[发明专利]一种Hf(Ta)C超高温复相涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Hf(Ta)C超高温复相涂层及其制备方法，属于化学气相沉积技术领域，适用于炭/炭复合材料、炭/陶复合材料、石墨、碳化物陶瓷等材料的表面涂层与高温防护。

技术背景

炭/炭复合材料具有优异的高温力学性能、低热膨胀系数、高热导率以及良好的抗热震性能，是用于固体火箭发动机喉衬较为理想的烧蚀结构材料。炭/炭复合材料喉衬在500℃以上高温有氧环境下的迅速氧化将导致其力学性能的迅速衰减。喉衬工作时若被严重烧蚀，则很难保持稳定的气动外形，将直接影响发动机的推力和效率。炭/炭复合材料较高的烧蚀率已经无法满足新一代固体火箭发动机对材料的性能要求。因此，提高炭/炭复合材料的抗烧蚀性能极其重要。

在炭/炭复合材料表面涂覆抗烧蚀涂层是较为理想的措施。针对炭/炭复合材料在超高温条件下的烧蚀保护，目前国际上倾向于在炭/炭复合材料工作表面涂覆难熔金属碳化物（HfC、TaC、ZrC）用作固体火箭发动机喉衬，且以化学气相沉积法制备的涂层性能最好。化学气相沉积技术的优势在于可对涂层材料组成和结构进行设计和控制，并可在较低温度下完成对高熔点材料的制备，设备简单，易于操作，且通过对沉积设备的改造利用共沉积可以实现不同组分或多层涂层的一次性沉积。目前，俄罗斯、美国、中国均实现了采用CVD技术在C/C复合材料表面制备HfC、TaC和ZrC单一涂层。Futamoto、Ache、Emig等人均采用HfCl₄-CH₄-H₂系统，利用CVD技术制备出了HfC涂层。单一涂层用于炭/炭复合材料抗烧蚀保护具有其局限性，很难满足固体火箭发动机喉衬所处复杂的烧蚀环境。因此，开发多层涂层体系或复相涂层体系，可充分利用涂层内多相组元各自的特点达到对炭/炭复合材料最佳的抗烧蚀防护。

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组分配比合理、工艺简单、操作方便、与基体结合良好，无层间和贯穿裂纹，具有优异的抗热震和抗烧蚀性能的Hf(Ta)C超高温复相涂层及其制备方法。有效提高炭/炭复合材料、石墨、碳化物陶瓷等材料的超高温防护性能。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层，所述Hf(Ta)C超高温复相涂层由HfC与HfTaC₂组成，其中HfTaC₂的摩尔分数为6-50％，均匀或梯度分布在涂层中。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，是将经过表面处理的基体材料置于低压化学气相沉积炉中，以四氯化铪和五氯化钽混合粉末为铪源和钽源；甲烷为碳源；氩气为稀释气体；氢气为还原气体，沉积温度为1300-1700℃，沉积时间为1-20小时，沉积压力为0.1-100kPa；将混合粉末输送至沉积炉反应器内部，在基体材料表面沉积制备Hf(Ta)C超高温复相涂层，沉积完成后，随炉氮气保护冷却至室温，出炉。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，所述基体材料置于低压化学气相沉积炉中，先抽真空至炉内压力低于100Pa后，通入氮气作为保护气体，然后，以5-10℃/min的升温速率升温至沉积温度；向炉内通入氢气，待炉内温度稳定后，通入甲烷，控制炉内压力为0.1-100kPa，进行沉积。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，所述混合粉末是将HfCl₄和TaCl₅粉末按摩尔比HfCl₄/TaCl₅=(1-10)/1在真空手套箱中，氩气保护下，进行机械混合均匀得到的HfCl₄+TaCl₅混合粉末。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，所述HfCl₄粉末的粒度为50-100目；所述TaCl₅粉末的粒度为50-100目。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，所述的CH₄、H₂气体按摩尔比CH₄/H₂=1/(1-20)配置；且所述CH₄与HfCl₄(TaCl₅)的摩尔比满足CH₄/（HfCl₄+TaCl₅）=（0.2-5）/1。

本发明一种Hf(Ta)C超高温复相涂层的制备方法，所述的混合粉末由机械送粉装置均匀连续输送至沉积炉反应器内部。