西北工業大學針對航空航天熱端部件高溫防護需求，提出高熵碳化物涂層設計新方法
2024-09-10 16:43:32
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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隨著航天技術的飛速發展，對于能在極端高溫環境下穩定工作的熱結構材料的需求日益增長。尤其是在航天器的熱端部件，如火箭發動機和高速飛行器的鼻錐等部位，這些材料不僅要承受極高的溫度，還要抵御高速飛行中的氧化和機械磨損。傳統的高溫材料，如單一組分的碳化物，雖然具有高熔點和良好的抗氧化性，但在復雜應力和高溫氧化環境下的性能仍顯不足。
近年來，高熵陶瓷因其獨特的高熵效應和優異的力學、熱學性能，成為高溫結構材料領域的研究熱點。高熵陶瓷通常指由五種或更多元素以接近等摩爾比構成的多組分固溶體，這些材料因其高度無序的原子排列和高的構型熵，在熱力學上表現出了卓越的穩定性和力學性能。
西北工業大學孫佳副教授團隊針對航空航天領域熱端部件的高溫防護需求，提出了一種新穎的高熵碳化物涂層設計方法。該方法通過逆向設計思路，即首先確保氧化物尺度具有優異的抗燒蝕穩定性，來提高高熵碳化物涂層的抗燒蝕性能。相關研究成果已發表在近期的Advanced Powder Materials上。
研究團隊制備了(Hf0.36Zr0.24Ti0.1Sc0.1Y0.1La0.1)C1-δ（HEC）涂層，并通過燒蝕實驗驗證了其抗燒蝕性能。實驗結果顯示，HEC涂層的線性燒蝕率僅為1.45 μm/s，遠低于傳統的HfC涂層，在4.18 MW/m2的氧乙炔燒蝕條件下，僅為HfC涂層的4.78%。此外，HEC涂層還展現出更高的韌性，Pugh比達到了1.55，而HfC僅為1.30。這些優異的性能得益于在燒蝕過程中原位形成的致密氧化物尺度，其晶格常數在2000~2300 ℃下的變化不超過0.19%，顯示出了極高的結構適應性。
圖1 高熵氧化物的形成可能性和理想晶體結構：圖1(a)顯示了高熵氧化物的混合吉布斯自由能變化（ΔGmix），表明在2000~2500 ℃的溫度范圍內，高熵氧化物可以形成；圖1(b)比較了不同多組分氧化物在2000 ℃時的ΔGmix，高熵氧化物HEC具有最低的ΔGmix值，顯示出最佳的結構穩定性。
圖2 通過第一性原理計算分析了HEC的結構特征和力學性能。圖2(a)展示了HEC的理想晶體結構，所有金屬原子在陽離子子晶格中隨機分布，并與碳原子形成化學鍵。
圖3 HfC和HEC涂層的橫截面微觀結構和相分析。HEC涂層展現出比HfC涂層更致密的微觀結構，且在SAPS過程中沒有明顯的元素偏聚。
圖4 不同熱流密度下涂層燒蝕后的宏觀圖像。HEC涂層在較低熱流密度下顯示出完整的氧化物尺度，而在較高熱流密度下，盡管表面出現一定損傷，但相比HfC涂層，其燒蝕程度顯著降低。
圖5 燒蝕后HEC和HfC涂層的表面相和顯微分析：(a) HfC涂層的XRD圖譜；(b–d) 2.38 MW/m²燒蝕后HfC涂層的表面顯微圖像和晶粒尺寸分析；(e) HEC涂層的XRD圖譜；(f–h) 2.38 MW/m²燒蝕后HEC涂層的表面顯微圖像和晶粒尺寸分析；(i) 圖5(f)中A點和B點的EDS元素分析；(j) 圖5(f)的EDS元素分布圖。
圖6 燒蝕后涂層的橫截面顯微照片：(a, b) 2.38 MW/m²燒蝕后的HfC涂層；(c–e) 4.18 MW/m²燒蝕后的HfC涂層；(f, g) 2.38 MW/m²燒蝕后的HEC涂層；(h–j) 4.18 MW/m²燒蝕后的HEC涂層。
本研究通過逆向設計方法，成功制備了具有優異抗燒蝕性能的高熵碳化物涂層。該涂層在高溫燒蝕環境下展現出了極低的燒蝕率和高結構穩定性，為航空航天領域提供了一種新型的高溫防護材料。研究結果不僅驗證了逆向設計理論的有效性，也為高熵碳化物涂層的進一步優化和應用提供了重要的理論和實驗依據。隨著未來研究的深入，高熵碳化物涂層有望在更廣泛的高溫應用場景中發揮關鍵作用，推動高溫材料科學的發展。
來源：材料研究進展
文獻網址：
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100213
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