Effect of the Content of Molybdenum Disilicide on the Microstructure and Phase Transformations of ZrB2-MoSi2-10Al Coatings upon Annealing in Air

Abstract

У роботі композитні покриття на основі ZrB2 з різним вмістом MoSi2 були виготовлені робототехнічним комплексом для детонаційного розпилення покриттів, обладнаним багатокамерним прискорювачем детонації (MCDS). Еволюцію мікроструктури та фазового складу покриттів ZrB2-xMoSi2 (х = 24, 35, 45 мас. %)-10Al аналізували за допомогою диференціального скануючого калориметра, рентгенівської дифрактометрії (in situ HT-XRD) та скануючої електронної мікроскопії при температурі від 25 до 1400 °C (нормальна атмосфера та тиск). Під час аналізу було помічено, що m-SiO2 та ZrSiO4 з'являються при 960 °C. Також при досягненні температури 1235 °С у покриттях ZrB2-xMoSi2-10Al утворюються фіаніт та муліт. В покриттях ZrB2-xMoSi2-10Al при температурі 1400 °С збільшення вмісту MoSi2 у вихідному покритті призводить до майже повного зникнення кубічної фази діоксиду цирконію, а вміст муліту збільшується. Встановлено, що мікроструктура покриття змінюється зі збільшенням вмісту MoSi2 після окислення при 1400 °C від щільної до "більш дефектної". Покриття ZrB2- 24MoSi2-10Al має рівномірну щільну мікроструктуру в порівнянні з покриттями, якф містять 35 та 45 мас. % MoSi2. Це сприяє його хорошій стійкості до окислення при високій температурі.

The advantages of carbon/carbon (C/C) composites are low density, high heat capacity, resistance to thermal shock, low coefficients of friction and linear expansion, etc. However, their use in oxygen-containing environment at high temperatures is only possible with special protective heat-resistant gas-tight coatings, which prevent the access of oxygen to carbon. In this work, ZrB2-based composite coatings with different contents of MoSi2 were fabricated on the surface of C/C composites by a Robotic complex for detonation spraying of coatings equipped with a multi-chamber detonation accelerator (MCDS). Flat specimens (10 x 10 x 5 mm3) of 3D C/C composites (density 1.9 g/cm3) were used as substrates. The evolution of the microstructure and phase composition of ZrB2-xMoSi2 (х = 24, 35, 45 wt. %)-10Al coatings were analyzed with differential scanning calorimeter, X-ray diffractometry (in situ HT-XRD) and scanning electron microscopy at temperatures from 25 to 1400 °C (normal atmosphere and pressure). During analysis, it was observed that m-SiO2 and ZrSiO4 appear at 960 °C. Also, upon reaching the temperature 1235 °C, cubic zirconia and mullite are formed in ZrB2- xMoSi2-10Al coatings. In ZrB2-xMoSi2-10Al coatings at a temperature of 1400 °C, an increase in the MoSi2 content in the initial coating leads to almost complete disappearance of the cubic phase of zirconium dioxide, and the mullite content increases. It was found that the microstructure of the coating changed with an increase in the MoSi2 content after oxidation at 1400 °C from a dense to a "more defective". ZrB2-24MoSi2-10Al coating has a uniform dense microstructure in comparison with coatings containing 35 and 45 wt. % of MoSi2. It is contributed to its good oxidation-resistant property at high temperature.