[发明专利]一种抗烧蚀ZrC/SiC多层交替涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种抗烧蚀ZrC/SiC多层交替涂层及制备方法，通过SiC和ZrC的多层交替可以有效调控涂层与基体、涂层与涂层之间的热膨胀差异。同时，多层交替涂层的可设计性强，可以通过调整SiC和ZrC层的厚度和层数来更好地实现涂层与基体的热应力匹配。另一方面，多层复合后会存在大量的层间界面，可以使得裂纹在扩展过程中发生偏转或终止，从而减少贯穿性裂纹的产生。综上，本发明提出的涂层可有效提高抗烧蚀性能，更好地保护基体。

技术领域

本发明属于涂层制备领域，涉及一种抗烧蚀ZrC/SiC多层交替涂层及制备方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料具有密度低、高温及超高温力学性能优异、热稳定性能好、化学耐受性强等特点，成为航空航天热结构部件的理想候选材料。然而，C/C复合材料在高于400℃的有氧环境下便开始氧化，在更高的温度和高速燃气的冲刷下会发生烧蚀，严重制约了其在高温极端环境下的可靠应用。

在C/C复合材料表面制备防氧化烧蚀陶瓷涂层是国际公认的解决此难题的必然途径。ZrC陶瓷的熔点高达3540℃，其氧化物ZrO₂的熔点高达2770℃，且蒸汽压和热导率较低，是C/C复合材料在超高温燃气冲刷环境下理想的涂层材料之一。但是，ZrC涂层在C/C复合材料表面使用时，与C/C基体之间存在热膨胀系数失配，在高温条件下使用会产生较大的热应力，造成涂层开裂或剥落。SiC陶瓷的热膨胀系数介于C/C复合材料和ZrC陶瓷之间，是一种理想的过渡层材料，可以有效缓解ZrC涂层与C/C复合材料热膨胀失配问题。文献1“A NewAssistant Method for Characterizing Ablation Resistance of ZrC-SiC DispersiveBiphasic Coating on C/C Composites,Tao Feng,Mingde Tong,Shuotian Yao,ShifengWen.Coating,2019,9:735.”公开了一种用化学气相沉积法制备的ZrC/SiC双层涂层，通过引入SiC缓冲层来调节ZrC涂层与C/C复合材料之间的热膨胀失配问题，提高ZrC涂层的抗烧蚀性能。该涂层在一定程度上起到了有效的作用，但是，该双层涂层所提供的烧蚀防护依然有限，在2.4MW/m²的氧乙炔火焰下烧蚀60秒之后，外层ZrC剥落，露出内层SiC、SiO₂层。文献2“Ablation resistance of SiC-modified ZrC coating prepared by SAPS for SiC-coated carbon/carbon composites,Yujun Jia,Hejun Li,Jiajia Sun,Lu Li,QiangangFu.Applied Ceramic Technology,2017,14:331-343.”公开了一种用包埋和喷涂法结合制备的ZrC/SiC-SiC双层涂层。首先采用包埋法在C/C复合材料表面制备一层SiC内涂层，之后采用喷涂法在SiC表面制备ZrC-SiC涂层。分别用流量为2.4和4.2MW/m²的氧乙炔火焰对所制备的涂层进行烧蚀测试。在2.4MW/m²的流量下，SiC的引入有效缓解ZrC涂层的热膨胀失配问题，烧蚀生成致密的氧化层，开裂较少。但是在4.2MW/m²的流量下，引入SiC所生成的熔融态氧化层难以抵挡高冲刷力，涂层失效。由此可见，需要对ZrC-SiC涂层进行更好的设计，来满足C/C复合材料抗烧蚀的更高要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种抗烧蚀ZrC/SiC多层交替涂层及制备方法，克服现有ZrC-SiC涂层的使用瓶颈，提高C/C复合材料的抗烧蚀性能。本发明提出一种ZrC/SiC/ZrC/SiC…多层交替涂层。通过SiC和ZrC的多层交替，更好地调整涂层与基体、涂层与涂层之间的热膨胀差异，提高涂层抗热震性能，同时也可有效提高涂层抗冲刷能力，进而提高抗烧蚀性能。

技术方案