一种耐高温抗氧化烧蚀复合涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐高温抗氧化烧蚀复合涂层及制备方法，本发明专利技术的ZrC‑MoSi2复合涂层由ZrC主相和MoSi2第二相组成，其中，所述MoSi2第二相的含量为5～45vol.%。本发明专利技术的复合涂层在高温、有氧、气体冲刷环境下显示出优异的抗氧化烧蚀性能，能有效保护基体材料。

A High Temperature Resistant and Antioxidant Ablation Composite Coating and Its Preparation Method

The present invention relates to a high-temperature anti-oxidation ablation composite coating and a preparation method. The ZrC_MoSi2 composite coating of the present invention consists of ZrC main phase and MoSi2 second phase, in which the content of the second phase of MoSi2 is 5-45 Vol.%. The composite coating of the invention exhibits excellent anti-oxidation ablation performance under high temperature, aerobic and gas scouring environment, and can effectively protect the matrix material.

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温抗氧化烧蚀复合涂层及制备方法
本专利技术涉及一种耐高温抗氧化烧蚀复合涂层及其制备方法，属于高温防护涂层领域。
技术介绍
ZrC具有高熔点(3420℃)、高热导率(20.5W/m·℃)、高硬度(维氏硬度为25.5GPa)、高化学稳定性以及良好的抗烧蚀性能，是一种在航天领域有广泛应用前景的高温结构材料。目前，文献报道的ZrC涂层和ZrC基复合涂层相关制备方法主要包括：化学气相沉积法、固渗法和等离子体喷涂法。熊翔等采用化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备了ZrC涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核240s后ZrO2氧化层与未反应的ZrC涂层之间出现热膨胀系数不匹配的问题，因此ZrO2氧化层剥落。化学气相沉积法存在制备周期长、沉积效率低、成本高，以及难以制备多组元复合涂层等问题【1SunW,XiongX,HuangB,LiG.D,ZhangH.B,ChenZ.K,ZhengX.L,ZrCablationprotectivecoatingforcarbon/carboncomposites,Carbon,47(2009)3365–3380】。李贺军等采用固渗法在C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC复合涂层，他们将密度为1.58g/cm3，孔隙率为21％的C/C复合材料放入Zr、ZrO2、Si、C组成的粉体中，在氩气保护下升温到2300℃，保温2h得到涂层。氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核20s结果显示，该复合涂层生成的氧化物层不能有效覆盖基体表面，导致基体受到破坏。固渗法存在反应温度高，会影响基体材料的力学性能，以及难以对大尺寸试件进行制备涂层的问题【2Zhao.Q.L,Li.H.J,WeiL,Wang.J,Zhang.S.Y,PreparationandablationpropertiesofZrC–SiCcoatingforcarbon/carboncompositesbysolidphaseinfiltration,AppliedSurfaceScience,258(2011)565–571】。超音速等离子体喷涂是在大气环境下制备涂层的方法，属于等离子体喷涂技术范畴之内。付前刚等采用这种技术在C/C复合材料表面制备了ZrC/SiC梯度复合涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核60s的结果显示，梯度分布的涂层结构能够减小热膨胀系数不匹配导致的涂层内部热应力，ZrC/SiC梯度复合涂层的抗烧蚀性能明显优于SiC涂层，但是由于在涂层制备过程中引入了过多的ZrO2杂质，制备的梯度复合涂层存在结构致密度差、孔隙率高的问题【3Yao.D.J,Li.H.J,Wu.H,Fu.Q.G,AblationresistanceofZrC/SiCgradientcoatingforSiC-coatedcarbon/carboncompositespreparedbysupersonicplasmaspraying,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,36(2016)3739-3746】。真空等离子体喷涂又叫低压等离子体喷涂，是在惰性气氛(氩气等)保护下进行喷涂的方法，喷涂过程中能够限制粉体氧化，此外还具有沉积效率高、厚度可控、粉体熔化充分、适合工业化生产等特点。胡翠等发现真空等离子体喷涂法制备的ZrC涂层具有结构致密、热导率高、孔隙率和热膨胀系数低的特点【4Hu.C,Ge,X.L,Niu.Y.R,Influenceofoxidationbehavioroffeedstockonmicrostructureandablationresistanceofplasma-sprayedzirconiumcarbidecoating，JournalofThermalSprayTechnology，24(7)(2015)1302-1311】。目前报道最多的是在ZrC涂层中引入SiC进行改性，通过在烧蚀过程中生成具有自愈合作用的SiO2玻璃相，阻止氧气向涂层内部扩散，以提高涂层的抗氧化烧蚀性能。但是选用等离子体喷涂法制备的ZrC-SiC复合涂层存在以下问题：一、SiC含量不可控。等离子体火焰的中心温度达到10000℃以上，SiC没有稳定的液相，在2300℃时存在分解现象，会导致涂层中SiC含量低且不可控，不利于控制涂层的质量稳定性；二、烧蚀过程中SiO气体的生成。空气环境下，SiC在1500℃以上的氧化包括被动氧化和主动氧化，被动氧化的方程式为(1)，主动氧化的方程式为(2)：SiC(s)+3/2O2(g)＝SiO2(l)+CO(g)(1)SiC(s)+O2(g)＝SiO(g)+CO(g)(2)。SiC发生被动氧化可以生成具有自愈合作用的SiO2玻璃相，涂层由外向内氧分压呈现降低的趋势，当内部氧分压降低到某一数值时，此处的SiC会发生主动氧化生成SiO气体，SiO气体的生成会产生多孔结构的耗尽层，使得涂层的力学性能降低，在气流冲刷环境，易产生裂纹等缺陷，不利于涂层抗烧蚀性能和使用寿命的提高【5KShugart,EOpila,SiCdepletioninZrB2–30vol％SiCatultrahighTemperatures,JournaloftheAmericanCeramicSociety,98(5)(2015)1673–1683】。所以，选取其他Si基材料替代SiC用于ZrC涂层改性成为目前的重要研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种耐高温抗氧化烧蚀复合涂层及制备方法。在此，一方面，本专利技术提供一种耐高温抗氧化烧蚀ZrC-MoSi2复合涂层，所述ZrC-MoSi2复合涂层由ZrC主相和MoSi2第二相组成，其中，所述MoSi2第二相的含量为5～45vol.％。本专利技术提出选用MoSi2作为第二相，用于ZrC涂层抗氧化烧蚀性能改性，获得耐高温抗氧化烧蚀ZrC-MoSi2复合涂层。本专利技术选用ZrC作为主相，可以在2000℃以上的超高温烧蚀环境下对基体进行保护。MoSi2具有优异的高温抗氧化能力和良好的导热性能，兼备较高的熔点和较低的热膨胀系数等特点。烧蚀环境下，ZrC-MoSi2复合涂层中的第二相MoSi2生成的Si具有向涂层表面扩散富集化的特点，能促进SiO2玻璃相的形成，填充主相ZrC的氧化产物ZrO2颗粒间的空隙、微裂纹等缺陷，有效抑制氧气向涂层内部扩散，同时，因为ZrO2的熔点很高，为2750℃，固相ZrO2形成的骨架可以稳定SiO2液相，提高其抗气流冲刷的作用从而显著提高ZrC涂层的抗氧化烧蚀性能并延长使用寿命。特别是，在高温氧化烧蚀过程中不会出现类似SiC耗尽层这样的破坏结构。该涂层在高温、有氧、气体冲刷环境下显示出优异的抗氧化烧蚀性能，能有效保护基体材料。较佳地，所述ZrC-MoSi2复合涂层的厚度为50～300μm，优选100-250μm。较佳地，所述ZrC-MoSi2复合涂层的孔隙率在8％以下。另一方面，本专利技术还提供一种上述耐高温抗氧化烧蚀ZrC-MoSi2复合涂层的制备方法，包括：按照ZrC-MoSi2复合涂层的组成，分别称取ZrC粉体和MoSi2粉体，混合均匀后得到原料复合粉体；采用真空等离子体喷涂工艺，将原料复合粉体喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温抗氧化烧蚀ZrC‑MoSi2复合涂层，其特征在于，所述ZrC‑MoSi2复合涂层由ZrC主相和MoSi2第二相组成，其中，所述MoSi2第二相的含量为5～45vol.%。

【技术特征摘要】
1.一种耐高温抗氧化烧蚀ZrC-MoSi2复合涂层，其特征在于，所述ZrC-MoSi2复合涂层由ZrC主相和MoSi2第二相组成，其中，所述MoSi2第二相的含量为5～45vol.%。2.根据权利要求1所述的ZrC-MoSi2复合涂层，其特征在于，所述ZrC-MoSi2复合涂层的厚度为50～300μm。3.一种权利要求1或2所述的耐高温抗氧化烧蚀ZrC-MoSi2复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：按照ZrC-MoSi2复合涂层的组成，分别称取ZrC粉体和MoSi2粉体，混合均匀后得到原料复合粉体；采用真空等离子体喷涂工艺，将原料复...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，刘涛，李崇，赵君，石旻昊，郑学斌，丁传贤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31