[发明专利]一种SiC纳米线增韧化学气相共沉积HfC-SiC复相涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种SiC纳米线增韧化学气相共沉积HfC‑SiC复相涂层的制备方法，采用三步法，首先利用包埋法制备SiC内涂层，而后利用气相渗硅技术于SiC内涂层表面引入游离硅，最后在带有SiC‑SiC内涂层C/C试样表面化学气相沉积HfC，通过游离硅在气相沉积过程中的原位反应和扩散增强内外涂层间的界面结合强度。本发明可以制备出厚度均匀，结构致密，成分可控，结合力强的SiC/HfC‑SiC涂层。在传统方法的机械结合界面的基础上引入界面扩散层扩散，构成扩散结合。涂层工艺简单，反应周期短，成本低，具有广阔的发展前景。

技术领域

本发明属于提高HfC-Si涂层结合强度的方法，涉及一种SiC纳米线增韧化学气相共沉积HfC-SiC复相涂层的制备方法。

背景技术

C/C复合材料是空天领域热结构件的最有潜力的材料之一，具有密度低、导热率高、耐摩擦、抗热震和热膨胀系数低等一系列的优点。此外，C/C复合材料也是目前为止在2200℃下仍然能保持优异力学性能的轻质材料。然而，C/C复合材料在有氧环境下易发生氧化，从而严重限制了其应用和发展。尤其是在空天领域的关键热结构件还要承受更为苛刻的气流冲刷烧蚀环境。为解决这一问题，抗烧蚀热防护涂层技术应运而生。

硅基陶瓷最先被考虑作为C/C复合材料涂层材料。该涂层于1300-1600℃之间具有优异的抗氧化烧蚀性能。但随着飞行器速度的提升，热结构材料的使用温度也逐渐升高。硅基陶瓷涂层已逐渐不能满足高速飞行器热结构件的使用需求。为更进一步提高使用温度，学者们使用超高温陶瓷作为热防护涂层材料。其中，碳化铪(HfC)是现今为止单一化合物熔点最高的物质，具有优异的相稳定性。此外，HfC的氧化产物HfO₂不但熔点高，而且饱和蒸气压低。因此，HfC适合作为C/C复合材料的热防护涂层材料。但是HfC(α_HfC≈6.7×10^-6℃^-1)与C/C(α_C/C≈1.1×10^-6℃^-1)复合材料之间的热膨胀系数差异过大，作为热防护涂层材料时，结合力往往较低，易发生开裂或剥落，从而导致涂层失效。与此同时，HfC烧蚀过程中的往往会伴随着较为严重的粉化氧化问题。

为解决以上问题，国内外学者考虑使用SiC作为中间层缓解C/C复合材料基体与HfC涂层之间热膨胀系数差异过大的问题，通过设置镶嵌界面层确实能够达到增强涂层结合力。同时，向HfC涂层中引入少量SiC相，在烧蚀过程中，生成的Hf-Si-O玻璃能起到粘结作用，进而可以有效抑制HfC的粉化氧化问题。

现今，制备HfC陶瓷涂层的技术主要有等离子喷涂，热压，化学气相沉积和原位反应法。其中等离子喷涂制备的孔隙率较大，且往往会伴随着氧化的问题。热压法制备涂层结合力较好，制备效率较高，但是对构件尺寸要求较为严苛不适合作为异形构件涂层的制备方法。原位反应法制备的温度较高，但涂层结合力较好。化学气相沉积制备温度低，可绕性好，致密度高。所以，本专利选用化学气相沉积和原位反应相结合的方法制备所需涂层。

目前为止，中间SiC层能够缓解热失配从而降低涂层与基体的热应力。同时，原位反应法制备的SiC涂层与C/C基体之间因为是化学结合，所以结合力较强。因此，SiC内涂层与HfC基外涂层之间的界面结合增强是提高界面结合强度的关键，SiC内涂层粗糙表面有利于构造内外涂层的镶嵌界面层，提高了平板试样上涂层的界面结合强度。然而，实际应用中的大多是热结构件都是异形的。单纯依靠镶嵌的方式提高界面结合强度已不能完全满足异性构件表面的热防护涂层对结合力的需求.Li等通过包埋法与等离子喷涂相结合的手段在尖劈构件表面制备了SiC/ZrC-SiC涂层，但是该构件烧蚀后，涂层出现了明显的剥落失效【B.Li,H.Li,X.Hu,et al.Effect of the curvature radius of sharp leading edgeparts made of a SiC/ZrC-SiC coated C/C composite on their ablationresistance.40(2020)2768-2780】。因此，为了C/C复合材料在实际构件的应用，需要进一步提高涂层结合强度。