[發明專利]一種抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法

在審

• 申請號: 201611028893.6
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN108070836A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 徐敬軍;楊甜甜;李美栓;錢余海;左君
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明屬于表面熱防護技術領域，具體為一種抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法，該方法利用反應磁控濺射制備ZrC/TaC微疊層涂層，適用于碳/碳復合材料的超高溫防護。采用多靶磁控濺射涂層設備，金屬Zr靶、Ta靶和非金屬C靶分別由獨立的直流電源控制，以氬氣作為濺射氣體和載氣，通過反應濺射制備ZrC/TaC微疊涂層，多層的微疊層結構通過基體在Zr靶、C靶和Ta靶、C靶前交替沉積形成，通過調節靶功率和沉積時間控制各亞層的厚度。該涂層的結構特點可有效減小1600～1800℃區間的熱應力，阻止涂層發生開裂和剝落。本發明工藝和操作方法簡便，便于工業化生產。

技術領域

本發明屬于表面熱防護技術領域，具體為一種抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法，該方法利用反應磁控濺射制備ZrC/TaC微疊層涂層，適用于碳/碳復合材料的超高溫防護。

背景技術

碳/碳復合材料具有低的熱膨脹系數、理想的耐高溫性以及良好的抗熱震性能等優點，是一種優異的高溫結構及熱防護材料，然而它較差的抗氧化性能極大地限制了它在高溫領域的廣泛應用。為滿足其在高超音速飛行器的鼻錐以及翼緣部件位置的使用要求，需要施加可在超高溫條件下兼具優異抗氧化性能和抗熱沖擊的防護涂層。

超高溫陶瓷因具有良好的高溫相穩定性、化學穩定性、抗氧化性能以及高硬度等優點，是最有可能實現的在超高溫下具有較好抗氧化性能的涂層材料，其中碳化物涂層在燒蝕過程中，可生成致密且具有低氧擴散系數的MCxOy層，因而具有良好的抗燒蝕能力。在碳化物類型的超高溫陶瓷中，ZrC具有良好的熱穩定性和相對較低的密度；且強的Zr-C共價鍵使其具有高的熔點(3420℃)和高的硬度(25.5GPa)。此外，它的氧化物ZrO2也具有較高的熔點(2677℃)、良好的高溫穩定性和化學穩定性，這些性能特點使得ZrC成為理想的抗氧化涂層材料之一。而TaC也是是一種常用的超高溫陶瓷材料，自身具有較高的熔點，它氧化生成Ta2O5(熔點為1780℃)，可以在較高的溫度下發生熔融以填充氧化物骨架，因此可以作為另一種輔助的涂層材料。

疊層涂層在超高溫服役環境下具有諸多優勢。首先，從涂層的結構設計上考慮，疊層涂層的結構設計有助于提高涂層的抗熱震性能。其次，多層疊合使得各單層中的微裂紋被上面一層所覆蓋，從而有效降低氧沿貫穿裂紋擴散至基體表面引起的“掏蝕”。最后，在逐層氧化的過程中，可有效避免單層涂層中某一相耗盡的現象。

發明內容

針對碳/碳復合材料極差的抗氧化性能，本發明的目的在于提供一種抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法，該制備方法簡單、環保，適用于工業化生產。

本發明的技術方案是：

一種抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法，采用多靶磁控濺射涂層設備，金屬Zr靶、Ta靶和非金屬C靶分別由獨立的直流電源控制，以氬氣作為濺射氣體和載氣，通過反應濺射制備ZrC/TaC微疊涂層，多層的微疊層結構通過基體在Zr靶、C靶和Ta靶、C靶前交替沉積形成，通過調節靶功率和沉積時間控制各亞層的厚度。

所述的抗超高溫氧化ZrC/TaC微疊層涂層的制備方法，包括以下步驟：

1)采用具有獨立控制的直流電源多靶磁控濺射涂層設備；

2)涂層制備過程中所用的金屬Zr靶、Ta靶以及非金屬C靶的純度高于99.99wt％；

3)將SiC層作為過渡層的C/C基體清洗干燥后，安裝于真空室內可轉動的樣品臺上；

4)將Zr靶、Ta靶和C靶分別置于相應的直流電源的靶位；