蕭威典、劉武漢 / 工研院材化所
【內文精選】
熔射超高溫陶瓷
2. 熔射超高溫碳化物陶瓷塗層
(2) 碳化鈦
由於地殼鈦資源豐富，碳化鈦(TiC)的生產成本相對較低，同時也因為具有硬質陶瓷的優良性能，因此使得TiC的研究更具有實用價值。TiC具有高熔點和低密度，在要求嚴格的高溫環境下尤具應用價值。TiC陶瓷具有高硬度、優異的低電阻和導熱性，且耐化學侵蝕性、耐磨性和抗熱變形性佳。藉由大氣電漿熔射噴塗TiC塗層，是一種非常方便和高效的方法，可以快速沉積相對較厚的TiC塗層，保護基材免受磨損、腐蝕和高溫環境的影響。初期利用大氣電漿熔射製作的TiC塗層，分析結果發現塗層中存在的相，主要為TiC和TiO2相，相對具有較高的孔隙率。噴塗表面同時呈現有熔融和未熔融的顆粒結構，微觀結構顯示大致上緻密且結合良好，並存在冷卻時應力引起的一些微裂紋。由於孔隙率的存在，以及層間結構與和相組成的影響，機械性質低於其他方法所製作的塊狀陶瓷。
儘管TiC具有巨大的應用潛力，但TiC碳化物固有的脆性極大地限制了其應用範圍，因此可以利用第二相來提高TiC碳化物陶瓷材料的韌性。目前增韌TiC陶瓷材料常見的添加物主要有SiC、WC、C、CNTs等，SiC的添加可以顯著降低燒結溫度並促進擴散，TiC-SiC陶瓷硬度可達到31 GPa。圖五所示為利用高速火焰進行抗燒蝕測試，燒蝕測試的時間為30秒。圖六和圖七所示為利用高速火焰進行AISI 304基板抗燒蝕測試，AISI 304基板於抗燒蝕測試30秒前後之外觀，顯示AISI 304基板在燒蝕測試30秒後基板穿透。
圖六、利用高速火焰進行AISI 304基板抗燒蝕測試
圖九所示為利用高速火焰進行TiC-SiC-MoSi2複合塗層抗燒蝕測試，TiC-SiC-MoSi2複合塗層於抗燒蝕測試30秒前後之外觀，顯示TiC-SiC-MoSi2複合塗層在燒蝕測試30秒後外觀仍保持完好，可以抵抗高速火焰的燒蝕。
圖九、TiC-SiC-MoSi2複合塗層抗燒蝕測試30秒前後之外觀
3. 熔射超高溫高熵陶瓷
高熵陶瓷塗層及高熵合金塗層，利用各種熔射製程技術製作成為塗層，提供耐磨耗、耐腐蝕、耐氧化和耐燒蝕等應用。與金屬高熵合金相比，高熵陶瓷目前的研究較少。高熵陶瓷的特徵是陽離子位置金屬元素的固有原子無序性，導致成分複雜性和顯著的晶格畸變，高構型熵可能使高熵陶瓷在高溫下更加熱力學穩定。高熵硼化物(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2和(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Mo0.2Ti0.2)B2，呈現出具有層狀六方結構的單相固溶體，並且比二元金屬二硼化物（例如HfB2或ZrB2）表現出更高的硬度和抗氧化性。高熵碳化物陶瓷(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C繼承了二元碳化物陶瓷的高彈性模量和硬度---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》464期，更多資料請見下方附檔。