用双辉等离子法生成ZrC合金层的生长机制与抗氧化机理研究

Zirconium carbide (ZrC) attracts worldwide attention due to its excellent properties and promising application for high temperature service. Using plasma surface metallurgy technique, gradient ZrC-alloyed layers with an excelent bonding to substrates are prepared on carbon-carbon composite and martensite stainless steel with a target of pure zirconium in order to avoid spallation of ZrC coatings in this proposal. The main contents for the preparation of ZrC-alloyed layer include the optimization of preparing processes,effect of macro parameters on formation kinetics of alloyed layers, effective control of the composition and thickness of alloyed layers,interaction of zirconium with substrate elememts and its effect on the formation mechanism of alloyed layers, and analyzing the thermal stress in the alloyed layer using finite elements method. The research for oxidation, another main part of this proposal, focuses on the oxidation kinetics, thermodynamics, formation and growth of the oxide scale.The oxidation mechanism and diffusion of elements are also analyzed from the electronic or atomic level by the first-principles calculation. The distinguishing feature of the proposal lies in three points: formation mechanism of ZrC alloyed layer, theoretical analysis of thermal stress of alloyed layers, and the theoretical simulation of oxidation mechanism.The research is of important in guiding and theoretical significance for preparation of surface ceramic materials using plasma surface metallurgy technique.

ZrC的综合优良性能及在高温领域的重要应用前景，备受世人瞩目。为了克服现有ZrC表面沉积层的剥落现象，本研究将采用等离子表面冶金技术，以纯锆为靶材，在炭/炭复合材料及马氏体不锈钢表面制备成分呈梯度分布并与基体良好结合的ZrC合金层。研究内容包括：制备工艺的优化，宏观参数对合金层形成动力学的影响，合金层成分与厚度的有效控制；探索锆与基体元素的相互作用及对合金层形成机制的影响；运用有限元分析合金层的热应力分布；研究合金层表面氧化动力学和热力学行为以及氧化膜形成、生长机制；用第一性原理从原子、电子层次揭示元素在氧化过程中的扩散规律和氧化机制。研究中涉及的ZrC合金层的形成机制、合金层热应力理论分析、氧化机制理论模拟等内容是本项目的创新所在。本项目研究结果对用等离子表面冶金技术制备表面陶瓷材料具有一定的理论价值和指导意义。

炭/炭（C/C）复合材料具有低密度、高比强、低膨胀系数等优点，是高温材料发展的主要趋势，而马氏体不锈钢具有强度高耐蚀性较好的特点。然而C/C复合材料在400℃以上有氧环境中会发生氧化，中高碳马氏体不锈钢也只有在650℃以下具有稳定的抗氧化性能。利用等离子表面合金化技术，在40Cr13、80Cr17马氏体不锈钢、C/C复合材料以及40钢基材进行Zr、Cr、Ni、Co、Ta、SiC、CoNiCrAlTaHfY表面合金化处理，在不同基材表面分别形成含ZrC、Cr23C6（Cr7C3）、SiC、TaC等抗高温氧化合金层或复合涂层。除项目制定的ZrC合金层外，还针对马氏体不锈钢表面渗Cr层、Zr/Cr复合渗层以及C/C复合材料表面Cr涂层、Zr/Ni、Cr/Ni、Zr-Cr/Ni、CoNiCrAlTaHfY/Co复合涂层制备及高温抗氧化性能开展研究工作，通过MPCVD刻蚀预处理和过渡层解决高碳基材表面形成合金层和涂层难等问题，探索基体元素与渗入元素间的相互作用及其对合金层与涂层形成机制的影响，研究合金层表面氧化膜形成、生长机制、氧化热力学行为，并从原子、电子层次认识合金元素在合金层形成以及氧化过程中的扩散规律和氧化机制。本项目研究结果既可从理论上深入研究合金层及其氧化层的稳定性和界面结构，也可为人们在含碳基材表面制备碳化物合金层及其在高温苛刻领域的应用提供技术指导和理论依据。