A zirconium carbide coating on graphite prepared by ...

1 downloads 0 Views 2MB Size Report
[16] ZHAO Dan, ZHANG Changrui, HU Haifeng, ZHANG Yudi. Ablation behavior and mechanism of 3D C/ZrC composite in oxyacetylene torch environment [J].
J. Cent. South Univ. (2014) 21: 472−476  DOI: 10.1007/s11771­014­1962­z 

A zirconium carbide coating on graphite prepared by reactive melt infiltration  YANG Xin(杨鑫) 1, 2 , SU Zhe­an(苏哲安) 2 , HUANG Qi­zhong(黄启忠) 2 ,  CHAI Li­yuan(柴立元) 1 , ZHONG PING(钟平) 2 , XUE Liang(薛亮) 2  1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;  2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy (Central South University), Changsha 410083, China  © Central South University Press and Springer­Verlag Berlin Heidelberg 2014  Abstract: A dense ZrC coating with the thickness of 130 μm is prepared on graphite by reactive melt infiltration. XRD and SEM  analyses show that the phase composition of the coating is ZrC and it adheres well with the substrate. The influence of ZrC coating  on mechanical properties of the graphite was investigated by compression tests and the results show that after the coating process, the  compression  strength  of  the  coated  sample  is  improved  by  13.64%  as  compared  with  graphite  sample.  The  improvement  of  the  compression strength for ZrC coated sample can be associated to the increased density and the ZrC particle reinforcement due to the  infiltration and reaction of the melted Zr with carbon substrate in the coating process.  Key words: graphite; compression strength; coating; ZrC 

1 Introduction  Carbon  materials  are  ideal  high­temperature  structural  materials  for  engineering  and  aerospace  applications, due to their advantages of lightweight, high  strength,  excellent  thermal  shock  and  thermal  erosion  resistance, and they are widely used in electrical contact,  heating  unit,  fusion  reactors,  space  shuttle,  rocket  nozzles and propulsion systems [1−3]. However, with the  development  of  new  generation  rocket  and  advanced  space  vehicles,  their  service  condition  becomes  harsh.  For carbon materials used in the high heat flux and high  pressure  gas  flow  environment,  the  oxidation  and  ablation  of  the  material  will  lead  to  the  degradation  of  physical­chemical  properties  and  thus  restrict  their  further  applications.  Therefore,  to  exert  their  full  potential,  additional  protection  that  can  extent  their  service life under severe condition is necessary.  To  protect  carbon  materials  from  oxygen  attacking  at  high  temperature,  ceramic  coatings  have  been  explored  and  are  considered  as  an  efficient  method  because  they  can  effectively  separate  the  carbon  substrate  from  oxidizing  environment.  However,  the  design  of  new  generation  flight  vehicles  with  sharp  nosetip,  engine  cowl  inlets  and  leading  edges  requires  that  the  materials  used  in  this  field  can  operate  in  air  from 2000 to 2400 °C and be re­usable [4]. At such high 

temperatures, SiC and Si­based coatings cannot meet the  requirement any more [5−8], because the transition from  the  passive  to  active  oxidation  will  inevitably  accelerate  ablation  rate  and  cause  unacceptable  shape  change.  To  further improve the ablation resistance of carbon material  at  ultrahigh  temperature,  refractory  metal  carbides  such  as TaC, ZrC and HfC have been applied on their surface  and  achieved  great  success  [9−14].  Among  these  refractory  metal  carbides,  zirconium  carbides  have  attracted  much  attention  because  of  their  relatively  low  density,  low  cost,  excellent  ablation  resistant,  good  strength  at  high  temperatures,  and  the  ability  to  form  refractory zirconium oxide scales with a melting point of  2770  °C  [15−17],  which  are  typical  thermal  barrier  materials  and  can  protect  them  withstanding  temperatures up to 2500 °C.  At  present,  ZrC  coatings  are  usually  deposited  on  carbon  material  by  chemical  vapor  deposition  (CVD)  [18−21].  However,  due  to  the  low  deposition  rate,  the  coating  process  is  time  consuming,  thus  increasing  the  manufacturing  cost  and  their  applications  are  limited.  Recently,  WEN  et  al  [22]  developed  a  novel  tungsten  inert  gas  cladding  technique  to  prepare  ZrC  coating  on  graphite  through  the  reaction  of  graphitic  carbon  with  ZrO2. However, to expand their applications in ultrahigh  temperature  environment, new  methods  that  can prepare  dense ZrC coatings for carbon materials are essential and  urgent. 

Foundation  item:  Project(51304249)  supported  by  the  National  Natural  Science  Foundation  of  China;  Project(14JJ3023)  supported  by  Hunan  Provincial  Science  Foundation  of  China;  Project(2011CB605801)  supported  by  the  National  Basic  Research  Program  of  China;  Projects(2012M511752, 2013T607767) supported by the  China Postdoctoral Science Foundation; Project(2012QNZT004) supported by  the  Fundamental  Research Funds  for  the  Central  Universities of  China;  Project  supported  by the  Freedom  Explore  Program  of  Central  South University, China  Received date: 2012−09−04; Accepted date: 2012−12−24  Corresponding author: HUANG Qi­zhong, Professor; Tel: +86−731−88836078; E­mail: [email protected]

J. Cent. South Univ. (2014) 21: 472−476 

In  this  work,  the  ZrC  coating  with  dense  structure  was  prepared  by  reactive  melt  infiltration  at  high  temperature.  Compared  with  CVD  process,  the  reactive  melt  infiltration  is  more  suitable  to  prepare  ceramic  coatings  for  its  advantages  of  low  cost,  easy  operation,  and  no  special  requirements  to  the  complex  gas  feed  stream system. More importantly, the reactions occurring  between  the  substrate  and  coating  materials  also  enhanced  the  bonding  ability  of  the  coating  with  substrate.  The  microstructure  feature  and  phase  composition of the ZrC coating prepared by reactive melt  infiltration  were  present.  Meanwhile,  the  influence  of  ZrC  coating  on  the  compression  properties  of  the  graphite was also investigated. 

2 Experimental  The  graphite  with  the  density  of  1.76  g/cm 3  was  used  as  substrate  for  coating  and  then  cut  into  small  specimens of 10 mm×10 mm×10 mm. Before the coating  process,  the  specimens  were  hand­polished  using  600  grit  SiC  paper,  then  cleaned  ultrasonically  with  ethanol  and  dried  at  120  °C  for  2  h.  The  zirconium  powder  of  48  μm  was  placed  around  the  graphite  samples  in  a  graphite  crucible.  Then,  the  samples  were  heated  up  to  2000  °C  under  the  pressure  of  200  Pa.  At  the  temperatures  higher  than  the  zirconium  melting  point,  the  zirconium  powder  melted  and  reacted  with  the  graphitic  carbon  to  form  the  ZrC  coating.  The  whole  coating process was conducted at the temperature within  the range of 2000−2300 °C for 1 h, followed by a natural  cooling course.  To evaluate the mechanical properties of the coated  samples,  compression  tests  were  carried  out  on  a  servohydraulic  machine  of  3369  (INSTRON  Co.,  Ltd.,  USA).  The  size  of  the  tested  sample  was  10  mm×  10  mm×10  mm  and  the  crosshead  speed  was  kept  at  2  mm/min. The  compression  strength  was  calculated  from  the values of five specimens under each test condition.  The  surface  morphologies  of  the  coating  and  the  fracture  characteristic  of  the  coated  sample  after  compression  test  were  observed  with  scanning  electron  microscope (SEM). X­ray diffraction (XRD) and energy  dispersive spectroscopy (EDS) were also used to identify  crystalline structures and analyze element distribution in  the coating, respectively. 

3 Results and discussion  Figure 1 shows the typical XRD pattern of the ZrC  coating prepared  by  reactive  melt infiltration. The result  indicates that the phase composition of the coating is ZrC.  No detectable zirconium peak is seen on the XRD pattern,  which may be attributed to the fast diffusion of carbon in 

473 

Fig.  1  XRD  pattern  of  ZrC  coating  prepared  by  reactive  melt  infiltration 

the reaction course.  All the strong intensity peaks of the  coating (2θ=33.0°, 38.3°, 55.3°, 65.9°, 69.3°, 82.1°) can  be  indexed  as  ZrC  (111),  (200),  (220),  (311),  (222)  and  (400) planes according to the JCPDS card No. 35­0784.  Figure  2  displays  the  surface  images  and  EDS  analysis of the ZrC coating. It is obvious that the coating  surface  is  even  and  smooth,  which  is  mainly  composed  of ZrC crystals. Meanwhile, it should be noted that these  ZrC  crystals  reveal  a  hexagonal  characteristic  to  some  extent (Fig. 2(a)). Though no obvious holes can be found  on the coating surface, some micro­cracks are inevitably  formed due to the rapid cooling from high temperature to  room  temperature  after  the  coating  process  (Fig.  2(b)).  Figure 2(c)  shows  the  EDS  spectrum  of  the  as­prepared  ZrC coating. It can be seen that the coating only contains  Zr and C elements, which further confirms the formation  of  the  ZrC  coating  and  the  result  is  in  good  agreement  with the XRD analysis.  Figure  3  presents  cross­sectional  micrographs  and  element  line  scanning  EDS  analysis  result  of  the  ZrC  coating. From Fig. 3(a), it is clear that the ZrC coating is  130  μm  in  thickness  and  it  reveals  a  uniform  thickness  distribution.  Meanwhile,  no  penetration  cracks  or  holes  are visible, indicating the formation of a perfectly dense  structure. To have a more detailed insight of the structure  of the ZrC coating, the cross­sectional image with higher  magnification  is  also  conducted  to  observe  the  combination feature of the coating. As shown in Fig. 3(b),  an evident interface is found between the coating and the  substrate,  unlike  the  SiC  coatings  prepared  by  other  reactive  methods  [23−25].  To  further  understand  the  composition  of  the  coating  in  the  whole  cross­sectional  direction, the element line scanning EDS analysis of the  coating was conducted and the result is displayed in Fig.  3(c). From Fig. 3(c), it is apparent that the concentration  of  the  Zr  and  C  elements  does  not  change  obviously  across  the  coating,  while  at  the  interface,  the  concentration of the Zr and C elements suddenly changes.

474 

Fig. 2 SEM images ((a) and (b)) and EDS analysis result (c) of  ZrC coating 

Moreover,  it  is  noteworthy  that  Zr  element  is  also  detected in the graphite substrate, indicating that some Zr  infiltrates  into  the  graphite  substrate  in  the  coating  process.  Typical load−displacement  curves  derived  from the  compression  tests  for  graphite  and  ZrC  coated  graphite  are  shown  in  Fig.  4.  It  can  be  observed  that  these  two  materials  exhibit  pseudo­plastic  fracture  behavior  in  the  compression process. Meanwhile, it is also indicated that  the  graphite  sample  shows  more  sudden  drops  after  the  maximum  load  is  reached,  suggesting  a  better  mechanical property for the coated graphite. Furthermore,  after  the  coating  process,  the  calculated  compression  strength  of  the  coated  sample  is  increased  from  30.8  to  35.0  MPa,  and  compared  with  graphite  sample,  the  compression strength is improved by 13.64%.  Figure 5  shows  the  fracture  surface micrographs  of 

J.  Cent.  South  Univ.  (2014)  21:  472−476 

Fig.  3  SEM  micrographs  and  element  line  scanning  EDS  analysis  result  of  ZrC  coating: (a)  Cross­section;  (b) Interface  between  coating  and  graphite;  (c)  EDS  element  line  scanning  result of coating 

Fig.  4  Typical  load−displacement  curves  of  graphite  and  graphite with ZrC coating

J. Cent. South Univ. (2014) 21: 472−476 

475 

Fig.  5  Fracture  surface  micrographs  of  ZrC  coated  graphite  after  compression  test:  (a)  Combination  feature  of  ZrC  coating  with  graphite; (b) Fracture surface; (c) Micrograph of Zr infiltrated region; (d) EDS analysis result of Zr infiltrated region 

the  ZrC  coated  graphite  after  compression  test.  The  cross­section micrograph  of  Fig. 5(a) clearly  shows  that  the  coating  is  still  integrate  and  adheres  well  with  graphite even after compression test, indicating the good  bonding ability between them. As shown in Fig. 5(b), the  coated  sample  exhibits  a  rough  fracture  surface.  Meanwhile,  it  should  be  noted  that  the  defects  such  as  holes  and  cracks  that  usually  contain  in  graphite  can  rarely  be  found  on  the  fracture  surface  (Fig.  5(c)).  Moreover,  the  EDS  result  indicates  that  Zr  element  is  also  detected  on  the  fracture  surface  (Fig.  5(d)),  which  means  that  the improved  dense  structure  of  the  graphite  substrate may be attributed to the infiltration and reaction  of  the  melted  Zr  into  the  substrate.  Therefore,  based  on  the  above  analysis,  it  can  be  inferred  that  the  improvement of the compression strength for ZrC coated  sample can be associated to the increased density and the  ZrC  particle  reinforcement  due  to  the  infiltration  and  reaction  of  the  melted  Zr  with  carbon  substrate  in  the  coating process. 

the  obtained  ZrC  coating  is  130  μm and it adheres  well  with the substrate.  2)  After  the  coating  process,  the  average  compression  strength  of  the  coated  sample  is  increased  from  30.8  to  35.0  MPa.  Compared  with  the  graphite  sample, the compression strength of the coated sample is  improved by 13.64%.  3) The improvement of the compression strength for  ZrC  coated  sample  can  be  attributed  to  the  increased  density  and  the  ZrC  particle  reinforcement  due  to  the  infiltration  and  reaction  of  the  melted  Zr  with  carbon  substrate in the coating process. 

References  [1] 

[2] 

4 Conclusions  [3] 

1)  A  dense  ZrC  coating  is  prepared  on  graphite  by  reactive  melt  infiltration.  The  coating  is  mainly  composed of ZrC crystals which reveal a well­developed  hexagonal characteristic to some extent. The thickness of 

[4] 

HUANG Min, LI Ke­zhi, LI He­jun, FU Qian­gang, SUN Guo­dong.  Si­Al­Ir  oxidation resistant coating  for carbon/carbon composites by  slurry dipping [J]. J Mater Sci Technol, 2009, 25(3): 344−346.  YANG  Xin,  HUANG  Qi­zhong,  ZOU  Yan­hong,  CHANG  Xin,  SU  Zhe­an, ZHANG Ming­yu, XIE Zhi­yong. Anti­oxidation behavior of  chemical vapor reaction SiC coatings on different carbon materials at  high temperatures [J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2009, 19(5):  1044−1050.  YANG  Xin,  ZOU  Yan­hong,  HUANG  Qi­zhong,  SU  Zhe­an,  CHANG  Xin,  ZHANG  Ming­yu,  XIAO  Yong.  Improved  oxidation  resistance  of  chemical  vapor  reaction  SiC  coating  modified  with  silica  for  carbon/carbon  composites  [J].  Journal  of  Central  South  University of Technology, 2010, 17(1): 1−6.  OPEKA  M  M,  TALMY  I  G,  ZAYKOSKI  J  A.  Oxidation­based

476 

[5] 

[6] 

[7] 

[8] 

[9]  [10] 

[11] 

[12] 

[13] 

[14] 

[15] 

J.  Cent.  South  Univ.  (2014)  21:  472−476  materials selection for 2000 °C+hypersonic aerosurfaces: Theoretical  considerations  and  historical  experience  [J].  Journal  of  Materials  Science, 2004, 39(19): 5587−5904.  WANG  Yi,  XU  Yong­dong,  WANG  Yi­guang,  CHENG  Lai­fei,  ZHANG  Li­tong.  Effects  of  TaC  addition  on  the  ablation  resistance  of C/SiC [J]. Materials Letters, 2010, 64(19): 2068−2071.  YANG Xin, HUANG  Qi­zhong, CHANG Xin,  SU Zhe­an, ZHANG  Ming­yu,  ZHOU  Le­ping,  JIN  Gu­yin.  Preparation  of  ZrC­SiC  multi­coating on  graphite  with ZrSiO4  powder via  pack cementation  [J]. Journal of Inorganic Materials, 2010, 25(1): 41−46. (in Chinese)  ZOU  L  H,  WALI  N,  YANG  J  M,  BANSAL  N  P,  YAN  D.  Microstructural characterization of a Cf/ZrC composite manufactured  by reactive melt infiltration [J]. Int J Appl Ceram Technol, 2011, 8(2):  329−341.  TONG  Yong­gang,  BAI  Shu­xin,  CHEN  Ke.  C/C–ZrC  composite  prepared  by  chemical  vapor  infiltration  combined  with  alloyed  reactive  melt  infiltration  [J].  Ceramics  International,  2012,  38(7):  5723−5730.  SAYIR  A.  Carbon  fiber  reinforced  hafnium  carbide  composite  [J].  Journal of Materials Science, 2004, 39(19): 5995−6003.  LI  Guo­dong,  XIONG  Xiang, HUANG  Bai­yun.  Microstructure  characteristic and formation  mechanism  of crackfree TaC coating on  C/C  composite  [J].  Trans  Nonferrous  Met  Soc  China,  2005,  15(6):  1206−1213.  HE  Han­wei,  ZHOU  Ke­chao,  XIONG  Xiang,  HUANG  Bai­yun.  Investigation  on  decomposition  mechanism  of  tantalum  ethylate  precursor  during  formation  of  TaC  on  C/C  composite  material  [J].  Materials Letters, 2006, 60(28): 3409−3412.  CHEN  Zhao­ke,  XIONG  Xiang,  LI  Guo­dong,  SUN  Wei,  LONG  Ying.  Texture  structure  and  ablation  behavior  of  TaC  coating  on  carbon/carbon composites [J]. Applied Surface Science, 2010, 257(2):  656−661.  WANG  Yong­jie,  LI  He­jun,  FU  Qian­gang,  WU  Heng,  YAO  Dong­jia,  WEI  Bing­bo.  Ablative  property  of  HfC­based  multilayer  coating  for  C/C  composites  under  oxy­acetylene  torch  [J].  Applied  Surface Science, 2011, 257(10): 4760−4763.  WANG  Ya­lei,  XIONG  Xiang,  LI  Guo­dong,  ZHANG  Hong­bo,  CHEN  Zhao­ke,  SUN  Wei,  ZHAO  Xue­jia.  Microstructure  and  ablation  behavior  of  hafnium  carbide  coating  for  carbon/carbon  composites  [J].  Surface  &  Coatings  Technology,  2012,  206(11/12):  2825−2832.  HAN  Wen­bo,  WANG  Zhi.  Fabrication  and  oxidation  behavior  of  a 

[16] 

[17] 

[18] 

[19] 

[20] 

[21] 

[22] 

[23] 

[24] 

[25] 

reaction  derived  graphite–ZrC  composite  for  ultrahigh  temperature  applications [J]. Materials Letters, 2009, 63(24/25): 2175−2177.  ZHAO  Dan,  ZHANG  Chang­rui,  HU  Hai­feng,  ZHANG  Yu­di.  Ablation  behavior  and  mechanism  of  3D  C/ZrC  composite  in  oxyacetylene  torch  environment  [J].  Composites  Science  and  Technology, 2011, 71(11): 1392−1396.  LI  Qing­gang,  DONG  Shao­ming,  WANG  Zhen,  HE  Ping,  ZHOU  Hai­jun,  YANG  Jin­shan,  WU  Bin,  HU  Jian­bao.  Fabrication  and  properties  of  3­D  Cf/SiC–ZrC  composites,  using  ZrC  precursor  and  polycarbosilane [J]. Journal of the American Ceramic Society, 2012,  95(4): 1216−1219.  WON  Y  S,  VARANASI  V  G,  KRYLIOUK  O,  ANDERSON  T  J,  MCELWEE­WHITE  L,  PEREZ  R  J.  Equilibrium  analysis  of  zirconium carbide CVD growth [J]. Journal of Crystal Growth, 2007,  307(2): 302−308.  WANG  Yi­guang,  LIU  Qiao­mu,  LIU  Jin­ling,  ZHANG  Li­tong,  CHENG  Lai­fei.  Deposition  mechanism  for  chemical  vapor  deposition of zirconium carbide coatings [J]. Journal of the American  Ceramic Society, 2008, 91(4): 1249−1252.  PARK  J  H,  JUNG  C  H,  KIM  D  J,  PARK  J  Y.  Temperature  dependency  of  the  LPCVD  growth  of  ZrC  with  the  ZrCl4­CH4­H2  system  [J].  Surface  &  Coatings  Technology,  2008,  203(3/4):  324−  328.  SUN Wei, XIONG Xiang, HUANG Bai­yun, LI Guo­dong, ZHANG  Hong­bo,  CHEN  Zhao­ke,  ZHENG  Xiang­Lin.  ZrC  ablation  protective  coating  for  carbon/carbon  composites  [J].  Carbon,  2009,  47(14): 3368−3371.  WEN  G, SUI S H, SONG L, WANG X Y, XIA L. Formation  of ZrC  ablation protective coatings  on carbon  material by tungsten inert gas  cladding technique [J]. Corrosion Science, 2010, 52(9): 3018−3022.  ZHU  Qing­shan,  QIU  Xue­liang,  MA  Chang­wen.  Oxidation  resistant SiC coating for graphite materials  [J]. Carbon, 1999, 37(9):  1475−1484.  HUANG  Jian­feng,  ZENG  Xie­Rong,  LI  He­Jun,  XIONG  Xin­Bo,  FU  Ye­wei.  Influence  of  the  preparation  temperature  on  the  phase,  microstructure  and  anti­oxidation  property  of  a  SiC  coating  for  C/C  composites [J]. Carbon, 2004, 42(8/9): 1517−1521.  ZHAO Juan, WANG Gui, GUO Quan­gui, LIU Lang. Microstructure  and  property  of  SiC  coating  for  carbon  materials  [J].  Fusion  Engineering and Design, 2007, 82(7): 363−368.  (Edited by YANG Bing)