核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法技术

本发明专利技术涉及一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法，具体为核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，目的是开发一种具有超高熔点和良好韧性的超高温陶瓷纳米线，制备成分可控的(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，通过调控纳米线与超高温陶瓷涂层间的界面来提高涂层的抗烧蚀性能，以实现陶瓷涂层在极端环境下对基体材料的有效防护。(Hf,Ta)C固溶体超高的熔点是陶瓷涂层及增韧相的绝佳选择。此外，本发明专利技术有效避免了因多次升/降温导致的涂层内部热应力增大的问题以及多次装/卸前驱体和基体对纳米线、PyC层及涂层结构的破坏。本发明专利技术制备工艺简单、操作方便、同时适用于简单形状和复杂形状的多种基体。体。体。

【技术实现步骤摘要】
core
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shell structure nanowires on the microstructure and mechanical properties of Hf1‑
x
Zr
x
C coating.Ceramics International.47(2021)7853
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7863.”采用三步CVD技术在C/C复合材料上合成了HfCnw/PyC核壳结构增韧Hf1‑
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Zr
x
C涂层，HfCnw/PyC的掺入抑制了涂层在制备过程中的开裂，使涂层结构由柱状晶变为等距晶状，HfCnw/PyC与涂层基体的结合强度、PyC层的层片状结构和HfCnw/PyC的拔出、脱粘、桥接和裂纹偏转机理更加明显。
[0006]然而，相比于现有的HfC纳米线，(Hf,Ta)C纳米线兼具HfC和TaC的优良性能，具有更低的热膨胀系数和更优异的塑性性能；此外，在纳米线与陶瓷涂层间引入PyC层有助于减少涂层中热应力集中，(Hf,Ta)C超高温陶瓷也具有更优异的抗烧蚀性能；传统的化学气相沉积制备的超高温陶瓷纳米线增韧涂层是分步进行，会伴随着升降温导致纳米线出现结构变化以及涂层内产生残余热应力。对于纳米线增韧涂层，随着沉积次数的增加，多次升/降温会导致涂层内部的热应力也随之增大，同时多次装/卸前驱体和基体容易破坏纳米线、PyC层及涂层的结构，这对于涂层在烧蚀环境下的服役是不利的。因此，采用一步法制备核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层能够避免涂层制备过程中由于应力的集中而造成的易开裂和脱落问题，有效提高涂层的抗烧蚀性能。

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核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法，提出一种核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层及一步制备法，采用一步CVD技术在碳/碳复合材料表面制备了均匀致密的核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超过高温陶瓷涂层，其中(Hf,Ta)C相比HfC具有更低的热膨胀系数和塑性性能。专利技术目的是采用一步法制备(Hf,Ta)C纳米线增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，并在纳米线与涂层界面处引入PyC以提高纳米线和涂层的结合强度，一步法可有效避免因多次升降温引起的热应力集中，有助于提高涂层的抗烧蚀性能。
[0009]技术方案
[0010]一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层，其特征在于：成分为可控的(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，采用HfCl4和TaCl5粉料共沉积形成(Hf,Ta)C超高温陶瓷纳米线为固溶体结构，在(Hf,Ta)C超高温陶瓷固溶体纳米线表面有PyC层，在PyC层上有(Hf,Ta)C固溶体涂层。
[0011]所述HfCl4和TaCl5粉料的重量比为4﹕1～1﹕4。
[0012]所述PyC层厚度为50
‑
150nm。
[0013]一种所述核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层的一步制备方法，其特征在于步骤如下：
[0014]步骤1：将HfCl4和TaCl5前驱体粉料混合均匀后装入已烘干的送粉器中，然后将送粉器与化学气相沉积炉进气口相连；
[0015]所述HfCl4和TaCl5粉料的重量比为4﹕1～1﹕4；
[0016]步骤2：将预处理的C/C复合材料用钼丝悬挂于沉积模具中并置于化学气相沉积炉高温沉积区；
[0017]步骤3：将沉积炉抽真空至2
‑
6KPa，通入流量为30
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50ml/min的H2并以4
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8℃/min的升温速率将沉积炉升温；
[0018]步骤4：将沉积炉升温至1050
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1150℃，通入流量分别为600
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1000ml/min和80
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100ml/min的H2和CH4，同时打开装有HfCl4和TaCl5前驱体混合粉料的送粉器，将转速设置为200
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800r/min，保温1
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2h获得(Hf,Ta)Cnws；
[0019]步骤5：关闭送粉器，然后将H2和CH4的流量分别调至300
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500ml/min和150
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250ml/min，沉积炉在1050
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1150℃保温1
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3h获得核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC；
[0020]步骤6：将H2和CH4的流量分别调至600
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800ml/min和100
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300ml/min，同时通入流量为200
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400ml/min的N2，然后将沉积炉升温至1200
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1300℃，打开送粉器将转速设置为200
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1200r/min，保温4
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12h；
[0021]步骤7：关闭加热程序，停止通入H2和CH4，将N2流量调至100ml/min等待沉积炉自然降至室温，获得核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层。
[0022]所述C/C复合材料预处理：将烘干后的C/C复合材料浸入Ni(NO3)2/乙醇溶液中浸泡6
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10h后烘干。
[0023]所述Ni(NO3)2/乙醇溶液的浓度为0.5
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1.5mol/L。
[0024]所述C/C复合材料由碳布、碳毡、石墨及超高温陶瓷取代。
[0025]所述CH4由C3H6取代。
[0026]所述N2由Ar取代。
[0027]有益效果
[0028]本专利技术提出的一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法，具体为核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，目的是开发一种具有超高熔点和良好韧性的超高温陶瓷纳米线，制备成分可控的(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，通过调控纳米线与超高温陶瓷涂层间的界面来提高涂层的抗烧蚀性能，以实现陶瓷涂层在极端环境下对基体材料的有效防护。(Hf,Ta)C固溶体超高的熔点是陶瓷涂层及增韧相的绝佳选择。此外，本专利技术有效避免了因多次升/降温导致的涂层内部热应力增大的问题以及多次装/卸前驱体和基体对纳米线、PyC层及涂层结构的破坏。本专利技术制备工艺简单、操作方便、同时适用于简单形状和复杂形状的多种基体。
[0029]有益效果具体为：
[0030]1)本专利技术采用HfCl4和TaCl5粉料共沉积，制备的(Hf,Ta)C超高温陶瓷纳米线为固溶体结构，比HfC纳米线具有更高的熔点和更优异的塑性性能，且本专利技术制备的纳米线产量及形貌可控，可实现在极端环境下对超高温陶瓷的可控增韧；
[0031]2)本专利技术采用一步法在(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层，其特征在于：成分为可控的(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，采用HfCl4和TaCl5粉料共沉积形成(Hf,Ta)C超高温陶瓷纳米线为固溶体结构，在(Hf,Ta)C超高温陶瓷固溶体纳米线表面有PyC层，在PyC层上有(Hf,Ta)C固溶体涂层。2.根据权利要求1所述的核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层，其特征在于：所述HfCl4和TaCl5粉料的重量比为4﹕1～1﹕4。3.根据权利要求1所述的核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层，其特征在于：所述PyC层厚度为50
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150nm。4.一种权利要求1～3任一项所述核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层的一步制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将HfCl4和TaCl5前驱体粉料混合均匀后装入已烘干的送粉器中，然后将送粉器与化学气相沉积炉进气口相连；所述HfCl4和TaCl5粉料的重量比为4﹕1～1﹕4；步骤2：将预处理的C/C复合材料用钼丝悬挂于沉积模具中并置于化学气相沉积炉高温沉积区；步骤3：将沉积炉抽真空至2
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6KPa，通入流量为30
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50ml/min的H2并以4
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8℃/min的升温速率将沉积炉升温；步骤4：将沉积炉升温至1050
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1150℃，通入流量分别为600
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1000ml/min和80
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100ml/min的H2和CH4，同时打开装有HfCl4和TaCl5前驱体混合粉料的送粉器，将转速设置为200
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800r/min，保温1<...

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