蕭威典、劉武漢 / 工研院材化所
超高溫陶瓷具有超高熔點、優異的機械性能和高溫下的耐燒蝕特性，此類材料包括硼化物、碳化物、氮化物等。熔射技術所製作的超高溫陶瓷塗層，塗層材料熔點超過3,000˚C，能夠承受超過2,000˚C溫度的運作，並且在使用過程中不喪失功能。隨著塗層在不同的應用環境需求，由於使用環境越來越嚴苛，在極端的使用環境狀況下，無論是新一代的航空與太空飛行器，或是高溫操作下的爐體、發動機的零組件，都需要此類耐超高溫環境的材料。然而，由於目前塊材超高溫陶瓷的加工方式，受到尺寸和形狀限制，使用熔射超高溫陶瓷塗層可以不受尺寸和形狀限制，製作大面積尺寸和複雜形狀的塗層，提供元件在極高溫度下運作的保護。
【內文精選】
熔射超高溫陶瓷
1. 熔射超高溫硼化物陶瓷塗層
對超音速而言，指速度超過音速(1馬赫)，而高超音速則有5倍以上的音速。在達到超音速時，飛機的噴射引擎零件會受到大量熱氣流(>2,500˚C)的影響，這些熱氣流在高速渦輪引擎中被壓縮並產生向前推力。此種高溫及高速機械系統性能的提升，會導致高溫結構材料的工作環境日益嚴峻，因此對於更可靠的高溫塗層需求不斷增加。在這類超高溫環境下使用的陶瓷塗層，需提高結構材料的性能，並延長惡劣環境下運作的時間和溫度。大氣電漿熔射所產生的電漿噴流具有極高溫度，可用於熔化超高溫陶瓷材料(圖一)。大氣電漿熔射沉積超高溫硼化物陶瓷塗層，塗層微觀結構具有一定程度的孔隙率、硼化物相的部分氧化，噴塗過程中原料熔化不完全，造成噴塗表面呈現熔化扁平粒子(Splats)和未熔化顆粒組合。
圖一、大氣電漿熔射噴塗塗層的狀況
多年來，許多研究人員試圖描述硼化物塗層的氧化機制，最早的研究對低壓電漿熔射塗層進行了熱重分析(TGA)。發現ZrB2的氧化是由於在733 K時形成液態B2O3。此時，進一步的氧化由O2透過B2O3層的擴散速率控制，如圖二。這項工作也顯示ZrB2塗層中添加SiC可以提高塗層的抗氧化性能。添加25 vol.% SiC導致在1,113 K至1,473 K之間形成二氧化矽–氧化硼和硼矽酸鹽玻璃，從而保護塗層免遭進一步氧化。在1,473 K以上，隨著B2O3開始蒸發，該層開始失去其保護性能 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、ZrB2和ZrB2-SiC塗層的熱重分析結果
★本文節錄自《工業材料雜誌》463期，更多資料請見下方附檔。