石墨表面耐燒蝕抗氧化復(fù)合涂層制備及性能研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛行器的服役環(huán)境日趨惡劣，對高性能的熱障涂層提出了越來越高的要求。碳基材料，如C/C復(fù)合材料、石墨等，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、良好的高溫穩(wěn)定性和抗熱震性能，在航空航天領(lǐng)域存在著廣泛的應(yīng)用。但是碳基材料在500℃以上氧化環(huán)境中就會發(fā)生氧化，而涂層技術(shù)是改善碳基材料抗氧化性能的有效方法。超高溫材料是指在超高溫環(huán)境下(>2000℃)以及反應(yīng)氣氛(原子氧環(huán)境、等離子體等)中能夠保持物理、化學(xué)穩(wěn)定性的一類特殊材料。ZrB2

2、–SiC基超高溫陶瓷材料具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化和抗燒蝕等綜合性能，是目前在超高溫陶瓷材料體系中得到最廣泛研究的體系。由于傳統(tǒng)碳基材料和ZrB2–SiC基超高溫材料均存在其特有的優(yōu)缺點(diǎn)，若能在碳基材料表面制備ZrB2–SiC陶瓷涂層，結(jié)合基體碳材料輕質(zhì)、抗熱震性能好、高強(qiáng)高模量和ZrB2–SiC基陶瓷材料抗氧化抗燒蝕性能好的優(yōu)點(diǎn)，則能夠解決基體抗氧化抗燒蝕性能差和ZrB2–SiC基陶瓷抗熱震性能差、脆性大的問題，獲得同時具有良好抗熱震

3、、抗氧化、抗燒蝕、輕質(zhì)等特點(diǎn)的材料。
　　在碳基材料表面制備含ZrB2涂層體系過程中，傳統(tǒng)方法往往將ZrB2以顆?；蚍垠w的形式直接加入，這導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)不致密、ZrB2顆粒與基體和其它組元間結(jié)合差，影響涂層性能。通過原位合成ZrB2有利于提高涂層的性能，因此首先需要解決ZrB2原位合成的問題。但是利用化學(xué)氣相沉積法制備的涂層往往具有較高的致密度，直接在碳基材料表面利用化學(xué)氣相沉積法制備涂層容易由于基體和涂層材料較大的熱膨脹系數(shù)的差異

4、而導(dǎo)致涂層中存在較大熱應(yīng)力，影響涂層性能。而利用包埋法制備的涂層其結(jié)構(gòu)較疏松，涂層內(nèi)應(yīng)力小，因此常用包埋法制備的涂層作為中間層來消除外層致密涂層與基體之間的熱應(yīng)力。本研究中也以包埋法制備的涂層作為中間層，而以化學(xué)氣相沉積涂層作為外層涂層來制備復(fù)合涂層。
　　首先，以ZrCl4、BCl3、H2為反應(yīng)氣體，以Ar為載氣和稀釋氣體，利用化學(xué)氣相沉積法在石墨表面制備了ZrB2涂層。在1200oC，Ar/5％H2混合氣240L/h、Ar氣2

5、40L/h、BCl3流量5L/h條件下沉積2h，消耗50.73g的ZrCl4，沉積得到了均勻覆蓋在石墨基體表面的ZrB2涂層，涂層厚度約為12μm，無雜質(zhì)相存在。
　　利用化學(xué)氣相沉積法在石墨基體表面分步合成了ZrB2/SiC涂層，SiC層完全覆蓋在ZrB2層表面，結(jié)構(gòu)均勻致密。SiC涂層在沉積過程中填充了ZrB2涂層中存在的孔隙，兩層涂層結(jié)合緊密。但是由于ZrB2層結(jié)構(gòu)疏松，SiC層與石墨基體接觸，制備的涂層由于熱應(yīng)力較大使Si

6、C層存在裂紋。
　　為緩解CVD涂層與基體之間的熱應(yīng)力，開展了包埋法制備ZrB2–SiC涂層的研究，用于多層涂層的緩沖層或中間層。以Si粉、石墨粉和Al2O3粉為原料，在1800℃溫度下保溫2h制備SiC涂層作為內(nèi)層；以ZrB2粉、Si粉、石墨粉為原料在2000℃溫度下保溫2h制備ZrB2–SiC涂層作為外層，最終得到的SiC/ZrB2–SiC(ZS50–2)涂層具有良好的抗氧化和抗熱震性能。在室溫與1500℃之間熱循環(huán)15次及氧

7、化19h后的質(zhì)量保持率分別為93.5%和97.1%。二茂鐵的添加會提高包埋法制備的ZrB2–SiC涂層中孔隙率，并進(jìn)一步提高其性能。加入3wt.%二茂鐵的涂層試樣(ZS50–3f)在1500℃和室溫之間熱循環(huán)15次后的質(zhì)量保持率為96.2%，氧化19h后的質(zhì)量保持率為99.8%。利用包埋法制備的SiC/ZrB2–SiC涂層中SiC相構(gòu)成了涂層主體結(jié)構(gòu)，且SiC/ZrB2–SiC涂層的疏松結(jié)構(gòu)利于緩解熱應(yīng)力。最后，以包埋法制備的SiC/Z

8、rB2–SiC(ZS50–3f)涂層試樣為基體，在其上利用化學(xué)氣相沉積法分步制備ZrB2和SiC層，制備了具有優(yōu)異性能的SiC/ZrB2–SiC/ZrB2/SiC涂層。
　　采用氧乙炔燒蝕法分別對所制備的涂層進(jìn)行了抗氧化燒蝕性能評價(jià)。在O2和C2H2的流量分別為1800L/h和1900L/h條件下，CVD ZrB2/SiC燒蝕33s后涂層完全失效；在O2和C2H2的流量分別為1300L/h和1900L/h條件下燒蝕~170s也完全

9、失效。石墨表面CVD ZrB2/SiC涂層抗燒蝕性能差，難以為石墨基體提供良好的抗燒蝕保護(hù)。包埋法制備的SiC/ZrB2–SiC(ZS50–3f)涂層還具較好的抗燒蝕性能，在1850℃燒蝕~200s后中心燒蝕區(qū)的線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率分別為4.647μm/s和1.216mg/s。而在O2和C2H2的流量分別為1800L/h和1900L/h的燒蝕條件下，SiC/ZrB2–SiC/ZrB2/SiC涂層具有最優(yōu)異的抗燒蝕性能，在燒蝕過程中溫度逐