航空航天技术的迅猛发展导致高性能航空发动机合金的开发成为全球关注的热点。与传统的镍基高温合金相比，铌合金凭借其具有适中的密度、高熔点以及优异的高温强度等多种优点，已被认为是冶金、航空航天以及核能等领域最有前途的高温结构材料之一。尽管铌在室温下表现出很高的化学稳定性，但随着温度的升高，它在含氧环境中会发生致命的氧化，这严重限制了其在高温下的使用。为了防止氧化失效，表面涂层技术被认为是高温下保护铌及其合金的最有效方法。但是涂层和基体之间的热膨胀系数不匹配会导致涂层体系在冷却过程中产生裂纹，从而破坏涂层的完整性。因此，如何通过调节涂层体系的成分以及结构以获得高致密性、无缺陷且结合度高的高温抗氧化涂层成为了研究的核心。

近日，针对难熔金属铌表面高温抗氧化涂层的难题，基于废弃硅钼棒再利用的思想，中国矿业大学和香港理工大学的研究人员通过以废弃硅钼棒和难熔金属硅化物等为原料，采用放电等离子烧结技术在铌金属表面制备厚度可控、结合性好以及高致密性的硅基抗氧化涂层。研究人员发现，通过引入难熔金属硅化物和碳化硅能够有效减少涂层内部出现的贯穿裂纹，并在1700℃高温环境下形成具有低氧气渗透率的Zr-Si-O复相氧化玻璃膜，在高温环境下起到优异的氧屏障层作用。此外，研究人员利用先进的热动力学计算等方法辅助解释氧化过程中涂层主相和辅相的氧化行为，建立了具有指导意义的氧化动力学模型。本研究工作为难熔金属表面新型高温抗氧化涂层的开发提供了新的思路和技术支持。

本研究工作以“Recycling of MoSi₂-based industrial solid wastes for the fabrication and high-temperature oxidation behavior of MoSi₂–ZrSi₂–SiC composite coating”为题发表在复合材料领域顶级期刊《Composites Part B： Engineering》上。第一作者为香港理工大学朱路博士，香港理工大学张诗鹏教授和中国矿业大学冯培忠教授为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111281

图1 SPS烧结后MoSi₂（a-c）和MoSi₂-ZrSi₂-SiC（d-f）涂层的表面形貌和WDS分析

图2 1500 ℃氧化0-50小时后MoSi₂和MoSi₂-ZrSi₂-SiC涂层的截面形貌和EDS分析；涂层氧化过程中氧化膜的厚度值（i）和增长速率（j）

图3 1700 ℃氧化30和120分钟后MoSi₂（a，c）和MoSi₂-ZrSi₂-SiC（b，d）涂层的表面形貌和对应的EDS分析

图4 氧化反应的吉布斯自由能和对应的氧分压规律

研究亮点：

• 基于废弃硅钼棒全物质利用的思想，将废弃硅钼棒作为涂层原料，利用其中的MoSi₂相优异的抗氧化性能获得了形貌致密、厚度可控、成分均匀以及结合性好高温抗氧化涂层。

• 通过具有低热膨胀系数的第二相减缓了涂层和基体之间的热膨胀系数失配，获得了无裂纹且致密度高的硅基体系涂层。

• 通过引入难熔金属硅化物，形成了多相组成的难熔金属复相玻璃氧化膜，且具备低氧气渗透性以及高稳定性等特性，在1700℃高温环境下表现出优异的阻氧性能和基体保护作用。