[发明专利]在炭材料表面制备碳化硅/二硅化钼复合涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在炭材料表面制备碳化硅/二硅化钼复合涂层的方法。

背景技术

炭材料（如炭/炭复合材料、石墨等）具有许多优异性能，如密度低、线膨胀系数低、耐摩擦磨损性能优异、导热导电性好等，被广泛应用于航空航天、冶金、化工和原子能等领域。但是，炭材料在空气中于400℃开始氧化，氧化失重使炭材料的结构、性能受到严重的破坏和影响，限制了其作为高温耐火材料的应用。尤其随着航天技术的发展，热结构用大尺寸薄壁炭/炭复合材料部件对高温抗氧化性能提出了更高要求。因此，解决炭材料高温氧化防护问题是充分发挥炭材料潜力的前提。

为了解决炭材料高温长寿命抗氧化问题，研究者提出了不同的解决方法。在材料表面制备抗氧化涂层被认为是解决其高温氧化防护问题的有效办法。硅基陶瓷涂层是目前用于炭材料氧化防护的主要陶瓷涂层材料。其中，SiC因其与炭/炭复合材料具有良好的化学物理相容性和相近的线膨胀系数等特点而被作为抗氧化涂层材料广泛应用。此外，SiC还具有较低的氧渗透率，是优良的氧阻挡层和碳扩散阻挡层。但一般制得的SiC涂层含有很多微孔隙和微裂纹，抗氧化能力不强，单独使用时很难取得良好的抗氧化效果。难熔金属硅化物MoSi₂与SiC具有良好的界面相容性和热力学稳定性。作为涂层材料，MoSi₂具有比SiC更高的热稳定性和抗氧化性能，能够在1650℃的空气中经受2000h以上的氧化，并具有优良的自愈和性。同时，MoSi₂在高温下与SiC润湿，不发生脱层现象，以上特性使MoSi₂成为改善SiC涂层致密性的理想物质。研究表明，SiC/MoSi₂复合材料不仅提高了纯MoSi₂的高温强度，而且表现出比MoSi₂更好的高温抗氧化性能。

目前，用于炭材料SiC/MoSi₂高温抗氧化涂层的制备方法有包埋法、化学气相沉积法、等离子喷涂法等。(1)包埋法是将样件置于固态或液态介质中，实现扩散反应，最终样件表面形成涂层。主要以固体扩散为主，一般以Si和陶瓷粉末等作为渗料，在氩气保护下，于1600～2200℃范围内对材料进行高温固渗处理。该方法的制备温度高，涂层内热应力较大，涂层中易产生裂纹且涂层的均匀性很难控制，往往由于重力等因素而使得涂层不均匀。对于大尺寸薄壁炭/炭复合材料部件，过高的制备温度会使部件变形，因此，大尺寸薄壁炭/炭复合材料部件不适合用高温包埋法制备涂层。(2)化学气相沉积是通过气相物质在一定条件下发生化学反应，使生成的固相沉积在基体上来制备涂层的方法。其缺点是成本高，反应生成的酸产物对设备腐蚀严重，而且涂层与基体的结合强度不高。(3)等离子喷涂法制备的MoSi₂涂层孔隙率高、涂层与基体为机械粘附，结合力弱，无法起到氧扩散阻挡层的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂层与基体材料结合力大，制备温度低，涂层致密性和高温抗氧化性好的在炭材料表面制备碳化硅/二硅化钼复合涂层的方法。

为了达到上述目的，本发明包括：

A．将MoO₃、正钼酸铵、仲钼酸铵、二钼酸铵、四钼酸铵的一种或多种与碱金属氯化物的一种或多种混合均匀，其中包含的Mo原子与混合盐的质量百分比为10~40%；

B．将炭/炭复合材料或石墨包埋在步骤（1）的混合盐中，置于密封的坩埚内，在真空环境或惰性气体保护下，于800~1100℃保温0.5~5小时，随炉冷却至室温，取出样品后水洗干燥，获得表面具有Mo₂C涂层的炭材料；

C．将Si粉、NaF和碱金属氯化物的一种或多种混合均匀，其中Si粉的质量百分含量为2~20%，NaF的质量百分含量为2~20%，碱金属氯化物的含量为余量；

D．将步骤B中得到的表面包覆Mo₂C层的炭材料样品包埋在步骤C的混合盐渗料中，置于密封的石墨坩埚内，在真空环境或惰性气体保护下，于900~1100℃保温0.5~4小时，随炉冷却至室温，取出后水洗，干燥。

作为改进，步骤B中所述坩埚为石墨坩埚或氧化铝坩埚。