一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用，所述热防护涂层包括依次设置在陶瓷基复合材料表面的封孔层、硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；所述封孔层中含有W、Si、Y和Hf；所述硅基抗氧化粘接层中含有金属组分，所述金属组分包括Zr元素和/或Y元素；所述隔热耐烧层为Yb2O3和CaO共掺杂的HfO2材料层；本发明专利技术把功能不同的封孔、抗氧化、隔热、耐烧蚀涂层结合起来，发挥各自优势，形成三层结构的复合涂层体系，提高陶瓷基复合材料的耐温效果。效果。效果。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及超高温热防护涂层制备
，尤其涉及一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前陶瓷基复合材料已经广泛应用于航空、航天飞行器的燃烧室、调节片、翼前缘等高温部件，长时间工作温度已经提高到2200℃甚至更高。由于无防护涂层的陶瓷基复合材料在高温及水氧环境中性能将严重退化，因此超高温热防护涂层对于陶瓷基复合材料的超高温应用十分必要。
[0003]CN111718208A公开了一种陶瓷基复合材料用耐高温涂层的制备方法，以正硅酸乙酯和N,N
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二甲基甲酰胺分别作为抗凝胶剂和分散剂，采用浸渍
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模压低温凝胶化
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高温裂解工艺在陶瓷基复合材料表面得到涂层。该涂层仅适用于平板或者规则结构的复合材料表面的热防护，无法应用于复杂结构的样件。该涂层主要成分为碳化硅，有效使用温度不超过2200℃。
[0004]CN109987971A公开了碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面中高温长时间抗氧化涂层，采用化学气相沉积工艺在碳化硅陶瓷基复合材料表面沉积碳化硅内层；以氧化硼、硼化锆、碳化硅、二氧化硅和氧化铝为涂层原料，硅溶胶为粘接剂，采用涂刷
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烧结工艺在碳化硅内层上制备ZrB2‑
SiC基中间层；再利用化学气相沉积工艺在中间层表面制备SiC外层，最终得到SiC/ZrB2‑
SiC/SiC复合抗氧化涂层。该涂层主要应用于复合材料的抗氧化，主要成分为碳化硅，有效使用温度不超过2200℃。
[0005]CN114773075A公开了具有La/Y掺杂ZrC
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SiC涂层的超高温陶瓷基复合材料，采用梯度包埋法，将不同成分的包埋粉进行梯度设置，利用硅锆合金熔体与碳基体的反应及硅锆合金熔体与氧化镧/氧化钇(La2O3/Y2O3)和碳粉混合物之间的反应，一步反应制备了具有La/Y掺杂ZrC
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SiC涂层的C/ZrC
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SiC超高温陶瓷基复合材料，得到的材料基体具有多种超高温陶瓷组分，同时材料表面原位反应生成耐烧蚀涂层。该涂层主要成分为碳化硅，有效使用温度不超过2500℃，涂层较薄，不耐高温冲刷。
[0006]综上，目前陶瓷基复合材料表面有BSAS(BaO
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SrO
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Al2O3‑
SiO2)涂层、稀土硅酸盐涂层等，工作温度不高于2500℃，且工作寿命很短。

技术实现思路

[0007]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用，把功能不同的封孔、抗氧化、隔热耐烧层结合起来，发挥各自优势，形成三层结构的复合涂层体系，本专利技术的超高温热防护涂层可应用于陶瓷基复合材料超高温部件的热防护。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种陶瓷基复合材料的热防护涂层，所述热防护涂层包括
依次设置在陶瓷基复合材料表面的封孔层、硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；
[0010]所述封孔层中含有W、Si、Y和Hf；
[0011]所述硅基抗氧化粘接层中含有金属组分，所述金属组分包括Zr元素和/或Y元素；
[0012]所述隔热耐烧层为Yb2O3和CaO共掺杂的HfO2材料层。
[0013]本专利技术提供的热防护涂层首先包括封孔层，这是由于陶瓷基复合材料中一般含有多孔结构，经高温热处理后W
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Si
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Y
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Hf封孔层，可大幅减少陶瓷基复合材料表面的开孔率，解决陶瓷基复合材料普遍存在的封闭腔体结构贯穿孔缺陷的问题；而进一步采用包括Zr元素和/或Y元素的硅基抗氧化粘接层能够改善陶瓷基体与后续隔热耐烧成之间的界面匹配性，提高了涂层与基体的结合强度，同时具备高温下阻止氧原子的扩散和侵入、防止基体元素逸出的功能；稀土氧化钇(Yb2O3)和氧化钙(CaO)共掺杂氧化铪(HfO2)隔热耐烧层降低了陶瓷基复合材料表面温度，通过选择Yb2O3和CaO共掺杂的HfO2材料层，能够防止HfO2在高温下发生相变导致体积发生变化，而且能够防止喷涂过程中粉化喷涂效果不佳的情况，隔热耐烧层能够防止陶瓷基复合材料高温条件下性能退化，减少了涂层在高速气流中的烧蚀损失，且可阻止氧元素向涂层体系内部扩散渗透。
[0014]优选地，所述封孔层中W:Si:Y:Hf的质量比为1:1.5～2.5:0.9～1.1:0.9～1.1，例如可以是1:1.5:0.9:0.9、1:2.5:0.9:0.9、1:1.8:0.9:0.9、1:1.5:1.1:0.9、1:1.5:0.9:1.0、1:1.5:0.9:1.1、1:1.8:1.0:0.9、1:1.7:0.9:0.9或1:1.5:1.1:0.9等。
[0015]本专利技术进一步优选封孔层中W:Si:Y:Hf的质量比在上述范围内，一方面更有利于将封孔层的材料通入陶瓷基体材料的孔隙中；另一方面，其与硅基抗氧化粘接层更具相容性。
[0016]优选地，所述硅基抗氧化粘接层中金属组分的质量分数为40～55％，例如可以是40％、42％、43％、45％、47％、48％、50％、51％、52％或55％等。
[0017]优选地，所述硅基抗氧化粘接层中锆与钇的摩尔比为0.8～0.9:1，例如可以是0.8:1、0.82:1、0.83:1、0.84:1、0.85:1、0.86:1、0.87:1、0.88:1或0.9:1等。
[0018]本专利技术进一步优选硅基抗氧化粘接层中锆与钇的摩尔比为0.8～0.9:1，将二者的配比严格控制，能够更好地与封孔层和隔热耐烧层相容，提高涂层的耐热性能。
[0019]优选地，所述隔热耐烧层中Yb2O3的摩尔分数为8～10％，例如可以是8％、8.3％、8.5％、8.7％、8.9％、9.2％、9.4％、9.6％、9.8％或10％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]优选地，所述隔热耐烧层中CaO的摩尔分数为3～5％，例如可以是3％、3.3％、3.5％、3.7％、3.9％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％或5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]优选地，所述隔热耐烧层中Yb2O3和CaO的摩尔比为1.9～2.5:1，例如可以是1.9:1、2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.4:1或2.5:1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0022]本专利技术进一步优选隔热耐烧层中Yb2O3和CaO的摩尔分数在上述范围并优选二者的摩尔比为1.9～2.5:1，具有更佳的耐热隔热效果。以HfO2为主要隔热耐烧物质，但HfO2在高温下容易出现晶相转变，而这种晶相的转变易导致体积的变化，从而引起隔热耐烧层的开裂等情况，而Yb2O3和CaO复配作为稳定剂，优选摩尔比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料的热防护涂层，其特征在于，所述热防护涂层包括依次设置在陶瓷基复合材料表面的封孔层、硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；所述封孔层中含有W、Si、Y和Hf；所述硅基抗氧化粘接层中含有金属组分，所述金属组分包括Zr元素和/或Y元素；所述隔热耐烧层为Yb2O3和CaO共掺杂的HfO2材料层。2.根据权利要求1所述的热防护涂层，其特征在于，所述封孔层中W:Si:Y:Hf的质量比为1:1.5～2.5:0.9～1.1:0.9～1.1。3.根据权利要求1所述的热防护涂层，其特征在于，所述硅基抗氧化粘接层中金属组分的质量分数为40～55％。4.根据权利要求1～3任一项所述的热防护涂层，其特征在于，所述隔热耐烧层中Yb2O3的摩尔分数为8～10％；优选地，所述隔热耐烧层中CaO的摩尔分数为3～5％；优选地，所述隔热耐烧层中HfO2的摩尔分数为85～89％。5.根据权利要求1～4任一项所述的热防护涂层，其特征在于，所述陶瓷基复合材料的组成包括碳纤维增强陶瓷材料；优选地，所述陶瓷材料包括碳化硅、碳化锆、碳化铪、碳化钽、硼化钽、硼化锆或硼化铪中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1～5任一项所述的热防护涂层，其特征在于，所述封孔层的厚度为0.1～0.2mm；优选地，所述硅基抗氧化粘接层的厚度为0.1～0.2mm；优选地，所述隔热耐烧层的厚度为0.2～0.5mm。7.一种根据权利要求1～6任一项所述的陶瓷基复合材料的热防护涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在陶瓷基复合材料的表面第一喷涂封孔层并经热处理；(2)在所述封孔层的表面第二喷涂硅基抗氧化粘接层；(3)在所述硅基抗氧化粘接层的表面第三喷涂隔热耐烧层。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟刚，张会丰，兰昊，于守泉，黄传兵，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：