一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法技术

本发明专利技术提供一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。

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

【技术实现步骤摘要】
一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法
本专利技术涉及一种高温抗氧化耐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
高温结构材料，如：C/C复合材料、C/SiC复合材料和难熔金属等，能在高温环境中保持优异的力学性能，但在含氧或富氧的环境，其力学性能的保持受限于材料自身的高温抗氧化能力[1],[2]。为增强高温结构材料的高温抗氧化与耐烧蚀能力，可以通过在高温结构材料表面制备涂层，以阻断环境中氧气向基体材料的扩散，实现提升其高温抗氧化能力，从而维持其高温力学性能，扩展其应用范围。超高温陶瓷材料是指熔点在3000℃以上的硼化物、碳化物、氮化物等物质，是高温防护所选用的重点候选材料[3]。其中，由于ZrB2和ZrC具有密度较低、经济廉价、来源广泛等特点，使其备受关注。在高温有氧环境中，ZrB2与ZrC分别发生氧化反应为：ZrB2+5/2O2＝ZrO2+B2O3；ZrC+3/2O2＝ZrO2+CO。其ZrB2的氧化产物为ZrO2和液相B2O3，但是当温度达到1200℃以上后，B2O3挥发变得剧烈，液相逐渐消失，只留下ZrO2多孔层，使得材料丧失防护效果；ZrC的氧化产物为ZrO2与CO，在CO挥发后剩余ZrO2层[4]，也使得ZrC涂层的防护作用失效。针对其弱点对涂层材料进行改性，以期增强其高温抗氧化能力。参考文献：[1]CorralE.L.,WalkerL.S.,ImprovedablationresistanceofC-Ccompositesusingzirconiumdiborideandboroncarbide,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,30(2010)2357-2364.；[2]TangS.,DengJ.,WangS.,ComparisonofthermalandablationbehaviorsofC/SiCcompositesandC/ZrB2-SiCcomposites,CorrosionScience,51(2009)54-61.；[3]FahrenholtzW.G.,HilmasG.E.,Ultra-hightemperatureceramics:Materialsforextremeenvironments,ScriptaMaterialia,129(2017)94-99.；[4]ParthasarathyT.A.,RappR.A.,OpekaM.,AmodelfortheoxidationofZrB2,HfB2andTiB2,ActaMaterialia,55(2007)5999-6010.。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。本专利技术以ZrB2、ZrC或ZrB2-ZrC复合相为主要相，其具有熔点高的特点(ZrB2熔点：3040℃，ZrC熔点3420℃)，氧化后形成具有高熔点的ZrO2骨架(ZrO2熔点2710℃)，能够抵御气流的冲刷。同时选择SiC和WC作为添加相。其中SiC有利于在材料表面形成连续、致密的SiO2玻璃层，阻止氧气的渗入。而且添加WC，其氧化产物WO3参与SiO2玻璃成键，增强SiO2稳定性。特别是，WO3可以与ZrO2发生高温共熔，减少材料内部孔隙与裂纹，使得ZrO2层更为致密，且能进一步抑制低氧环境中SiC的活性氧化，减少对材料内部结构的破坏。此外，添加WC还有利于降低烧蚀表面温度。因此，通过选择SiC和WC作为添加相可进一步提升该涂层材料体系的高温抗氧化与耐烧蚀性能。较佳地，所述主相的含量为60～80vol.％，所述SiC的含量为15～30vol.％，所述WC的含量为2～10vol.％，各相含量之和为100vol.％。当SiC添加少于15vol％时，涂层在高温下表面很难形成连续致密的液相保护层；SiC添加超过30vol％时，涂层在高温下的力学性能会迅速降低。WC的添加也需在适宜的范围内，当WC含量较低时，无法显著提升涂层的抗氧化性能；当WC含量过高时，涂层的高温力学性能会降低，特别是，涂层的高温抗氧化性能会由于氧化产物WO3的大量挥发而降低。较佳地，所述复合涂层的厚度为100～1000μm。另一方面，本专利技术还提供了一种如上所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备方法，包括：以ZrB2粉体、ZrC粉体、SiC粉体和WC粉体作为原料，按照所述复合涂层的组分称取原料并混合，得到复合粉体；采用真空等离子体喷涂技术将所得复合粉体喷涂到基体上，得到所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层。较佳地，所述ZrB2粉体的粒径为5～80μm。较佳地，所述ZrC粉体的粒径为5～80μm。较佳地，所述SiC粉体的粒径为5～80μm。较佳地，所述WC粉体的粒径为5～80μm。较佳地，所述真空等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子体气体Ar：25～50slpm；等离子体气体H2：2～20slpm；喷涂电压：40～75V；喷涂电流：350～750A；送粉载气Ar：2～10slpm；喷涂距离：130～380mm；送粉速率：5～30rpm；真空室压强：50～800mbar。较佳地，所述基体经过表面预处理。预处理步骤可以包括喷砂粗化。本公开中，选用的基体可以是难熔金属及其合金、SiC/SiC或者是加有SiC涂层的石墨或碳纤维增强复合材料(C/C、C/SiC)等。本公开采用真空等离子体喷涂技术制备该高温抗氧化耐烧蚀涂层，其原料为粉体，可以通过改变粉体配比，较容易地实现涂层组成的控制。而且，由于在惰性气氛下制备涂层，可以避免引入氧化物杂质，形成较致密的涂层。此外，该技术还具有适合制备厚涂层(大于100μm)、效率高、可重复性好、适合规模化生产等特点。附图说明图1为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下分别氧化1、3、6小时后的宏观图片；图2为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下分别氧化1、3、6小时后的氧化增重变化曲线；图3为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层氧化后的自然断面：(a)氧化1小时，(b)氧化6小时；图4为对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层氧化后的自然断面：(a)氧化1小时，(b)氧化6小时；图5为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在热流3.01MW/m2烧蚀环境中的表面温度变化曲线；图6为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在经过高温等离子火焰烧蚀300s的宏观形貌。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本专利技术一实施方式中，所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的组成包括主相和添加相。在可选的实施方式中，选用超高温陶瓷ZrB2或/和ZrC等作为高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的主相。在可选的实施方式中，选用一定含量的SiC和WC作为高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的添加相。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。

【技术特征摘要】
1.一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述主相的含量为60～80vol.%，所述SiC的含量为15～30vol.%，所述WC的含量为2～10vol.%，各相含量之和为100vol.%。3.根据权利要求1或2所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的厚度为100～1000μm。4.一种如权利要求1-3中任一项所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：以ZrB2粉体、ZrC粉体、SiC粉体和WC粉体作为原料，按照所述复合涂层的组分称取原料并混合，得到复合粉体；采用真空等离子体喷涂技术将所得复合粉体喷涂到基体上，得到所述高温抗氧化耐烧蚀复...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，李崇，刘涛，钟鑫，季珩，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