[发明专利]一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法

说明书

本发明提供一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法，所述耐高温抗烧蚀复合涂层的组成包括ZrC主相和TiC第二相，所述TiC第二相的含量为5～40 vol.%，优选为10～30vol.%。

技术领域

本发明涉及一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法，属于高温防护涂层领域。

背景技术

ZrC具有低密度(6.73g/cm³)、高熔点(3420℃)、高硬度(维氏硬度为25.5GPa)、高热导率(20.5W/m·℃)、高化学稳定性和原料来源广泛等特点，是一种在航天领域有广泛应用前景的高温结构材料。目前，文献报道的ZrC涂层和ZrC基复合涂层相关制备方法主要包括：化学气相沉积法、包埋法和等离子体喷涂法。熊翔等采用化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备了ZrC涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核240s后ZrO₂氧化层出现剥落现象，是因为ZrO₂氧化层与未反应的ZrC涂层之间出现热膨胀系数不匹配造成的。化学气相沉积法存在制备周期长、沉积效率低、成本高，以及难以制备多组元复合涂层等不足^[1]。李贺军等^[2]采用包埋法在C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC复合涂层，他们将密度为1.58g/cm³，孔隙率为21％的C/C复合材料放入Zr、ZrO₂、Si、C组成的粉体中，在氩气保护下升温到2300℃，保温2h得到涂层。氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核20s结果显示，该复合涂层生成的氧化物层不能有效覆盖基体表面，导致基体受到破坏。包埋法存在反应温度高，会影响基体材料的力学性能，涂层厚度与结构存在不均匀性，以及难以对大尺寸样件进行涂层制备的问题。超音速等离子体喷涂是在大气环境下制备涂层的方法，属于等离子体喷涂技术范畴之内。付前刚等^[3]采用这种技术在C/C复合材料表面制备了ZrC/SiC梯度复合涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核60s的结果显示，梯度分布的涂层结构能够减小热膨胀系数不匹配导致的涂层内部热应力，ZrC/SiC梯度复合涂层的抗烧蚀性能明显优于SiC涂层，但是由于在涂层制备过程中引入了过多的ZrO₂杂质，制备的梯度复合涂层存在结构致密度差、孔隙率高的问题。

真空等离子体喷涂又叫低压等离子体喷涂，是在惰性气体(氩气等)保护下进行喷涂的技术，喷涂过程中能够限制粉体氧化，此外还具有沉积效率高、厚度可控、粉体熔化充分、适合工业化生产等特点。胡翠等^[4]发现真空等离子体喷涂法制备的ZrC涂层具有结构致密、热导率高、孔隙率和热膨胀系数低的特点。

含Si材料作为添加相能够改善ZrC涂层的抗烧蚀性能。引入的含Si材料在烧蚀环境下能够生成具有自愈合作用的液态SiO₂，起到封填孔洞和粘结ZrO₂颗粒的作用，但在2200℃以上的烧蚀环境下，SiO₂的蒸气压超过10Pa，过快的挥发速度将导致SiO₂不能稳定存在，因此限制了复合涂层的使用寿命^[5]。