Cấu trúc vi mô và hành vi hấp thụ của các lớp phủ ZrB2 phun plasma áp suất thấp ở mức 100 Pa

Journal of Thermal Spray Technology - Tập 31 - Trang 282-296 - 2021
Di Wang1, Li Zhang1, Shan-Lin Zhang1, Xiao-Tao Luo1, Chang-Jiu Li1
1State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, School of Materials Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, People’s Republic of China

Tóm tắt

Ảnh hưởng của áp suất buồng phun đến cấu trúc vi mô và hành vi hấp thụ của các lớp phủ ZrB2 được lắng đọng bằng phương pháp phun plasma áp suất thấp đã được nghiên cứu. Các kết quả chỉ ra rằng khi áp suất buồng phun giảm xuống dưới 50 kPa, độ xốp của lớp phủ lắng đọng ở cùng một khoảng cách giảm theo áp suất buồng. Lớp phủ được chuẩn bị dưới 100 Pa thể hiện độ xốp thấp nhất khoảng 0,89%. Thử nghiệm hiệu suất hấp thụ khi tiếp xúc với tia plasma nhiệt độ cao cho thấy tỷ lệ hấp thụ tuyến tính của lớp phủ ZrB2 tăng theo độ xốp của lớp phủ. Do đó, trong số các lớp phủ ZrB2 được lắng đọng tại các áp suất buồng là 100 Pa, 5 kPa, 10 kPa và 50 kPa, lớp phủ dày đặc được lắng đọng ở 100 Pa cho thấy tỷ lệ hấp thụ thấp nhất là 0,33 µm/s. Lớp phủ ZrB2 dày đặc với độ dày khoảng 100 μm có khả năng chịu đựng 300 giây hấp thụ bởi ngọn lửa plasma với công suất trung bình 25 kW, dẫn đến nhiệt độ bề mặt lớp phủ bị hấp thụ khoảng 2000 °C. Cơ chế hấp thụ của lớp phủ cũng đã được xem xét.

Từ khóa

#ZrB2 #phun plasma #áp suất buồng #cấu trúc vi mô #hành vi hấp thụ

Tài liệu tham khảo

P. Chowdhury, H. Sehitoglu and R. Rateick, Damage Tolerance of Carbon-Carbon Composites in Aerospace Application, Carbon, 2018, 126, p 382-393. J.P. Zhang, Q.G. Fu and Y.J. Wang, Interface Design and HfC Additive to Enhance the Cyclic Ablation Performance of SiC Coating for Carbon/Carbon Composites from 1750 °C to Room Temperature under Vertical Oxyacetylene Torch, Corr. Sci., 2017, 123, p 139-146. J. Ren, Y. Zhang, H. Hu, P. Zhang, T. Fei and L. Zhang, HfC Nanowires to Improve the Toughness and Oxidation Resistance of Si-Mo-Cr/SiC Coating for C/C Composites, Ceram. Int., 2016, 42, p 14518-14525. Y. Chu, H. Li, Q. Fu, H. Wang, X. Hou, X. Zou and G. Shang, Oxidation Protection of C/C Composites with a Multilayer Coating of SiC and Si+SiC+SiC Nanowires, Carbon, 2012, 50, p 1280-1288. Y. Chu, H. Li, L. Li and L. Qi, Oxidation Protection of C/C Composites by Ultra Long SiC Nanowire-Reinforced SiC-Si Coating, Corr. Sci., 2014, 84, p 204-208. R. Djugum and K. Sharp, The Fabrication and Performance of C/C Composites Impregnated with TaC Filler, Carbon, 2017, 115, p 105-115. X. Yao, H. Li, Y. Zhang, H. Wu and X. Qiang, A SiC-Si-ZrB2 Multiphase Oxidation Protective Ceramic Coating for SiC-coated Carbon/Carbon Composites, Ceram. Int., 2012, 38, p 2095-2100. X. Yao, H. Li, Y. Zhang and Y. Wang, Oxidation and Mechanical Properties of SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 Coating for Carbon/Carbon Composites, J. Mater. Sci. Technol., 2014, 30, p 123-127. M.H. Hu, K.Z. Li, H.J. Li, B. Wang and H.L. Ma, Double layer ZrSi2-ZrC-SiC/SiC Oxidation Protective Coating for Carbon/Carbon Composites, Surf. Eng., 2014, 31, p 335-341. Y.-J. Wang, H.-J. Li, Q.-G. Fu, H. Wu, D.-J. Yao and B.-B. Wei, Ablative Property of HfC-based Multilayer Coating for C/C Composites under Oxy-acetylene Torch, Appl. Surf. Sci., 2011, 257, p 4760-4763. Y.-L. Wang, X. Xiong, X.-J. Zhao, G.-D. Li, Z.-K. Chen and W. Sun, Structural Evolution and Ablation Mechanism of a Hafnium Carbide Coating on a C/C Composite in an Oxyacetylene Torch Environment, Corr. Sci., 2012, 61, p 156-161. P. Wang, Y. Qi, S. Zhou, P. Hu, G. Chen, X. Zhang and W. Han, Polycrystalline ZrB2 Coating Prepared on Graphite by Chemical Vapor Deposition, Phys. Status Solidi B, 2016, 253, p 1590-1595. S.-L. Wang, K.-Z. Li, H.-J. Li, Y.-L. Zhang and T. Feng, Structure Evolution and Ablation Behavior of ZrC Coating on C/C Composites under Single and Cyclic Oxyacetylene Torch Environment, Ceram. Int., 2014, 40, p 16003-16014. Y. Zhang, H. Wang, T. Li, Y. Fu and J. Ren, Ultra-high Temperature Ceramic Coating for Carbon/Carbon Composites Against Ablation Above 2000 K, Ceram. Int., 2018, 44, p 3056-3063. Y. Yang, K. Li, G. Liu and Z. Zhao, Ablation-Resistant Composite Coating of HfC-TaC-SiC for C/C Composites Deposited by Supersonic Atmospheric Plasma Spraying, J. Ceram. Sci. Technol, 2016, 7, p 379-386. Y.-J. Wang, H.-J. Li, Q.-G. Fu, H. Wu, L. Liu and C. Sun, Ablation Behaviour of a TaC Coating on SiC Coated C/C Composites at Different Temperatures, Ceram. Int., 2013, 39, p 359-365. C. Sun, C.-MXu. Xu and W.-F. Cao, Effect of Mild Oxidation on Ablation Properties of ZrSiO4 Coating Prepared by Supersonic Atmospheric Plasma Spraying on Carbon/Carbon Composites, J. Therm. Spray. Tech., 2020, 29, p 1982-1990. Luo, X., Yang, X., Huang, Q. et al.: Ablative Property and Mechanism of ZrC-TaC/ZrC-SiC Coatings on C/C Composites under Different Heat Fluxes. J. Therm. Spray. Tech., 2021, p 1-13 R. Aliasgarian, M. Naderi, S.E. Mirsalehi and S. Safi, The Ablation Behavior of ZrB2-SiC Coating Prepared by Shrouded Plasma Spray on SiC-Coated Graphite, J. Alloys. Compd., 2018, 742, p 797-803. L. Wang, Q.G. Fu, N.K. Liu and Y.C. Shan, Supersonic Plasma Sprayed MoSi2-ZrB2 Antioxidation Coating for SiC-C/C Composites, Surf. Eng., 2016, 32, p 508-513. D. Hu, Q. Fu, T. Liu and M. Tong, Structural Design and Ablation Performance of ZrB2/MoSi2 Laminated Coating for SiC Coated Carbon/Carbon Composites, J. Eur. Ceram. Soc., 2020, 40, p 212-219. Y. Niu, Z. Wang, J. Zhao, X. Zheng, Y. Zeng and C. Ding, Comparison of ZrB2-MoSi2 Composite Coatings Fabricated by Atmospheric and Vacuum Plasma Spray Processes, J. Therm. Spray. Technol., 2016, 26, p 100-107. C. Hu, Y. Niu, H. Li, M. Ren, X. Zheng and J. Sun, SiC Coatings for Carbon/Carbon Composites Fabricated by Vacuum Plasma Spraying Technology, J. Therm. Spray. Technol., 2011, 21, p 16-22. S.-W. Yao, C.-J. Li, J.-J. Tian, G.-J. Yang and C.-X. Li, Conditions and Mechanisms for the Bonding of a Molten Ceramic Droplet to a Substrate After High-Speed Impact, Acta Mater., 2016, 119, p 9-25. C. Li, Y. Niu, X. Zhong, T. Liu, X. Pan, M. Shi, X. Zheng and C. Ding, Effect of Heating-Cooling Rates on Microstructure Evolution of ZrB2-based Coatings During Oxidation, J. Eur. Ceram. Soc., 2019, 39, p 4565-4574. W.G. Fahrenholtz, The ZrB2 Volatility Diagram, J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88, p 3509-3512. T.A. Parthasarathy, R.A. Rapp, M. Opeka and R.J. Kerans, A Model for the Oxidation of ZrB2, HfB2 and TiB2, Acta Mater., 2007, 55, p 5999-6010. I.G. Talmy, J.A. Zaykoski, M.M. Opeka, and S. Dallek, Oxidation of ZrB2 ceramics modified with SiC and group IV-VI transition metal diborides, Elec. Chem. Soc. Proc, 2001, p 144-158 X.-H. Zhang, P. Hu and J.-C. Han, Structure Evolution of ZrB2-SiC During the Oxidation in Air, J. Mater. Res., 2011, 23, p 1961-1972. J. Han, P. Hu, X. Zhang and S. Meng, Oxidation Behavior of Zirconium Diboride-Silicon Carbide at 1800 °C, Scr. Mater., 2007, 57, p 825-828. Q. Mistarihi, M.-A. Umer, J.-H. Kim et al., Fabrication of ZrO2-based Nanocomposites for Transuranic Element-Burning Inert Matrix Fuel, Nucl. Eng. Des., 2015, 47, p 617-623. H. Yuan, J. Li, Q. Shen and L. Zhang, Preparation and Thermal Conductivity Characterization of ZrB2 Porous Ceramics Fabricated by Spark Plasma Sintering, Int. J. Refract. Hard. Met., 2013, 36, p 225-231. T.-Q. Li, Z.-H. Xu, Z.-J. Hu and X.-G. Yang, Application of a High Thermal Conductivity C/C Composite in a Heat-Redistribution Thermal Protection System, Carbon, 2010, 48, p 924-925. Z. Li, H. Li, W. Li et al., Preparation and Ablation Properties of ZrC-SiC Coating for Carbon/Carbon Composites by Solid Phase Infiltration, Appl. Surf. Sci., 2001, 258, p 565-571. X.-H. Shi, J.-H. Huo, J.-L. Zhu et al., Ablation Resistance of SiC-ZrC Coating Prepared by a Simple Two-Step Method on Carbon Fiber Reinforced Composites, Corr. Sci., 2014, 88, p 49-55.