涂层制备方法对W基材料氧化行为的影响

研究人员总结了不同W基材料涂层制备方法对涂层组成和氧化行为的影响。可以看出，硅化物涂层主要由一个厚的WSi2层和一个薄的W5Si3层组成。由于扩散温度相对较低，HAPC涂层需要更长的时间。在1100℃下处理4~15小时后，涂层的厚度只有30~60 µm。然而，使用CVD技术，在1200℃下沉积0.5~1小时，涂层的厚度可以达到50~80 µm。相比之下，HDS技术的涂层制备效率非常高。通过在1500℃下沉积0.25~0.42小时，可以得到厚度为36~88 µm的涂层。

W及其合金表面的硅化物涂层的制备过程和氧化特性概要图片

但是，关于W基材料上的那种涂层的抗氧化性的研究还没有报道，这值得有关学者进一步研究。每种涂层都有类似的结构，根据其氧化规律可分为三个不同的温度区。当温度低于1000℃时，氧化层由分层的WO3和无定形的SiO2组成，氧气沿着涂层表面的裂缝和孔洞被输送到内部。随着WO3的逐渐挥发和氧化层的不断增厚，涂层的氧化率逐渐降低。当温度在1100℃和1200℃之间时，由于WSi2相分解成W5Si3，涂层的孔隙率迅速增加。

氧气向涂层内部的扩散速度加快，在涂层内部的裂缝处产生大量的WO3，导致体积膨胀，进一步加快了氧化反应。当温度在1300℃以上时，氧化行为中产生的WO3由于高蒸气压而大量挥发，SiO2的粘度逐渐下降。在氧化层表面形成连续稳定的石英石层。这意味着涂层的自我修复能力明显增强。优化涂层的结构，适当增加界面层的厚度，减少WSi2和W基材之间CTE不匹配造成的缺陷，对延长涂层的氧化寿命具有重要意义。

参考来源: Fu T, Cui K, Zhang Y, et al. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 884: 161057.

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