西北工业大学针对航空航天热端部件高温防护需求，提出高熵碳化物涂层设计新方法
2024-09-10 16:43:32
作者：腐蚀与防护 来源：腐蚀与防护
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随着航天技术的飞速发展，对于能在极端高温环境下稳定工作的热结构材料的需求日益增长。尤其是在航天器的热端部件，如火箭发动机和高速飞行器的鼻锥等部位，这些材料不仅要承受极高的温度，还要抵御高速飞行中的氧化和机械磨损。传统的高温材料，如单一组分的碳化物，虽然具有高熔点和良好的抗氧化性，但在复杂应力和高温氧化环境下的性能仍显不足。
近年来，高熵陶瓷因其独特的高熵效应和优异的力学、热学性能，成为高温结构材料领域的研究热点。高熵陶瓷通常指由五种或更多元素以接近等摩尔比构成的多组分固溶体，这些材料因其高度无序的原子排列和高的构型熵，在热力学上表现出了卓越的稳定性和力学性能。
西北工业大学孙佳副教授团队针对航空航天领域热端部件的高温防护需求，提出了一种新颖的高熵碳化物涂层设计方法。该方法通过逆向设计思路，即首先确保氧化物尺度具有优异的抗烧蚀稳定性，来提高高熵碳化物涂层的抗烧蚀性能。相关研究成果已发表在近期的Advanced Powder Materials上。
研究团队制备了(Hf0.36Zr0.24Ti0.1Sc0.1Y0.1La0.1)C1-δ（HEC）涂层，并通过烧蚀实验验证了其抗烧蚀性能。实验结果显示，HEC涂层的线性烧蚀率仅为1.45 μm/s，远低于传统的HfC涂层，在4.18 MW/m2的氧乙炔烧蚀条件下，仅为HfC涂层的4.78%。此外，HEC涂层还展现出更高的韧性，Pugh比达到了1.55，而HfC仅为1.30。这些优异的性能得益于在烧蚀过程中原位形成的致密氧化物尺度，其晶格常数在2000~2300 ℃下的变化不超过0.19%，显示出了极高的结构适应性。
图1 高熵氧化物的形成可能性和理想晶体结构：图1(a)显示了高熵氧化物的混合吉布斯自由能变化（ΔGmix），表明在2000~2500 ℃的温度范围内，高熵氧化物可以形成；图1(b)比较了不同多组分氧化物在2000 ℃时的ΔGmix，高熵氧化物HEC具有最低的ΔGmix值，显示出最佳的结构稳定性。
图2 通过第一性原理计算分析了HEC的结构特征和力学性能。图2(a)展示了HEC的理想晶体结构，所有金属原子在阳离子子晶格中随机分布，并与碳原子形成化学键。
图3 HfC和HEC涂层的横截面微观结构和相分析。HEC涂层展现出比HfC涂层更致密的微观结构，且在SAPS过程中没有明显的元素偏聚。
图4 不同热流密度下涂层烧蚀后的宏观图像。HEC涂层在较低热流密度下显示出完整的氧化物尺度，而在较高热流密度下，尽管表面出现一定损伤，但相比HfC涂层，其烧蚀程度显著降低。
图5 烧蚀后HEC和HfC涂层的表面相和显微分析：(a) HfC涂层的XRD图谱；(b–d) 2.38 MW/m²烧蚀后HfC涂层的表面显微图像和晶粒尺寸分析；(e) HEC涂层的XRD图谱；(f–h) 2.38 MW/m²烧蚀后HEC涂层的表面显微图像和晶粒尺寸分析；(i) 图5(f)中A点和B点的EDS元素分析；(j) 图5(f)的EDS元素分布图。
图6 烧蚀后涂层的横截面显微照片：(a, b) 2.38 MW/m²烧蚀后的HfC涂层；(c–e) 4.18 MW/m²烧蚀后的HfC涂层；(f, g) 2.38 MW/m²烧蚀后的HEC涂层；(h–j) 4.18 MW/m²烧蚀后的HEC涂层。
本研究通过逆向设计方法，成功制备了具有优异抗烧蚀性能的高熵碳化物涂层。该涂层在高温烧蚀环境下展现出了极低的烧蚀率和高结构稳定性，为航空航天领域提供了一种新型的高温防护材料。研究结果不仅验证了逆向设计理论的有效性，也为高熵碳化物涂层的进一步优化和应用提供了重要的理论和实验依据。随着未来研究的深入，高熵碳化物涂层有望在更广泛的高温应用场景中发挥关键作用，推动高温材料科学的发展。
来源：材料研究进展
文献网址：
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100213
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