400 ℃), HfIr3(2 470 ℃),Hf2Ir (1 720 ℃) 和Hf5Ir3(1 930 ℃)[41]??梢?,金屬間化合物HfIr和HfIr3滿足高熔點(diǎn)的要求,但其高溫氧化行為未見報(bào)道。
圖4 Ir - Hf二元相圖[44]Fig. 4 Phase diagram of Ir - Hf binary system[44]
Zhang等[45]采用先CVD鍍Re+ED鍍Ir+包埋滲Hf的復(fù)合工藝在石墨表面制備了Re/Ir/Ir3Hf/IrHf/IrHf2多層復(fù)合涂層,風(fēng)洞(熱流密度4.03 MW/m2)測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)30 min燒蝕后涂層表面生成了較致密的以HfO2為主的氧化物層,與純Ir涂層及Ir - Al涂層相比,Ir - Hf涂層呈現(xiàn)出更佳的抗氧化能力。研究發(fā)現(xiàn)相同的Ir - Hf涂層在同樣的熱流條件下呈現(xiàn)出不同的表面溫度,這歸因于初始氧化溫度差異較大時(shí)氧化初期形成了不同的表面微結(jié)構(gòu)。HfO2常壓下存在3種結(jié)構(gòu):單斜、四方和立方[46]。隨著溫度的升高,其相結(jié)構(gòu)對(duì)稱性逐漸提高,單斜→四方的單晶轉(zhuǎn)化溫度為1 650 ℃,四方→立方轉(zhuǎn)化溫度為2 700 ℃。是否由于初始溫度不同引起相結(jié)構(gòu)差異從而影響其涂層表面性質(zhì)的機(jī)制尚不清晰。研究發(fā)現(xiàn)HfO2與Y2O3燒結(jié)后可降低相轉(zhuǎn)化溫度,將立方相穩(wěn)定在較低溫度[47]。利用溫度預(yù)處理、元素改性等手段改變涂層微觀相結(jié)構(gòu),從而改善其表面抗氧化性能,為高溫抗氧化銥涂層的改性提供了新思路。
2.2.3 多元體系
合金化改性使銥涂層的抗氧化性能大大提高,然而單一元素改性的銥涂層仍然存在很多局限,例如Al對(duì)銥涂層抗氧化性能提升明顯,然而熱輻射系數(shù)較低,影響其防護(hù)效果。Ir - Hf、Ir - Al涂層形成致密氧化膜添加元素的閾值分別為50%(原子分?jǐn)?shù))和55%(原子分?jǐn)?shù)),過高的閾值必然影響涂層的綜合性能。
多元合金化能夠很好地解決單一元素改性的片面性,實(shí)現(xiàn)多元素協(xié)同增效,提升涂層的綜合性能。多元銥涂層用于高溫抗氧化的報(bào)道并不多。Lee等[48]在Ir - Al合金中添加Si,結(jié)果表明Si的含量達(dá)到20%(原子分?jǐn)?shù),下同)時(shí)即可使Al的閾值由55%降為20%,繼續(xù)提高Si的含量,氧化過程中會(huì)在Al2O3外層下方形成連續(xù)的SiO2層,進(jìn)一步提高了合金的高溫抗氧化能力。Kamiya等[49]將Ir - Hf涂層進(jìn)行滲Al處理,1 150 ℃氧化中形成了Al2O3和HfO2雙相抗氧化層,與Ir - Hf涂層相比,服役壽命顯著提升。Korniyenko等[50]研究了Hf - Ir - Ru材料體系中不同元素含量對(duì)應(yīng)的相組成,為Hf - Ir - Ru涂層的應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)。Wu等[51]采用多靶濺射并引入等離子體方法在Ir - Re涂層中引入CrN相,成功制備了四元Ir - Re - Cr - N涂層,為多元銥涂層制備工藝設(shè)計(jì)提供了新思路。
圍繞銥涂層的單一元素改性已開展了廣泛研究,單一元素改性的局限性已然凸顯。多元素改性是銥涂層發(fā)展的必然趨勢(shì)。多元銥涂層的制備工藝和微觀組織結(jié)構(gòu)影響機(jī)制是其研發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
金屬銥因其優(yōu)異的高熔點(diǎn)、強(qiáng)耐蝕、低氧滲透率等特點(diǎn),在高溫抗氧化領(lǐng)域越來越受到重視。綜上所述:
(1)銥涂層制備工藝方法多樣,制備層狀銥涂層能使其晶界和缺陷“錯(cuò)位”,增加氧原子和基體元素的擴(kuò)散距離,可有效提升銥涂層的抗氧化性能。目前,所有工藝制備的銥涂層不可避免地存在組織缺陷,晶界氧化現(xiàn)象嚴(yán)重,高溫條件下銥涂層微觀組織結(jié)構(gòu)生長及轉(zhuǎn)化機(jī)制仍不清晰??紤]到成本、適用范圍等因素,熔鹽電沉積是最適合廣泛應(yīng)用的工藝方法。
(2)陶瓷防護(hù)或合金化大大提高了銥涂層的高溫抗氧化性能。外覆陶瓷涂層由于熱膨脹系數(shù)等物理參量不匹配,易開裂、脫落,失去防護(hù)作用。Hf、Al等元素合金化可原位生成致密氧化物外層,彌補(bǔ)和覆蓋缺陷,實(shí)現(xiàn)“自愈合”。多元涂層,例如Ir - Hf - Al等,可彌補(bǔ)單一元素改性銥涂層的性能局限,實(shí)現(xiàn)多元素協(xié)同增效。
(3)將材料集成計(jì)算與多組元、多層涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合,發(fā)展氧化過程動(dòng)態(tài)梯度功能涂層,能夠更好地實(shí)現(xiàn)涂層間的可靠結(jié)合,將是今后銥涂層改性研究的重點(diǎn)方向之一。由于Ir、Re、Hf等元素具有難加工、難擴(kuò)散等特性,多組元、梯度功能涂層對(duì)制備工藝提出了更高要求。開發(fā)新型制備工藝、多種制備方法相結(jié)合是研發(fā)銥涂層的重要方向。