Многофазные силицидные покрытия на молибдене Multiphase

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина
Физико-технический факультет
Кафедра материалов реакторостроения и физических технологий
Многофазные силицидные покрытия на молибдене
Multiphase silicide coatings on molybdenum
Студентка
Вероника Бурковская
Руководитель
канд. техн. наук, доцент
С.В. Литовченко
2014
1
Композиционные материалы искусственно созданные неоднородные сплошные материалы,
состоящие из двух или более компонентов с чёткой границей
раздела между ними.
К характеристикам таких материалов обычно относят следующие:





структурно-фазовое состояние материалов определено заранее;
материалы создаются искусственно (не встречаются в природе);
компоненты, составляющие композит, различны по составу и разделены выраженной
границей;
свойства композитов определяются каждым компонентом, при этом свойства нового
материала и количественно, и качественно отличаются от свойств его компонентов;
материал является неоднородным в микромасштабе и однородным в некотором
макромасштабе.
Матрица/армировка MoSi2,
добавки:
• оксиды (алюминия, кремния,
лантана),
• нитриды (кремния, молибдена),
• карбиды
(кремния,
ниобия,
гафния),
• другие вещества.
Свойства композита
MoSi2 + Si3N4
Высокотемпературный
композит MoSi2 + SiС
2
Слоистые композиты типа
«подложка+функциональное покрытие»
Силицидные покрытия и материалы применяются для
защиты металлов от высокотемпературной газовой коррозии:
• нагревательные элементы,
• газовые турбины,
• комплектующие камер сгорания,
• ракетные сопла,
• арматура при разливке жидких металлов,
• промышленные газовые горелки,
• материалы для изготовления стекла.
3
Система кремний-молибден
В термодинамическом равновесии
могут существовать твердые
растворы кремния в молибдене, а
также 3 промежуточных соединения
– дисилицид MoSi2 и низшие
силициды Mo5Si3 и Mo3Si.
Указанные вещества имеют различные
кристаллические решетки, в фазах
возможны полиморфные
превращения.
Неравновесные условия формирования
силицидов молибдена еще больше
расширяют спектр возможных
составов и структур.
Фазовая диаграмма кремний – молибден
4
Цель работы: получение и анализ
слоистых композитных структур типа
«молибден – силициды молибдена»
Для достижения цели проведены работы:
 анализ известных данных по силицидным композитным и
многокомпонентным материалам;
 выбор и реализация технологий получения многослойных
силицидных композитов, приобретение навыков работы
на технологическом оборудовании;
 анализ структурно-фазовых характеристик полученных
композитов;
 формулирование предложений о перспективных
направлениях совершенствования силицидныцх слоистых
композитов.
5
Диффузионное насыщение:
простота; технологичность; экономичность; регулирование
состава и структуры; распределение компонентов.
Дисилицидные покрытия: получение
Параметры отжига
Способ
Р, Па
Насыщ. среда
ВПС
< 10-3
Si
Рис. Дисил. Покр. И график
5
кинетики
АС
10роста
Si+(2÷5%)AlF3
АС Мо при: °C: 1–900, 2–1000, 3–1150
Т, оС
t, ч.
Покрытие, мкм
900 - 1350
6 - 50
МоSi2 (30-500)+Mo5Si3 (<10)
800 – 1150
5 - 40
МоSi2 (50-600)+Mo5Si3 (< 10)
ВПС Мо, °C: 1 – 900, 2 – 1000,
3 – 1150, 4 – 1250, 5 – 1350
6
Дисилицидное покрытие на
молибдене: структура, недостатки
Поверхность MoSi2
30 мкм
400 мкм
Зарождение трещин
Сквозная трещина
Участки с
аномальным
ростом
дисилицида,
 6 мм
7
Модифицирование покрытий MoSi2
Добавки Sn, Al, Cr, Ti, Ge, Fe –
повышение жаростойкости (только до Т ~ 1500 С)
1. Модифицированные диффузионные силицидные покрытия для защиты молибдена от
окисления / Бялобжеский А.В., Красилов Б.И., Цирлин М.С. // Защитные покрытия на металлах. К.: Наук. думка, 1973. - Вьш. 7. - С. 90-93.
2. Влияние добавок железа и бериллия на жаростойкость силицидньх покритий на молибденовом сплаве ЦВМ-30 / А.А. Зайцев, Н.М. Федорчук, З.М. Лазарев, Н.А. Коротков
// Изв. АН СРСР. Металлы. - 1985. - № 5. - С. 159-163.
Барьерные слои: борирование
1. Применение боридньх покрытий в качестве диффузионных барьеров для тугоплавких
металлов / А.Л. Бурыкина, Ю.В. Дзядыкевич, А.П. Эпик, Л.А. Сосновский // Неорганические и
органосиликатные покрытия. - Л.: Наука, 1975. - С. 195-203.
2. Шляхи підвищення жаростійкості виробів із тугоплавких металів від високотемпературного
окислення / Ю.В. Дзядикевич // Украінська наука: минеле, сучасне, майбутнє. – 2008. – Вип. 13.
– С. 20-28.
Наиболее существенным недостатком многокомпонентных силицидных
композиций является снижение максимальной рабочей температуры на
8
150 – 400 °С.
Улучшение свойств
дисилицидного покрытия
«Идеальное
покрытие»
«Идеальное
многофазное»
«Первое
приближение»
Внешняя среда
Внешняя среда
Мо+Simax
МоSi2
Мо5Si3
Мо3Si
Мо+Simin
Мо
Мо
9
Получение покрытий:
 из низших силицидных фаз;
 многофазных.
Параметры отжига
Насыщ. среда
Т, оС
t, часы
1
МоSi2
1700 - 1800 20 - 40
2 стадии
2
Si
900 - 1350
10 - 20
1 стадия
WSi2
1700 - 1800 6 - 15
1 стадия
МоSi2+ WSi2 1700 - 1800
6 - 15
Способ
ВПС
Покрытие, мкм
1
Mo5Si3 (320-550)
МоSi2 (20-250) + Mo5Si3 (150-350)
МоSi2 (180-420) + Mo5Si3 (60-150) + Mo3Si (<10)
МоSi2 (70-180) + Mo5Si3 (180-300) + Mo3Si (10-20)
2
3
4
MoSi2
Mo5Si3
Мо
Покрытие
из Mo5Si3 (1)
Структура Mo5Si3 и
слой Mo3Si
Торможение
трещины
в покрытии
МоSi2+Mo5Si3
Лучшее покрытие: 75-85% (Mo3Si и Mo5Si3) + 15-25% МоSi2.
Морфология
поверхности
двухфазного покрытия;
Quanta 200
10
ВЫВОДЫ





Анализ литературных данных подтвердил, что силицидные
материалы по-прежнему активно исследуются и используются в
науке и технике.
Установлено, что полученные дисилицидные покрытия имеют
высокую дефектность, снижающую их жаростойкость.
Силицидные композитные и многокомпонентные покрытия по
дефектности и эксплуатационной стабильности лучше
дисилицидных покрытий, однако имеют меньшую предельную
рабочую температуру.
Установлено, что дефектность многофазных силицидных покрытий
ниже, чем однофазных дисилицидных. Это объясняется снижением
напряжений в покрытии при его формировании через низшие
фазы. Лучшие высокотемпературные характеристики имеет
многослойная система в которой 75-85% составляют фазы
(Mo3Si + Mo5Si3) и 15-25% фаза МоSi2.
Перспективным является оптимизация силицидных покрытий на
основе мультимасштабного подхода, где при создании структуры
на макроуровне необходимо разработать доступную технологию
получения массивных слоев фазы Mo3Si .
11
Спасибо за внимание!