[发明专利]一种锆和/或钨基复相陶瓷涂层的制备方法

说明书

本发明提供了一种钨和/或锆基复相陶瓷涂层的制备方法，包括：将碳碳基体与氯盐金属粉末混合物加入到石墨坩埚中，利用高温氩气氛围下的熔盐溶解、流动，在碳碳基体表面盐浴制备得到陶瓷涂层。本发明提供的制备方法巧妙利用熔盐1300~1700℃液相的载体作用，在碳基材料表面沉积致密度高的陶瓷复相涂层。本发明提供的方法生产周期短、工艺简单、节约成本。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种锆和/或钨基复相陶瓷涂层的制备方法。

背景技术

C/C复合材料是以炭纤维作为增强体，以炭质材料为基体，化学组成为单一碳元素的高温结构材料。C/C复合材料具有密度小、比模量高、比强度大、热膨胀系数低、比强度大、耐热冲击和摩擦磨损性能好等优异性能，广泛应用于航空、航天、核能、电子等领域。但C/C复合材料在高温富氧环境的服役性较差，C/C复合材料极易与氧气发生氧化反应，严重影响C/C复合材料的服役周期。

C/C复合材料抗氧化性能的提升主要包括以下两个方法：（1）C/C复合材料基体改性；（2）C/C复合材料涂层改性。涂层改性是改善碳基复合材料高温氧化性的有效方法之一，而常见的超高温陶瓷涂层的物理化学性能与基体存在较大的差异，导致两者的相容性较差。碳基材料表面制备的抗烧蚀涂层既要有效地阻挡氧原子在高温下向基体的扩散，还要求与基体的物理及化学性能匹配、较好的自愈合能力。要求涂层具有结构致密、自愈合能力强、基体界面结合强度高等优异性能，单一涂层难以达到上述要求，因此目前对于抗烧蚀涂层的研究集中于复相涂层的制备。

超高温陶瓷具有高熔点、高硬度、饱和蒸汽压低、抗热震性良好等优异性能，但是超高温陶瓷涂层的热膨胀系数与C/C复合材料差异较大，即使进行梯度处理，超高温陶瓷涂层表面仍然存在微裂纹。而且陶瓷材料本身具有脆性，在热冲击条件下，由各向异性热膨胀系数造成的热应力高达80~100 MPa，以上因素将影响超高温陶瓷涂层在高温富氧环境的服役性能。

金属陶瓷兼具陶瓷材料与金属材料的优点，良好的韧性、耐高温、耐腐蚀性等。金属的加入使得陶瓷材料在热冲击下表现出良好的韧性，降低陶瓷材料的热应力，具有广泛的应用前景。钨不仅是已知金属元素中熔点最高的贵金属，其熔点高达3400℃，而且其在高温条件下具有较高的强度和硬度，密度大（19.3 g/cm³），导电导热性能优良，蒸汽压低，电子逸出功低（1.55 eV）。目前国内外制备钨基金属涂层的方法主要有固相沉积法、气相沉积法及液相沉积法等。

ZrC(melting point 3540 ℃)具有优异的高温热稳定性，在2973 K以上的有氧环境中，自身氧化形成具有自愈合作用的液态ZrO₂，能够对陶瓷涂层产生裂纹及孔洞进行封填，从而阻止或抑制氧原子的扩散。熔融态的ZrO₂粘度高，能够承受气流粒子的高速冲刷，ZrC是一种理想的热防护材料。

硅化物比相应碳化物的熔点低，烧蚀过程中产生的SiO₂具有优异的自愈合性能，在1700℃高速气流冲刷中能够有效防护涂层产生微观孔隙和裂纹，抑制氧原子向基体内部的扩散。相较于其他硅化物，硅化锆熔点较高，且在烧蚀中产生ZrO₂，具有较强的自愈合作用。

目前，ZrC涂层的制备方法主要有磁控溅射法、离子束辅助沉积法、脉冲激光沉积法、熔盐脉冲电沉积法和化学气相沉积法（CVD）等。强碳化物元素（Cr、Ti、Zr、W）与C/C基体具有良好的润湿性，这些强碳化物元素与C/C基体相互作用，在基体表面形成碳化金属薄膜，过渡族金属原子在碳化物薄膜的表面形核、生长，在1300~1700℃高温条件下，金属原子不断在镀层外表面形核、长大，高温条件下的碳原子由C/C基体向金属镀层扩散并与过渡族金属元素形成碳化物。

现有技术采用金刚石盐浴镀的方法获得的金属镀层较薄；其它方法获得的涂层与基体的结合强度较低，涂层表面分布不均匀，致密度较差。

发明内容