一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层、其制备方法和包含该涂层的复合材料技术

本发明专利技术涉及一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层、其制备方法和包含该涂层的复合材料。高精度抗高温烧蚀涂层包括在基体材料上形成的硅基过渡层和在过渡层上形成的包含碳化铪和碳化钽的超高温陶瓷面层。所述方法包括：采用硅基陶瓷前驱体通过浸渍

【技术实现步骤摘要】
一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层、其制备方法和包含该涂层的复合材料


[0001]本专利技术属于热防护涂层制备
，尤其涉及一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层、其制备方法和包含该涂层的复合材料。

技术介绍

[0002]飞行器头部、机翼、发动机等部件材料及制备技术是高速飞行器的关键核心技术。飞行器在高速运动时，上述部件表面的温度可以达到上千甚至数千摄氏度。在如此高温下，单独依靠基体材料(如碳/碳、碳/陶瓷基复合材料等)本身耐温性能是难以满足使用需求的。因此，需要在基体材料表面制备抗高温烧蚀涂层。
[0003]高速飞行器头部、发动机等部件不仅对耐高温性能有着较高的要求，而且对尺寸精度也有较高的要求。但是，现有用于复合材料的抗烧蚀涂层普遍存在孔隙率高、抗高温烧蚀能力较差、尺寸精度低从而难以实现净尺寸成型等问题，因此无法满足复合材料在高温环境下长时间使用的要求。
[0004]超高温陶瓷(Ultra
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High Temperature Ceramics，UHTCs)是一类高熔点的过渡族金属的二元氮化物、硼化物及碳化物等，一般在超过2000℃以上有氧气氛等苛刻环境中仍然具有良好的稳定性，其组分主要为如碳化锆(ZrC)、硼化锆(ZrB2)、碳化铪(HfC)、碳化钽(TaC)等，可以用于形成抗高温烧蚀涂层。
[0005]其中，HfC和TaC的熔点高、硬度大，具有优异的高精度抗高温烧蚀及化学稳定性，HfC和TaC还可以形成连续的单相立方结构(NaCl结构)的Ta
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Hf
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C固溶体，目前已成为航空航天领域新型高温结构的候选材料。Hf和Ta的半径差异小，理论上可以以无限比例互溶，形成稳定的Ta
x
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Hf1‑
x
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C稳定陶瓷。但是，受限于Hf
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C和Ta
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C极强的键能和极低的热扩散性，很难在较低的热解温度下获得高致密度的陶瓷材料。而且，尽管提高热解温度常常可以提高致密度，但是如果温度过高，会导致晶粒生长过快，在晶粒之间形成较大的空隙，同样会导致无法获得高致密度。
[0006]目前，制备抗高温烧蚀涂层的主要方法有：包埋渗、等离子喷涂等、化学气相沉积和聚合物浸渍
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裂解法等。其中，包埋渗和等离子喷涂方法难以控制涂层的厚度，无法实现净尺寸成型，无法制得高精度抗高温烧蚀涂层。化学气相沉积对设备的要求很高，工艺窗口窄，成本昂贵。聚合物浸渍
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裂解法以聚合物陶瓷前驱体溶液为原料，首先将基体材料浸入前驱体溶液中，再通过低温固化和裂解形成陶瓷涂层。聚合物浸渍
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裂解法尽管具有周期短、工艺窗口宽，易操作等特点，但是目前的聚合物浸渍
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裂解法无法形成厚度可控且涂层表面精度足够高的涂层。涂层的厚度常常要么太大，例如大于100微米，涂层因为内部热应力的原因导致力学性能不足，要么过小，例如小于10微米，导致无法提供足够的抗高温能力和耐烧蚀能力。另外，涂层表面精度不足，导致尺寸偏差较大。鉴于以上原因，目前没有使用聚合物浸渍
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裂解法来制备包含碳化铪和碳化钽的抗高温烧蚀涂层。
[0007]因此，如何在较低的烧结温度下以规模化生产实现较高的致密度是目前面临的重
大挑战；同时，在兼顾规模化生产实现高致密度的基础上，如何制备高表面精度并兼顾高的抗高温性能和耐烧蚀性能成为本领域面临的更大的挑战。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种在相对较低的热解温度下在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层及其制备方法。本专利技术中的高精度抗高温烧蚀涂层具有表面粗糙度低、孔隙率低和高精度抗高温烧蚀能力优异的优点；本专利技术制备方法具有周期短、工艺窗口宽、净尺寸成型等优点，可以在复合材料的表面一体化制备致密的高精度抗高温烧蚀涂层。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层，所述涂层包括：
[0010](1)硅基过渡层，所述硅基过渡层包含碳化硅和硅硼碳氮；
[0011](2)超高温陶瓷面层，所述超高温陶瓷面层在所述硅基过渡层的远离基体材料的一侧上形成并且包含碳化铪和碳化钽。
[0012]本专利技术在第二方面提供了根据本专利技术第一方面所述的高精度抗高温烧蚀涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0013](1)采用包含聚碳硅烷和聚硼硅氮烷的第一陶瓷前驱体对基体材料依次进行第一陶瓷前驱体浸渍、第一低温固化和第一裂解，获得包含硅基过渡层的基体材料；
[0014](2)采用包含碳化铪陶瓷前驱体和碳化钽陶瓷前驱体的第二陶瓷前驱体对包含硅基过渡层的基体材料依次进行第二陶瓷前驱体浸渍、第二低温固化和第二裂解，获得包含硅基过渡层和超高温陶瓷面层的复合材料。
[0015]本专利技术在第三方面提供了包括本专利技术第一方面所述的高精度抗高温烧蚀涂层或本专利技术第二方面所述方法制得的高精度抗高温烧蚀涂层的复合材料。
[0016]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0017](1)本专利技术中的所述高精度抗高温烧蚀涂层包括依次在基体材料上形成的SiC
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SiBCN过渡层和HfC
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TaC超高温陶瓷面层，过渡层主要用于缓解超高温陶瓷层与所述基体材料(例如复合材料)之间热膨胀系数相差较大的问题；同时，在过渡层中添加了适量的B元素(引入SiBCN组分)，B与Si元素在高温下形成B2O3和SiO2，具有一定的流动性，可以在900～1700℃范围内实现宽温域自愈合功能，从而使得本专利技术所述的高精度抗高温烧蚀涂层能满足基体材料(例如复合材料)在高温环境下长时间使用的要求。
[0018](2)本专利技术中的高精度抗高温烧蚀涂层具有孔隙率低、表面粗糙度低和高精度抗高温烧蚀能力优异的优点；本专利技术的一些优选实施方案中，涂层厚度适宜，不但特别有利于降低涂层工作时产生的热应力的作用，避免涂层失效，同时还能特别适合于实现净尺寸成型，即涂层几乎不影响产品的尺寸精度，涂层制备完成后无需再进行打磨或加工。
[0019](3)本专利技术首次通过聚合物浸渍
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裂解方法一体化制备了所述高精度抗高温烧蚀涂层，工艺窗口很宽，容错率高(工艺窗口宽主要体现在固化、裂解过程，一是固化和裂解温度的范围宽，二是如果其中某一次固化或裂解温度没有达到要求，可以重复本次流程或者在下一轮次裂解中补救，过程中不会导致产品报废，因而容错率高)。此外，采用多轮次工艺，在第一次裂解形成涂层后，再进行前驱体浸渍，此时前驱体可以浸入前面形成的涂层空
隙内，填补缺陷，可以有效减少涂层内部缺陷的产生，提升涂层的致密度。
附图说明
[0020]本专利技术附图仅仅为说明目的提供，图中各层的比例与尺寸不一定与实际产品一致。
[0021]图1是本专利技术一个具体实施方式中在陶瓷基复合材料的表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在基体材料上形成的高精度抗高温烧蚀涂层，其特征在于，所述涂层包括：(1)硅基过渡层，所述硅基过渡层包含碳化硅和硅硼碳氮；(2)超高温陶瓷面层，所述超高温陶瓷面层在所述硅基过渡层的远离基体材料的一侧上形成并且包含碳化铪和碳化钽。2.根据权利要求1所述的高精度抗高温烧蚀涂层，其特征在于：在所述硅基过渡层中，所述碳化硅与所述硅硼碳氮的摩尔比为(0.3～3):1，优选为1:1；和/或在所述超高温陶瓷面层中，所述碳化铪与所述碳化钽的摩尔比为(0.2～5):1，优选为4:1。3.根据权利要求1所述的高精度抗高温烧蚀涂层，其特征在于：所述超高温陶瓷面层的表面粗糙度Ra＜3μm；和/或所述超高温陶瓷面层的孔隙率＜6％。4.根据权利要求1至3中任一项所述的高精度抗高温烧蚀涂层，其特征在于：所述硅基过渡层的厚度为5～15μm；和/或所述超高温陶瓷面层的厚度为15～25μm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的高精度抗高温烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)采用包含聚碳硅烷和聚硼硅氮烷的第一陶瓷前驱体对基体材料依次进行第一陶瓷前驱体浸渍、第一低温固化和第一裂解，获得包含硅基过渡层的基体材料；(2)采用包含碳化铪陶瓷前驱体和碳化钽陶瓷前驱体的第二陶瓷前驱体对包含硅基过渡层的基体材料依次进行第二陶瓷前驱体浸渍、第二低温固化和第二裂解，获得包含硅基过渡层和超高温陶瓷面层的复合材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述第一陶瓷前驱体的粘度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝鹏，冯士杰，刘伟，孙同臣，裴雨辰，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：