化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种化学气相共沉积法制备HfC‑SiC复相梯度涂层的方法，采用化学气相共沉积技术在C/C复合材料表面沉积HfC‑SiC复相梯度涂层。本发明专利技术方法制备的HfC‑SiC复相梯度涂层通过控制涂层中的组织成分，实现了热膨胀系数的梯度分布，从根本上解决了涂层与基体之间的热膨胀系数不匹配。所制备的涂层与基体结合良好，可实现组织成分的控制，并且化学气相共沉积工艺制备周期短、工艺过程简单，成本低。通过本发明专利技术在C/C复合材料表面制备的HfC‑SiC复相梯度涂层表面无裂纹，涂层与基体结合强度良好。

Preparation of HfC-SiC gradient coating by chemical vapor deposition

The present invention relates to a method for preparing HfC_SiC multiphase gradient coating by chemical vapor co-deposition. The HfC_SiC multiphase gradient coating is deposited on the surface of C/C composites by chemical vapor co-deposition. The HfC_SiC multiphase gradient coating prepared by the method of the invention realizes the gradient distribution of the thermal expansion coefficient by controlling the microstructure composition of the coating and fundamentally solves the mismatch of the thermal expansion coefficient between the coating and the substrate. The coatings have good adhesion with the substrate, and can control the composition of the structure. The CVD process has the advantages of short preparation cycle, simple process and low cost. The HFC_SiC multiphase gradient coating prepared on the surface of the C/C composite material by the invention has no crack on the surface and good bonding strength between the coating and the substrate.

【技术实现步骤摘要】
化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法
本专利技术属于HfC-SiC复相梯度涂层的制备方法，涉及一种化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法。
技术介绍
炭/炭(C/C)复合材料具有密度低、高比强度、高比模量、热膨胀系数低，优异的耐烧蚀及高温力学性能等独特性质，是最为理想的高温结构材料之一，在航空、航天等领域的极端环境中具有极其广阔的应用前景。然而，在极端服役环境下C/C复合材料不仅易氧化，而且表现出抗烧蚀能力不足，且该材料的氧化烧蚀速率随着温度的升高而迅速增加，其氧化烧蚀将会导致该材料的力学性能大幅度下降。高温易氧化以及抗烧蚀性能不足是C/C复合材料作为高温热结构材料使用最难突破的瓶颈，涂层技术是解决该问题的有效手段。目前研制的大多数C/C复合材料防护涂层为硅化物涂层，使用温度一般在1700℃以下，距其在高温高速冲刷苛刻环境中的实际应用还存在较大差距。研究表明，对于更高温度的防护，必须采用难熔的碳化物材料，以此提高C/C复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承受更高的温度和更长的工作时间。在碳化物中，HfC熔点为3890℃，是已知熔点最高的化合物，具有高硬度、高化学稳定性、优异的抗热冲击和抗烧蚀性能，是C/C复合材料理想的涂层材料。然而，HfC涂层与C/C复合材料之间较大的热膨胀不匹配(αHfC≈6.73×10-6K-1,αC/C≈1.0×10-6K-1)，倘若将其直接应用在C/C复合材料表面，很容易导致涂层的开裂甚至剥落。为了克服上述缺点，缓解HfC涂层与C/C基体之间的热膨胀不匹配，王雅雷等人通过调控涂层制备工艺参数，制备了多孔结构HfC涂层，与致密的HfC涂层相比，多孔结构可有效释放涂层中的热应力，表现出良好的抗烧蚀性能，但涂层的力学性能降低[Ya-LeiWang,etal.AblationbehaviorofHfCprotectivecoatingsforcarbon/carboncompositesinanoxyacetylenecombustionflame.CorrosionSience,2012,pages545-555]。研究人员利用增韧机理开发了一系列纳米线增强HfC涂层，褚衍辉等人采用SiC纳米线增韧HfC涂层[Yan-HuiChu,etal.Microstructureandmechanicalpropertiesofultrafinebamboo-shapedSiCrod-reinforcedHfCceramiccoating.Surface&CoatingsTechnology,2013,pages577-581]，任金翠等人采用制备了HfC纳米线增韧HfC纳米线增韧HfC涂层[Jin-CuiRen,etal.AblationresistanceofHfCcoatingreinforcedbyHfCnanowiresincyclicablationenvironment.JournalofTheEuropeanCeramicSociety,2017,pages2759-2768]，因SiC、HfC纳米线具有优异的力学性能，引入纳米线后，抑制了涂层中裂纹的扩展，但依然无法从根本上解决涂层与基体之间的热失配问题。王永杰等人通过复合涂层设计，采用SiC(αSiC≈5×10-6K-1)作为内涂层来缓解涂层的热膨胀失配，所制备的HfC/SiC复合涂层[AblativepropertyofHfC-basedmultilayercoatingforC/Ccompositesunderoxyacetylenetorch.AppliedSurfaceScience,2011,257(10):4760-4763]表面的裂纹数量和尺寸都有所降低，保证了涂层体系良好的抗烧蚀性能。然而外涂层与内涂层、涂层与基体之间的热膨胀系数仍然存在差异，无法避免因贯穿性裂纹的生成导致的涂层失效。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法，克服涂层与C/C复合材料之间的热膨胀不匹配问题。本专利技术采用化学气相共沉积技术在C/C复合材料表面沉积HfC-SiC复相梯度涂层。本专利技术可以制备出厚度均匀，结构致密，组织成分可控的HfC-SiC复相梯度涂层，并且化学气相共沉积工艺设备简单，反应周期短，成本低，具有广阔的发展前景。技术方案一种化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将C/C复合材料表面打磨抛光后清洗，并于烘箱中烘干；步骤2：采用一束3K炭纤维绳将步骤1中的C/C复合材料悬挂于等温化学气相沉积ICVD炉中，将HfCl4粉放置于悬挂的C/C复合材料上方CVD炉的送粉装置中；步骤3：硅粉放置于悬挂的C/C复合材料下方的CVD炉储料器中；步骤4：通电后，以5～12℃/min的升温速率将CVD炉内温度升温至1200～1500℃；然后以600～1000ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100～200ml/min的流量向炉膛内通入甲烷或以50～100ml/min的流量向炉膛内通入丙烯，以100～500ml/min的流量向炉膛内通入氩气，真空度保持在5～15kPa，并在该温度下保温5～10h，随后关闭电源自然降温，在C/C复合材料表面制备HfC-SiC复相梯度涂层；所述整个降温过程通入氩气保护。有益效果本专利技术提出的一种化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法，HfC熔点是已知熔点最高的化合物，具有高硬度、高化学稳定性、优异的抗热冲击和抗烧蚀性能，是C/C复合材料理想的涂层材料。然而，HfC涂层与C/C复合材料之间较大的热膨胀不匹配，倘若将其直接应用在C/C复合材料表面，很容易导致涂层的开裂甚至剥落。梯度涂层可从根本上解决热膨胀系数不匹配问题。梯度涂层通过控制涂层中的组织成分，实现热膨胀系数梯度分布，达到缓和热应力避免裂纹产生的目的。本专利技术采用化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层，且通过本专利技术在C/C复合材料表面制备的HfC-SiC复相梯度涂层表面无裂纹，涂层与基体结合强度良好。从图1中可知HfC-SiC复相梯度涂层表面颗粒大小均匀且无裂纹，涂层由HfC和SiC相组成。从图2中可知涂层中存在白色和灰色两种相，根据EDS和XRD分析，白色相为HfC，灰色相为SiC。Hf含量随着涂层厚度的增加含量逐渐增加，Si含量随着涂层厚度的增加含量逐渐降低。通过逐步增加热膨胀系数大的HfC组分，使得涂层热膨胀系数逐步增加，有效缓解了涂层中的热应力。此外，大量的白色相和灰色相形成更多的相界面，这些相界面的形成也可以进一步缓解涂层中的热应力，减少涂层中因热应力生成裂纹的机率。另外，涂层厚度较为均匀，并与基体结合紧密，没有明显的界面。附图说明图1：化学气相共沉积系统示意图图2：化学气相共沉积HfC-SiC复相梯度涂层的表面背散射电子照片及XRD图谱图3：化学气相共沉积HfC-SiC复相梯度涂层背散射截面背散射电子照片及EDS面扫描能谱具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：实施例1：选用密度为1.75g/cm3的C/C复合材料作为基体，选用HfCl4，CH4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学气相共沉积法制备HfC‑SiC复相梯度涂层的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将C/C复合材料表面打磨抛光后清洗，并于烘箱中烘干；步骤2：采用一束3K炭纤维绳将步骤1中的C/C复合材料悬挂于等温化学气相沉积ICVD炉中，将HfCl4粉放置于悬挂的C/C复合材料上方CVD炉的送粉装置中；步骤3：硅粉放置于悬挂的C/C复合材料下方的CVD炉储料器中；步骤4：通电后，以5～12℃/min的升温速率将CVD炉内温度升温至1200～1500℃；然后以600～1000ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100～200ml/min的流量向炉膛内通入甲烷或以50～100ml/min的流量向炉膛内通入丙烯，以100～500ml/min的流量向炉膛内通入氩气，真空度保持在5～15kPa，并在该温度下保温5～10h，随后关闭电源自然降温，在C/C复合材料表面制备HfC‑SiC复相梯度涂层；所述整个降温过程通入氩气保护。

【技术特征摘要】
1.一种化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将C/C复合材料表面打磨抛光后清洗，并于烘箱中烘干；步骤2：采用一束3K炭纤维绳将步骤1中的C/C复合材料悬挂于等温化学气相沉积ICVD炉中，将HfCl4粉放置于悬挂的C/C复合材料上方CVD炉的送粉装置中；步骤3：硅粉放置于悬挂的C/C复合材料下方的CVD炉储料器中；步骤4：通电后，以5～12℃/min的升温速率将CVD炉内温度升温至1200～1500℃；然后以600～1000ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100～200ml/min的流量向炉膛内通入甲烷或以50～100ml/min的流量向炉膛内通...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯涛，李贺军，付前刚，童明德，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61