碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法技术

本发明专利技术提供一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法，包括如下步骤：送样步骤：将放置有试样的样品台传送到溅射室，对溅射室进行抽真空；主轰击步骤：向溅射室内充入氩气，在Si靶、Zr靶和C靶加电压和电流进行轰击；镀膜步骤：开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的SiC层，然后开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的ZrC层；然后再依次按照上述步骤沉积SiC层、ZrC层，经多次溅射并沉积后，完成镀膜。通过该方法制备的SiC/ZrC涂层有效防止由于其热膨胀系数过大而形成的过多的裂纹，操作工艺简便、涂层结构简单、易于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法
本专利技术涉及碳材料表面热防护
，特别涉及一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法。
技术介绍
C/C复合材料具有密度低、高比模量、高比强度、高韧性、耐烧蚀及耐热冲击、低热膨胀、抗热震等优点，且在高温条件下具有高强度和抗蠕变性能。由于在高温下优异力学性能，在火箭喷管、喷头、再入飞行器前缘和燃气轮机发动机部件等航空航天工业中具有广泛的应用前景。然而碳材料在有氧环境中，当温度超过500℃时，将氧化分解，这极大地限制了其在含氧环境中的应用。通常采用表面涂层或基体掺杂来改善C/C复合材料的抗氧化性能。目前，应用抗氧化涂层被认为是解决C/C复合材料氧化问题的有效途径。高温抗氧化陶瓷因其具有良好的高温相稳定性、化学稳定性及高硬度等优点，是最有前途的高温抗氧化涂层材料，其中碳化物陶瓷涂层在烧蚀过程中，可生成致密且具有低氧扩散系数的氧化层，因而具有良好的抗烧蚀能力。在碳化物高温抗氧化陶瓷中，碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，耐热震、体积小、重量轻而强度高、硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石(10级)，具有优良的导热性能，是一种高温抗氧化涂层材料。随着超高温环境的应用需求，C/C复合材料的抗氧化涂层也向难熔金属涂层和超高温陶瓷涂层方向发展。目前C/C复合材料的超高温陶瓷涂层也是研究热点，研究的制备方法包括化学气相沉积、涂覆反应烧结(或包埋)、反应浸渗和喷涂等。ZrC具有良好的热稳定性、相对较低的密度和很强的Zr-C共价键，使其具有熔点高(3420℃)、硬度高(25.5GPa)的特点。此外，它对应的氧化物ZrO2也具有较高的熔点(2677℃)、良好的高温稳定性和化学稳定性，这些性能特点使得ZrC成为理想的抗氧化涂层材料之一。由于陶瓷涂层(ZrC单涂层)与C/C复合材料的热膨胀系数差别较大，引起的热应力易导致涂层开裂并脱落，将严重影响涂层使用。在基底和涂层之间制备过渡层或制备梯度涂层能够缓解涂层与基底之间的热性能失配。如熊翔等人采用CVD法在C/C复合材料与ZrC间制备ZrC-C过渡层取得的效果较好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法，包括如下步骤：送样步骤：将放置有试样的样品台传送到溅射室，对溅射室进行抽真空；主轰击步骤：在完成送样步骤后，向溅射室内充入氩气，在Si靶、Zr靶和C靶加电压和电流进行轰击，轰击完成后关闭所有靶材电源，在完成主轰击后，调整样品台，以便试样进行镀膜；镀膜步骤：开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的SiC层，再将样品台转至Zr靶、C靶的靶位，开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的ZrC层；经多次溅射并沉积后，形成所述SiC/ZrC涂层完成镀膜。进一步地，在上述的制备方法中，在所述送样步骤前还包括准备步骤，所述准备步骤包括如下操作：试样表面预处理：对试样进行超声清洗，然后将清洗完成后的试样放入70℃的环境中干燥1h；清理：利用砂纸对真空炉的内壁、试样模具和靶材筒进行打磨；抽气：在清理完成后，在真空炉内装入试样并安装Si靶、Zr靶和C靶的靶材，然后对清洗室进行抽真空；清洗：在抽气完成后，将清洗室抽真空到0.7×10-3Pa，然后通入氩气，使压强上升到20Pa–30Pa，接通电离电源对清洗室进行辉光清洗；优选地，在试样表面预处理步骤中，首先将试样放入丙酮中超声清洗15min后，然后放入无水乙醇超声波清洗15min；优选地，在清洗步骤中，对清洗室进行辉光清洗25分钟–35分钟。进一步地，在上述的制备方法中，在所述送样步骤中，首先对溅射室进行粗抽，使溅射室的真空度达到3.0×100Pa以下，然后对溅射室进行细抽，当溅射室内的真空度达到1×10-3Pa以下时结束，抽真空时间为6小时以上。进一步地，在上述的制备方法中，在所述主轰击步骤中，Si靶、Zr靶和C靶的电压均为480V、电流均为0.3A，轰击时间为5分钟–15分钟；优选地，向溅射室内充入氩气使溅射室内的压强达到(3–5)×10-1Pa。进一步地，在上述的制备方法中，在所述镀膜步骤中，试样在Si靶、C靶的靶位时，Si靶功率为50W–150W、C靶的功率为100W–200W，每次溅射时间为30分钟–120分钟，沉积时间为0.5小时–3小时；试样在Zr靶、C靶的靶位时，Zr靶的功率为100W–250W、C靶的功率为100W–250W，Zr靶和C靶每次溅射时间为30分钟–120分钟，沉积时间为0.5小时–3小时。进一步地，在上述的制备方法中，每次沉积SiC层的厚度为3μm–5μm；每次沉积ZrC层的厚度为3μm–5μm；所述SiC/ZrC涂层为多层涂层结构，包括多个所述SiC层和多个所述ZrC层，所述SiC层和所述ZrC层间隔设置；优选地，所述SiC/ZrC涂层的厚度为100μm以上。进一步地，在上述的制备方法中，在所述镀膜步骤中，真空炉的工作参数为：工作气压为4Pa–6Pa、负偏压为-200V、工作电压为400V–450V、试样的基底温度为180℃–220℃。进一步地，在上述的制备方法中，在镀膜步骤过程中持续充入氩气，氩气的流通速率为10sccm–30sccm。进一步地，在上述的制备方法中，在所述镀膜步骤后还包括钝化步骤，所述钝化步骤包括如下操作：首先应降低溅射室的温度，接着通入氩气将试样的表面钝化，然后待真空室温度降到120℃时向真空炉内充入气体使真空炉内的气压达到1个大气压；优选地，在所述钝化步骤中氩气的流通速率为30sccm–40sccm，时间为2分钟。进一步地，在上述的制备方法中，所述Si靶、所述Zr靶和所述C靶的靶材纯度均大于99.99wt％。分析可知，本专利技术公开一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法，该方法采用磁控溅射设备制备SiC/ZrC涂层，适用于碳/碳复合材料的高温抗氧化防护。采用包括Si靶、Zr靶和C靶的多靶磁控溅射涂层设备，Si靶、Zr靶和C靶分别由独立的直流电源控制，以氩气作为溅射气体和载气，通过反应溅射制备SiC/ZrC多层涂层，多层涂层结构通过基体在Si靶、C靶和Zr靶、C靶前先后多次沉积而成，通过调节靶功率和沉积时间控制SiC/ZrC厚度。该多层涂层的结构可以降低碳基体与涂层之间的热应力，阻止由于材料之间热膨胀系数差异过大而导致的涂层开裂和剥落。本专利技术涂层结构简单、操作工艺简便，易于工业化生产。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。其中：图1为实施例1制备的SiC/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n送样步骤：将放置有试样的样品台传送到溅射室，对溅射室进行抽真空；/n主轰击步骤：在完成送样步骤后，向溅射室内充入氩气，在Si靶、Zr靶和C靶加电压和电流进行轰击，轰击完成后关闭所有靶材电源，在完成主轰击后，调整样品台，以便试样进行镀膜；/n镀膜步骤：开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的SiC层，/n再将样品台转至Zr靶、C靶的靶位，开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的ZrC层；/n经多次溅射并沉积后，形成所述SiC/ZrC涂层完成镀膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化SiC/ZrC涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
送样步骤：将放置有试样的样品台传送到溅射室，对溅射室进行抽真空；
主轰击步骤：在完成送样步骤后，向溅射室内充入氩气，在Si靶、Zr靶和C靶加电压和电流进行轰击，轰击完成后关闭所有靶材电源，在完成主轰击后，调整样品台，以便试样进行镀膜；
镀膜步骤：开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的SiC层，
再将样品台转至Zr靶、C靶的靶位，开启控制Si靶和C靶的直流电源经溅射并沉积后制备满足化学计量比的ZrC层；
经多次溅射并沉积后，形成所述SiC/ZrC涂层完成镀膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
在所述送样步骤前还包括准备步骤，所述准备步骤包括如下操作：
试样表面预处理：对试样进行超声清洗，然后将清洗完成后的试样放入70℃的环境中干燥1h；
清理：利用砂纸对真空炉的内壁、试样模具和靶材筒进行打磨；
抽气：在清理完成后，在真空炉内装入试样并安装Si靶、Zr靶和C靶的靶材，然后对清洗室进行抽真空；
清洗：在抽气完成后，将清洗室抽真空到0.7×10-3Pa，然后通入氩气，使压强上升到20Pa–30Pa，接通电离电源对清洗室进行辉光清洗；
优选地，在试样表面预处理步骤中，首先将试样放入丙酮中超声清洗15min后，然后放入无水乙醇超声波清洗15min；
优选地，在清洗步骤中，对清洗室进行辉光清洗25分钟–35分钟。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
在所述送样步骤中，首先对溅射室进行粗抽，使溅射室的真空度达到3.0×100Pa以下，然后对溅射室进行细抽，当溅射室内的真空度达到1×10-3Pa以下时结束，抽真空时间为6小时以上。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
在所述主轰击步骤中，Si靶、Zr靶和C靶的电压均为480V、电流均为0.3A，轰击时间为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喜坤，武晓娟，徐兴文，赵海涛，田畅，管仁国，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21