[發(fā)明專利]一種碳材料寬溫域防氧化抗沖刷復(fù)相陶瓷涂層及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111115652.6
• 申請(qǐng)日: 2021-09-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113735629B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沙世強(qiáng);呂會(huì)勇;崔學(xué)強(qiáng);李娜;徐秀志;于帥;郭萬(wàn)元;姜巖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)先進(jìn)涂層材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號(hào): C04B41/89
• 分類號(hào): C04B41/89
• 代理公司: 沈陽(yáng)亞泰專利商標(biāo)代理有限公司 21107
• 代理人: 馬維駿

本發(fā)明屬于材料防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳材料寬溫域防氧化抗沖刷復(fù)相陶瓷涂層及其制備方法。本發(fā)明首次采用反應(yīng)燒結(jié)法制備具有寬溫域防氧化抗沖刷性能的(Zr_xHf_1?x?yTa_y)B₂?SiC復(fù)相陶瓷涂層，寬溫域防護(hù)范圍大，可提供低至800℃高溫可達(dá)3000℃以上的氧化防護(hù)，目前具有這種寬溫域防護(hù)性能的涂層未見(jiàn)報(bào)道。該方法成本低、易操作、涂層結(jié)構(gòu)致密、厚度可控、結(jié)合力強(qiáng)，抗熱震性能優(yōu)異。(Zr_xHf_1?x?yTa_y)B₂?SiC涂層試樣在800~1200℃可經(jīng)受1000小時(shí)以上氧化腐蝕，無(wú)失重；在1500℃的氧化環(huán)境下可提供1200小時(shí)以上的氧化防護(hù)；在3000℃等離子高溫火焰下可提供燒蝕防護(hù)至少300s；在1500℃室溫?zé)嵴鹧h(huán)50次后，涂層無(wú)明顯裂紋。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳材料寬溫域防氧化抗沖刷復(fù)相陶瓷涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料、石墨材料等碳材料高溫力學(xué)性能穩(wěn)定、密度低、熱膨脹系數(shù)小，可在航空航天等領(lǐng)域，如飛機(jī)鼻錐、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和機(jī)翼前緣等部位使用。但是，碳材料完全是由單一碳元素構(gòu)成的，其固有的氧敏感性限制了使用壽命和應(yīng)用范圍。在高溫有氧環(huán)境下，碳材料極易失重，這會(huì)對(duì)其自身的力學(xué)性能造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在碳材料表面制備抗氧化涂層是解決這一問(wèn)題的有效途徑。

隨著航空航天飛行器推動(dòng)比的不斷增加，碳材料的應(yīng)用環(huán)境也逐漸向超高溫領(lǐng)域延伸，這就使得碳材料表面的抗氧化涂層需具有良好的寬溫域超高溫防護(hù)性能。碳化硅（SiC）復(fù)合超高溫陶瓷（UHTCs）（ZrB₂、HfB₂、TaB₂、ZrC、HfC 和 TaC 等）涂層展現(xiàn)出了優(yōu)異的氧化防護(hù)性能，UHTCs 的存在可以顯著提高涂層在超高溫含氧環(huán)境下的防護(hù)穩(wěn)定性。然而，面對(duì)嚴(yán)苛的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，碳化硅復(fù)合單相 UHTCs涂層在服役過(guò)程中仍然會(huì)產(chǎn)生孔洞、氣泡和裂紋等缺陷，導(dǎo)致其難以為碳材料提供全面可靠的防護(hù)。制備SiC復(fù)合多相 UHTCs 涂層是提升涂層防護(hù)穩(wěn)定性及使用壽命的有效手段。

一些研究人員采用高溫硅化物（CrSi₂、MoSi₂等）、UHTCs和氧化物（Al₂O₃、Mullite等）作為增強(qiáng)相來(lái)提高SiC-UHTCs復(fù)合涂層的防護(hù)性能，其作用機(jī)理為：第二相高溫組元（UHTCs、高溫氧化物或硅化物）的添加可以引入一種或多種金屬離子，并在氧化過(guò)程中形成多組元復(fù)相氧化層，多離子共存不僅可以提高氧化層的粘度，降低透氧率，還能夠提高涂層的高溫穩(wěn)定性，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。然而，根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，大多數(shù)研究人員的工作只是針對(duì)單獨(dú)添加一種或多種高溫相來(lái)制備多組分 UHTCs 復(fù)合涂層，很少有工作針對(duì)一種含有兩個(gè)及以上金屬元素的單相超高溫陶瓷復(fù)合碳化硅涂層的制備及性能研究。Zr、Hf 和Ta 元素同屬于過(guò)渡族金屬元素，它們的三元硼化物固溶體（HfTaB₂、ZrTaB₂）復(fù)合SiC涂層具有優(yōu)異的防氧化抗沖刷性能，而且它們的四元氧化物固溶體(Zr_xHf_1-x)₆Ta₂O₁₇不僅具有較高的熔點(diǎn)，其熱導(dǎo)率也比 Zr、Hf、Ta 的氧化物固溶體低。因此，新型(Zr_xHf_1-x-yTa_y)B₂硼化物固溶體及其復(fù)合材料可在復(fù)雜且嚴(yán)苛的超高溫氧化和含氧沖刷的實(shí)際環(huán)境中為碳材料提供可靠的氧化防護(hù)。