一种基于表面合金化改性的Ir‑X涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面合金化改性的Ir‑X涂层及其制备方法，该Ir‑X涂层及其制备方法是在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，然后将金属X粉末、与金属X对应的金属氧化物XO粉末以及氯化物活性剂混合制成渗剂，采用粉末包埋固渗的方法使铱涂层进行表面合金化改性，制得Ir‑X涂层。本发明专利技术的基于表面合金化改性的Ir‑X涂层在气动环境下具有低表面催化效应及表面温度，服役性能较传统硅化物涂层体系大幅提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层及其制备方法
本专利技术属于高温材料
，涉及超高温抗氧化涂层体系及其制备，具体涉及一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层及其制备方法。
技术介绍
超高温防热材料广泛应用于航天领域，特别是超高声速飞行器表面和发动机燃烧室。由于大多数轻质高强的基体材料高温下易氧化（如碳/碳复合材料），因此需要在其外部覆盖抗氧化涂层。目前主流抗氧化涂层为含硅陶瓷（如SiC/ZrB2），在高温下生成SiO2粘流层阻挡氧的进入。然而SiO2在1500℃以上挥发剧烈且在低压下会主动氧化生成气态SiO，失去保护层功能。若使飞行器进一步提速，必须找到一种新的抗氧化涂层体系。金属铱是一种熔点高（2440℃）、化学性质稳定、高强度、高硬度的贵金属，且拥有已知材料中最低的氧渗透率，因此有代替含硅陶瓷制备出使用在更苛刻的气动环境中的潜力。但是铱作为一种贵金属，有着显著的表面催化效应——在飞行器以高超声速穿过大气时，巨大的气动热将空气解离为等离子体，而后在材料表面重新复合并放出化学潜热的效应。该效应使铱在相同的气动环境下表面温度远高于大多数陶瓷材料，严重限制了其应用。目前尚未发现任何以铱作为阻氧层在气动环境下应用的超高温抗氧化涂层的报道，所有关于铱及铱表面改性的报道均局限于静态抗氧化性能，且温度远未达到高超声速飞行器的服役环境，没有等离子体的作用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在气动环境下具有低表面催化效应及表面温度、服役性能较传统硅化物涂层体系大幅提升的基于表面合金化改性的Ir-X涂层及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层，所述Ir-X涂层主要通过先在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，然后采用粉末包埋固渗的方法使铱涂层表面合金化改性，制得Ir-X涂层。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层中，优选的，所述铼涂层的厚度为20μm～80μm，所述铱涂层的厚度为20μm～100μm，所述Ir-X涂层的厚度为5μm～50μm。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，以所得碳碳复合材料/铼/铱体系或者石墨基底/铼/铱体系作为原始材料，将原始材料进行超声清洗和烘干；（2）将金属X粉末、与金属X对应的金属氧化物XO粉末以及氯化物活性剂混合至均匀，得到渗剂，所述金属X为Cr、Y、Zr、Hf、Ta或Ti，与金属X对应的金属氧化物XO粉末分别为Cr2O3、Y2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5、TiO2；（3）将步骤（1）烘干后的原始材料埋入步骤（2）所得渗剂中，进行粉末包埋固渗处理，得到Ir-X涂层。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，进行粉末包埋固渗处理时：当金属X为Cr或Ti时，将埋有原始材料的渗剂在氩气保护下升温加热至800℃～1100℃，升温速率为15℃/min～20℃/min，保温3h～6h，得到Ir-X涂层；当金属X为Y、Zr、Hf或Ta时，将埋有原始材料的渗剂在10Pa～20Pa的压力下升温加热至1200℃～1500℃，升温速率为15℃/min～25℃/min，保温1h～6h，得到Ir-X涂层。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述氯化物活性剂包括NH4Cl、NaCl和CrCl3中的一种或多种。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（2）的渗剂中，按质量百分数计，金属X粉末为25%～40%，金属氧化物XO粉末为50%～70%，氯化物活性剂为1%～10%。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述粉末包埋固渗处理工艺结束后，先将所得样品冷却至室温，然后采用去离子水超声处理10min～30min以除去渗剂，经干燥后，得到Ir-X涂层。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述原始材料先后采用乙醇和去离子水进行超声清洗，总清洗时间为10min～20min，然后于90℃～120℃下烘干10min～30min。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述铼涂层采用CVD方法进行沉积，所述铱涂层采用熔盐电沉积方法进行制备。上述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述铼涂层的厚度为20μm～80μm，所述铱涂层的厚度为20μm～100μm；所述步骤（3）中，所述Ir-X涂层的厚度为5μm～50μm。Ir-X涂层的厚度为与X元素有关，常介于5μm～25μm之间，但不限于此。本专利技术的主要创新点在于：为降低铱的催化效应，本专利技术的主要专利技术思路是对铱涂层进行表面合金化改性。通过粉末固渗工艺将易形成低催化系数和高熔点氧化物的金属元素X如铬、锆、铪、钽等渗入铱中，形成Ir-X金属间化合物。Ir-X指金属Ir与另一种金属元素所组成的二元化合物体系，其中可包括多种不同价态的化合物。其中Ir充当阻氧层，而表面的Ir-X以及其氧化得到的XO层可降低Ir的催化效应，使其在气动环境下温度得到大幅降低，从而可以应用在高超声速飞行器的极端服役环境。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提供了一种基于铱表面改性超高温抗氧化涂层的设计思路及制备方法。该方法是在易氧化的基底上先制备一层过渡层铼涂层以提高Ir与基体C的结合力并避免脆性金属间化合物的生成，然后制备一层铱涂层，再将铱涂层的表面利用粉末固渗引入合金元素X如Al、Cr、Y、Zr、Hf、Ta、Ti等，形成Ir-X表面合金层。其中Ir涂层充当阻氧层，Ir-X及应用时经自动氧化而生成的XO涂层充当降热层，这种新型双层涂层可提高涂层的可设计性、使用温度和寿命。本专利技术利用粉末包埋固渗工艺，使Ir的高熔点、低氧渗透率以及Ir-X的低催化效应产生协同作用，实现了Ir-Hf、Ir-Zr或Ir-Ta等高熔点合金涂层的低成本制备。本专利技术制备的Ir-X涂层形貌、厚度可控，涂层与基底之间结合性好，最终改性后的Ir-X涂层在模拟气动环境下表面温度相对于纯铱有明显降低，具备超高温抗氧化涂层的应用潜力。附图说明图1为本专利技术实施例中经过CVD铼和熔盐电沉积铱涂层后的原始材料截面SEM形貌。图2为本专利技术实施例1中原始材料经过粉末固渗铬后的Ir-Cr涂层截面SEM形貌。图3为本专利技术实施例1中原始材料经过粉末固渗铬后的Ir-Cr涂层截面XRD图谱。图4为本专利技术实施例2中原始材料经过粉末固渗钛后的Ir-Ti涂层截面SEM形貌。图5为本专利技术实施例2中原始材料经过粉末固渗钛后的Ir-Ti涂层截面XRD图谱。图6为本专利技术实施例3中原始材料经过粉末固渗锆后的Ir-Zr涂层截面SEM形貌。图7为本专利技术实施例3中原始材料经过粉末固渗锆后的Ir-Zr涂层截面XRD图谱。图8为本专利技术实施例4中原始材料经过粉末固渗钽后的Ir-Ta涂层截面SEM形貌。图9为本专利技术实施例4中原始材料经过粉末固渗钽后的Ir-Ta涂层截面XRD图谱。图10为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面合金化改性的Ir‑X涂层，其特征在于，所述Ir‑X涂层主要通过先在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，然后采用粉末包埋固渗的方法使铱涂层表面合金化改性，制得Ir‑X涂层。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层，其特征在于，所述Ir-X涂层主要通过先在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，然后采用粉末包埋固渗的方法使铱涂层表面合金化改性，制得Ir-X涂层。2.根据权利要求1所述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层，其特征在于，所述铼涂层的厚度为20μm～80μm，所述铱涂层的厚度为20μm～100μm，所述Ir-X涂层的厚度为5μm～50μm。3.一种基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）在碳碳复合材料或石墨基底上先后沉积一层过渡层铼涂层和一层铱涂层，以所得碳碳复合材料/铼/铱体系或者石墨基底/铼/铱体系作为原始材料，将原始材料进行超声清洗和烘干；（2）将金属X粉末、与金属X对应的金属氧化物XO粉末以及氯化物活性剂混合至均匀，得到渗剂，所述金属X为Cr、Y、Zr、Hf、Ta或Ti，与金属X对应的金属氧化物XO粉末分别为Cr2O3、Y2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5、TiO2；（3）将步骤（1）烘干后的原始材料埋入步骤（2）所得渗剂中，进行粉末包埋固渗处理，得到Ir-X涂层。4.根据权利要求3所述的基于表面合金化改性的Ir-X涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，进行粉末包埋固渗处理时：当金属X为Cr或Ti时，将埋有原始材料的渗剂在氩气保护下升温加热至800℃～1100℃，升温速率为15℃/min～20℃/min，保温3h～6h，得到Ir-X涂层；当金属X为Y、Zr、Hf或Ta时，将埋有原始材料的渗剂在10Pa～20Pa的压力下升温加热至1200℃～1500℃，升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利安，叶益聪，白书欣，张虹，万红，张楷力，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43