[發明專利]一種碳/碳復合材料表面耐高溫長壽命復合涂層及制備方法

有效

• 申請號: 202110648462.4
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113387724B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 付前剛;周磊;李賀軍;張佳平;丁伍慶;侯佳琪
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B41/87
• 分類號: C04B41/87;C04B35/565;C04B35/515;C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種碳/碳復合材料表面耐高溫長壽命復合涂層及制備方法，采用料漿浸涂結合氣相滲硅工藝制備了一種(Hf_0.25Ta_0.25Zr_0.25Ti_0.25)B₂?SiC?Si/SiC?Si復合抗氧化涂層，SiC?Si內涂層用于緩解涂層與基體之間的熱失配，外層為(Hf_0.25Ta_0.25Zr_0.25Ti_0.25)B₂?SiC?Si，通過在外涂層中引入高熵陶瓷，氧化后生成多元金屬氧化物，進而提高SiO₂在高溫下的穩定性，最終實現涂層在高溫下對C/C復合材料的長時有效防護。本發明所制備的(Hf_0.25Ta_0.25Zr_0.25Ti_0.25)B₂?SiC?Si/SiC?Si復合抗氧化涂層試樣在1500℃下氧化2000h后涂層試樣增重1.12％，在1700℃下500h后涂層試樣增重1.05％。

技術領域

本發明屬于抗氧化涂層制備技術領域，涉及一種碳/碳復合材料表面耐高溫長壽命復合涂層及制備方法，具體涉及一種(Hf_0.25Ta_0.25Zr_0.25Ti_0.25)B₂-SiC-Si/SiC-Si復合抗氧化涂層及其制備方法。

背景技術

碳/碳(C/C)復合材料具有比強度高、熱膨脹系數低、耐高溫等優異性能，特別是在超高溫下仍能保持高強度的特性，使其廣泛應用于航空航天領域中的高溫結構部件。然而，C/C復合材料在超過370℃有氧環境中易氧化會導致其力學性能及各項物理化學性能迅速下降，穩定持久的抗氧化防護已成為保證C/C復合材料應用于新一代尖端武器裝備及嚴酷環境工程化應用的關鍵。

抗氧化涂層被認為是解決C/C復合材料高溫氧化防護問題的有效方法。為防止C/C復合材料在高溫下氧化，國內外研究人員進行了大量的理論和試驗研究，開發出多種抗氧化涂層體系。

在眾多涂層體系中，陶瓷涂層是目前研究的熱點。在陶瓷涂層體系里，一般采用SiC為內涂層的復合涂層結構，復合涂層的外涂層則采用不同種類的高溫陶瓷。目前研究較多的一類是硅基陶瓷涂層，如SiCn[J.F.Huang,M.Liu,B.Wang,L.Y.Cao,C.K.Xia,J.P.Wu,SiCn/SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites,Carbon47(2009)1198-1201.]、Si-Mo-Cr/SiC[J.C.Ren,Y.L.Zhang,H.Hu,P.F.Zhang,T.Fei,L.L.Zhang,HfC nanowires to improve the toughness and oxidation resistance ofSi-Mo-Cr/SiC coating for C/C composites,Ceram.Int.42(2016)14518-14525]等硅基陶瓷涂層。其主要的氧化防護機理是利用高溫下涂層氧化所產生的SiO₂來愈合涂層中的裂紋等缺陷，利用其低的氧滲透率來阻止氧氣的擴散，進而實現對C/C復合材料的氧化防護。但是，在高溫氧化氣氛或燒蝕環境中長期使用后，SiO₂玻璃不可避免地大量揮發，從而在涂層中產生許多缺陷，從而失去了對C/C復合材料的保護能力。此外，一旦氧化溫度超過1650℃，SiC就會發生主動氧化，這也會加速涂層的消耗。隨著氧化時間的延長會逐漸揮發，使得玻璃層下面的涂層材料暴露在空氣中。由于涂層材料的高透氧率，氧氣在涂層中迅速擴散，導致C/C復合材料基體呈現快速氧化失重。此外，非晶態SiO₂會在1700℃快速晶化，且伴隨著體積收縮，導致玻璃層開裂和剝落。因此，設計出滿足1700℃以上長壽命服役的涂層成分，并實現裂紋和孔隙的快速修復，是硅基陶瓷涂層成功應用于C/C復合材料1700℃長時間防氧化的前提，也是該方向研究需要突破的關鍵。

發明內容