一种单相(Hf制造技术

本发明专利技术涉及一种单相(Hf

【技术实现步骤摘要】
一种单相(Hf
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Zr1‑
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于抗烧蚀防护涂层制备领域，涉及一种单相(Hf
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Zr1‑
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层及制备方法。

技术介绍

[0002]在碳基复合材料的热防护领域，涂层技术的应用被认为是一种最有效的方法。超高温陶瓷(UHTC)，指的是熔点大于3000℃的过渡金属碳化物、硼化物和氮化物等，这些材料有着高熔点、高硬度、高强度和优异的抗烧蚀性能，成为碳基复合材料在极端环境下热防护涂层的最佳候选材料之一。其中，氮化铪(HfN)和氮化锆(ZrN)陶瓷的有一个趣现象是它们的熔点也大气压有关。而火箭发动机推进系统有着很高的工作压力(10
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30MPa)，因此这些氮化物可以制成热结构部件或保护涂层以满足恶劣环境下的应用需求。但是，HfN和ZrN在高温烧蚀期间会产生多孔结构的氧化物，并且这些氧化物随着温度发生相变使得涂层内部产生较大的热应力，引起涂层快速失效。截止目前，鲜有对于氮化物超高温陶瓷的作为抗烧蚀涂层的报道。构建氮化物固溶体结构成为了解决这个问题的潜在方法。这种固溶体结构不仅增加了材料的强度，并且在高温烧蚀期间产生的氧化物能够形成稳定且连续的具有致密结构且氧扩散系数低的固溶体氧化物，使其能够发挥独特的结构优势。
[0003]文献1“Microstructure and ablation behaviour of a strong,dense,and thick interfacial Zr
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Hf1‑
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C/SiC multiphase bilayer coating prepared by a new simple one
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step method”报道了Zr
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Hf1‑
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C固溶体结构的抗烧蚀性能要比单一的HfC和ZrC更好，进一步证明了固溶体结构材料在抗烧蚀领域的应用有着巨大的潜力。
[0004]由于HfN和ZrN这两种化合物的强共价键和低自扩散系数，造成了在制备上的困难。另外，将这种固溶体结构涂层制备在碳基复合材料的表面也成为了一个严峻的挑战。
[0005]CN106699233B公开了采用化学气相共沉积的方法制备了ZrB2‑
TaB2复合涂层，尽管该方法采制备了含有ZrB2‑
TaB2固溶体的共沉积复合涂层(Zr(Ta)B4)，但是所制备的固溶体涂层的在元素分布并不均匀。但是，CVD方法开辟了固溶体超高温陶瓷制备的新思路。
[0006]截止目前，国内外还没有(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层的相关报道。本专利技术所使用的CVD方法，与传统的CVD制备方式有一定的区别，主要体现在设备构造和前驱体类型。同时，其可以优先调控(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀涂层中金属原子比(不同的x值)，以达到具有不同特殊性能的结构涂层。

技术实现思路

[0007]要解决的技术问题
[0008]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层及制备方法，针对现有涂层体系单一性及存在抗烧蚀性能差的问题，该涂层具有优异的抗烧蚀性能。
[0009]本专利技术的设计思想是：
[0010]本专利技术是利用固溶体结构的独特优势以及超高温陶瓷的高熔点和耐烧蚀性能，通过简单易操作的方法获取了一种单相的氮化物固溶体结构陶瓷涂层。并且基于金属原子的配比对涂层性能的影响，设计了不同原子配比的固溶体结构涂层，使得涂层结构与性能相联系，并通过调制不同原子比获取不同优异性能的涂层。
[0011]技术方案
[0012]一种单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层，其特征在于所述(Hf
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)N中x的值根据HfCl4和ZrCl4两种粉料的比例进行调控确定，其中HfCl4和ZrCl4粉料的摩尔比例分别是HfCl4:ZrCl4＝1:1；1:3；3:1。
[0013]一种制备所述单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层的方法，其特征在于步骤如下：
[0014]步骤1：将HfCl4和ZrCl4粉料按照不同的摩尔比例进行混合，包括三种比例1:1；1:3；3:1，置于球磨机中混合，然后将混合的粉料装入沉积炉所带的送粉器内；
[0015]步骤2：将碳材料基体放入化学气相沉积炉内，设置升温程序，并通入N2；，N2流量为200
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600ml/min；
[0016]步骤3：待温度升至1200
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1400℃，通入H2，H2流量为200
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1000ml/min，并打开送粉器升温开关；
[0017]步骤4：调节送粉器转速为3
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9rad/min，并调节沉积炉内压力3
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15KPa，在设定的温度下沉积1
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10h；
[0018]步骤5：待沉积结束后关闭送粉器和H2，保持N2流量不变，设置降温程序，直至降至室温，获得带有(Hf
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)N单相固溶体结构涂层的碳基复合材料。
[0019]所述HfCl4和ZrCl4的混合粉料需放置在星式球磨机上，将粉料混合在氧化锆球磨罐中。
[0020]有益效果
[0021]本专利技术提出的一种单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层及制备方法，属于超高温抗烧蚀功能涂层
在实际应用角度上，本专利技术扩宽了氮化物超高温陶瓷在抗烧蚀防护领域的应用。本专利技术通过化学气相沉积方法在HfCl4和ZrCl4分别为Hf和Zr源，N2和H2分别为N源和反应气体下在C/C复合材料表面制备了单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层。使用本专利技术所制备的的涂层能够解决现有的抗烧蚀陶瓷涂层烧蚀时间短、易脱落和不易在异形复杂构件表面均为分布等问题，有效提高了传统陶瓷涂层在超高温烧蚀环境下的服役寿命。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]1、所制备单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀涂层的残余热应力小，并充分发挥出其独特结构的抗烧蚀潜力，实现在极端环境下对碳基复合材料的保护作用。
[0024]2、本专利技术超高温陶瓷涂层的制备方法工艺简单易操作，制备温度低，适合于在多种被防护材料基体中的应用。
[0025]3、所制备的固溶体(Hf
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单相(Hf
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层，其特征在于所述(Hf
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Zr1‑
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)N中x的值根据HfCl4和ZrCl4两种粉料的比例进行调控确定，其中HfCl4和ZrCl4粉料的摩尔比例分别是HfCl4:ZrCl4＝1:1；1:3；3:1。2.一种制备权利要求1所述单相(Hf
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Zr1‑
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)N固溶体超高温抗烧蚀陶瓷涂层的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将HfCl4和ZrCl4粉料按照不同的摩尔比例进行混合，包括三种比例1:1；1:3；3:1，置于球磨机中混合，然后将混合的粉料装入沉积炉所带的送粉器内；步骤2：将碳材料基体放入化学气相沉积炉内，设置升温程序，并通入N2；，N2流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨雷，张建，陈睿聪，朱肖飞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：