[發明專利]一種SiC納米線增韌化學氣相共沉積HfC-SiC復相涂層的制備方法

在審

• 申請號: 202110329517.5
• 申請日: 2021-03-28
• 公開（公告）號: CN113336576A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 付前剛;童明德;馮濤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B41/87
• 分類號: C04B41/87
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種SiC納米線增韌化學氣相共沉積HfC?SiC復相涂層的制備方法，采用三步法，首先利用包埋法制備SiC內涂層，而后利用氣相滲硅技術于SiC內涂層表面引入游離硅，最后在帶有SiC?SiC內涂層C/C試樣表面化學氣相沉積HfC，通過游離硅在氣相沉積過程中的原位反應和擴散增強內外涂層間的界面結合強度。本發明可以制備出厚度均勻，結構致密，成分可控，結合力強的SiC/HfC?SiC涂層。在傳統方法的機械結合界面的基礎上引入界面擴散層擴散，構成擴散結合。涂層工藝簡單，反應周期短，成本低，具有廣闊的發展前景。

技術領域

本發明屬于提高HfC-Si涂層結合強度的方法，涉及一種SiC納米線增韌化學氣相共沉積HfC-SiC復相涂層的制備方法。

背景技術

C/C復合材料是空天領域熱結構件的最有潛力的材料之一，具有密度低、導熱率高、耐摩擦、抗熱震和熱膨脹系數低等一系列的優點。此外，C/C復合材料也是目前為止在2200℃下仍然能保持優異力學性能的輕質材料。然而，C/C復合材料在有氧環境下易發生氧化，從而嚴重限制了其應用和發展。尤其是在空天領域的關鍵熱結構件還要承受更為苛刻的氣流沖刷燒蝕環境。為解決這一問題，抗燒蝕熱防護涂層技術應運而生。

硅基陶瓷最先被考慮作為C/C復合材料涂層材料。該涂層于1300-1600℃之間具有優異的抗氧化燒蝕性能。但隨著飛行器速度的提升，熱結構材料的使用溫度也逐漸升高。硅基陶瓷涂層已逐漸不能滿足高速飛行器熱結構件的使用需求。為更進一步提高使用溫度，學者們使用超高溫陶瓷作為熱防護涂層材料。其中，碳化鉿(HfC)是現今為止單一化合物熔點最高的物質，具有優異的相穩定性。此外，HfC的氧化產物HfO₂不但熔點高，而且飽和蒸氣壓低。因此，HfC適合作為C/C復合材料的熱防護涂層材料。但是HfC(α_HfC≈6.7×10^-6℃^-1)與C/C(α_C/C≈1.1×10^-6℃^-1)復合材料之間的熱膨脹系數差異過大，作為熱防護涂層材料時，結合力往往較低，易發生開裂或剝落，從而導致涂層失效。與此同時，HfC燒蝕過程中的往往會伴隨著較為嚴重的粉化氧化問題。

為解決以上問題，國內外學者考慮使用SiC作為中間層緩解C/C復合材料基體與HfC涂層之間熱膨脹系數差異過大的問題，通過設置鑲嵌界面層確實能夠達到增強涂層結合力。同時，向HfC涂層中引入少量SiC相，在燒蝕過程中，生成的Hf-Si-O玻璃能起到粘結作用，進而可以有效抑制HfC的粉化氧化問題。

現今，制備HfC陶瓷涂層的技術主要有等離子噴涂，熱壓，化學氣相沉積和原位反應法。其中等離子噴涂制備的孔隙率較大，且往往會伴隨著氧化的問題。熱壓法制備涂層結合力較好，制備效率較高，但是對構件尺寸要求較為嚴苛不適合作為異形構件涂層的制備方法。原位反應法制備的溫度較高，但涂層結合力較好。化學氣相沉積制備溫度低，可繞性好，致密度高。所以，本專利選用化學氣相沉積和原位反應相結合的方法制備所需涂層。

目前為止，中間SiC層能夠緩解熱失配從而降低涂層與基體的熱應力。同時，原位反應法制備的SiC涂層與C/C基體之間因為是化學結合，所以結合力較強。因此，SiC內涂層與HfC基外涂層之間的界面結合增強是提高界面結合強度的關鍵，SiC內涂層粗糙表面有利于構造內外涂層的鑲嵌界面層，提高了平板試樣上涂層的界面結合強度。然而，實際應用中的大多是熱結構件都是異形的。單純依靠鑲嵌的方式提高界面結合強度已不能完全滿足異性構件表面的熱防護涂層對結合力的需求.Li等通過包埋法與等離子噴涂相結合的手段在尖劈構件表面制備了SiC/ZrC-SiC涂層，但是該構件燒蝕后，涂層出現了明顯的剝落失效【B.Li,H.Li,X.Hu,et al.Effect of the curvature radius of sharp leading edgeparts made of a SiC/ZrC-SiC coated C/C composite on their ablationresistance.40(2020)2768-2780】。因此，為了C/C復合材料在實際構件的應用，需要進一步提高涂層結合強度。