[发明专利]一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层及制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭/炭复合材料的表面处理，尤其是指一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复 合涂层及制备方法及应用；属于化学气相沉积技术领域。

背景技术

炭/炭复合材料具有高比强度、高比模量、良好的韧性以及高温下优良的强度保持率、 耐蠕变和抗热震等一系列优异的综合性能，是迄今为止用于固体火箭发动机喉衬较为理想的 烧蚀结构材料。但在有氧条件下，炭/炭复合材料的起始氧化温度为370℃；当高于500℃时 ，炭/炭复合材料会迅速氧化，并发生毁灭性破坏。同时，在高温和高速气流下炭/炭复合材 料也易被氧化，冲蚀和烧蚀，烧蚀速率快且与燃烧室气氛压力呈指数关系，已很难满足未来 固体火箭发动机的要求，因此，研制新一代抗烧蚀的炭/炭复合材料及其重要。

根据气动热化学烧蚀理论的观点，炭/炭复合材料的烧蚀率由氧化组分扩散和氧化反应 速率决定，所以提高炭/炭复合材料的烧蚀性能是以提高炭/炭复合材料的抗氧化性能为基础 的。在炭/炭复合材料表面涂覆抗氧化抗烧蚀涂层是行之有效的措施。炭/炭复合材料1800℃ 以上的抗氧化涂层必须使用碳化钽，碳化铪，碳化锆等熔点大于3500的难熔金属碳化物。相 对碳化钽和碳化铪，碳化锆具有更低的密度，更高的硬度和模量，以及较低廉的制备成本。 目前，研究多为单层单一组元的ZrC陶瓷涂层。这类涂层往往由于与炭/炭复合材料基体热膨 胀系数的差异，在制备过程中形成热应力而出现贯穿裂纹，较为严重的会发生脱落，使涂层 的抗烧蚀防护作用大大降低。较为常见的解决方法是在炭/炭复合材料基体和碳化锆之间， 制备热膨胀系数居中的碳化硅中间层。然而，碳化硅在2500℃左右时具有较大挥发性，会对 涂层产生不利影响。另外，碳化硅中间层的制备需要专用的沉积炉或对现有反应炉进行改装 ，会增加制备成本。开发新一代无裂纹ZrC陶瓷涂层具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、一次加 热，分阶段沉积制备碳含量呈梯度变化的复合涂层、涂层与基体结合牢固、无贯穿裂纹、 涂层抗烧蚀性能及抗热震性能好的炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层及制备方法。

本发明一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层，由外到内依次ZrC_0.7/ZrC_1.0/ZrC_1.0+C 组成。

本发明一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层中，所述ZrC_1.0+C层中ZrC_1.0与C的质量 百分比为：ZrC_1.0∶C＝(75～85)％∶(15～25)％。

本发明一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层中，所述ZrC_0.7/ZrC_1.0/ZrC_1.0+C的厚度 依次为：(170～190)μm，(40～60)μm，(3～9)μm。

本发明一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括下述步骤：

第一步：基底层ZrC_1.0+C的制备

将经表面处理的炭/炭复合材料置于常压化学气相沉积炉中，以粒度为10-30μm微粉的 四氯化锆(ZrCl₄)为锆源，以Ar气为载气，同时，分别以C₃H₆，Ar，H₂作为碳源气体，稀释气 体、还原气体，沉积温度为：1100-1300℃，沉积时间15-30min；将四氯化锆粉末连续输 送至反应炉中，在炭/炭复合材料表面沉积制备ZrC_1.0+C的层薄膜；

第二步：中间层ZrC_1.0的制备

第一步结束后，停止通入丙烯气体，保持其它工艺参数及工艺条件不变，通入乙炔气 体，沉积时间1-2h，在ZrC_1.0+C表面沉积制备ZrC_1.0中间层；；

第三步：外敷层ZrC_0.7的制备

第二步结束后，停止通入乙炔气体，保持其它工艺参数及工艺条件不变，通入甲烷气体 ，沉积时间1-2h，在ZrC_1.0表面沉积制备ZrC_0.7外敷层。