一种用于SiC制造技术

本发明专利技术公开了一种用于SiC

【技术实现步骤摘要】
一种用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能涂层
，具体涉及一种用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅连续纤维增强碳化硅复合材料(SiC
f
/SiC)具有高强度、高韧性、抗辐照、耐高温、抗氧化等特点，有望成为新型耐事故包壳材料，用以提升第三、四代核反应堆的整体系统安全型。目前，用于核包壳材料的SiC
f
/SiC由SiC纤维、热解炭(PyC)界面，化学气相渗透制备的SiC(CVI
‑
SiC)基体等组元构成。在沸水反应堆中，含有氧气的高温水蒸气直接接触核燃料棒包壳管，核包壳材料需要拥有高温抗水氧腐蚀能力。CVI
‑
SiC在该环境中会与氧气发生反应，生成玻璃相SiO2，随后SiO2会与水与水蒸气的混合物反应生成气态产物Si(OH)4。另外，在压水反应堆中，核包壳材料需要抵抗350℃高温含氧液态水的侵蚀，SiO2在该热液环境中还会转变为[SiO3]2‑
，最终水解为[H2SiO4]2‑
，上述气态产物逸出留下的孔隙以及CVI工艺制备的SiC
f
/SiC本身含有的孔隙，都将成为水氧向材料内部入侵的通道。由此可见，CVI
‑
SiC基体的抗水氧热液腐蚀能力亟待提升。
[0003]目前提升SiC
f
/SiC抗水热液氧腐蚀性能的一种方案是在复合材料表面制备SiC涂层，涂层的包覆有效地减少了水氧的扩散通道。但是CVD
‑
SiC涂层拥有与SiC基体相似的化学成分，随着腐蚀时间的增加，CVD
‑
SiC涂层中的SiC晶粒在晶界处与环境中的水氧发生反应。强烈的晶间腐蚀导致涂层分层脱落，最终失效。因此，需要一种新的涂层材料以进一步提升SiC
f
/SiC的长时抗水氧能力。以Ti3SiC2为代表的MAX相材料具有特殊的层状结构，赋予其高断裂韧性和高损伤容限。同时Ti3SiC2兼具优良的耐辐照、耐高温、抗氧化、抗腐蚀等性能，是一种理想的可用于核包壳SiC
f
/SiC的涂层材料候选。然而，Ti3SiC2的热膨胀系数(CTE，Ti3SiC2的CTE为9
×
10
‑6K
‑1)与CVI
‑
SiC基体的热膨胀系数(4.5
×
10
‑6K
‑1)存在较大差异。高温下制备的Ti3SiC2在降到室温过程中会与CVI
‑
SiC产生极高的热失配应力，导致Ti3SiC2涂层的结合强度降低，涂层分层剥落。目前已经发展的电泳沉积、浸涂等工艺制备的Ti3SiC2涂层均存在与SiC基体结合力弱的问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层及其制备方法，以解决现有SiC
f
/SiC的长时抗水氧能力差，现有Ti3SiC2涂层与SiC基体结合力弱的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0006]一种用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的结构从SiC基体表面向外侧依次为TiC层、Ti3SiC2层和Ti5Si3C
x
层，所述复合涂层的总厚度为5～40μm，所述TiC层厚度为0～15μm，所述Ti3SiC2层厚度为2～20μm，所述Ti5Si3C
x
层厚度为0～15μm。
[0007]进一步地，所述复合涂层的总厚度为10μm，所述TiC层厚度为1μm，所述Ti3SiC2层厚度为4μm，所述Ti5Si3C
x
层厚度为5μm。
[0008]上述用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)使用CVI工艺制备出碳、硅摩尔比为1.05～1.50的SiC基体，或使用CVD工艺在碳、硅摩尔比为0.8～1.2的SiC基体表面制备厚度20～120nm的热解碳，制得具有富碳表面的SiC
f
/SiC；
[0010]2)将步骤1)具有富碳表面的SiC
f
/SiC完全包埋进含有钛粉、硅粉以及反应助剂的混合粉末中；
[0011]3)将步骤2)SiC
f
/SiC及混合粉末在流动氩气的保护下进行热处理，生成具有TiC
‑
Ti3SiC2‑
Ti5Si3C
x
结构的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层；
[0012]4)使用70～90℃去离子水清洗步骤3)制备的复合涂层，制得组分纯净的含Ti
‑
Si
‑
C复合涂层的SiC
f
/SiC。
[0013]进一步地，步骤2)钛粉与硅粉的摩尔比为3：0.5～3：3。
[0014]进一步地，步骤2)反应助剂为卤代盐。
[0015]进一步地，卤代盐包括氟化钠、氟化钾、氯化钠、氯化钾、溴化钠或溴化钾。
[0016]进一步地，步骤2)反应助剂添加质量为钛粉和硅粉质量之和的4～8倍。
[0017]进一步地，步骤3)热处理具体具体方式是：在常压、10～100sccm流量的氩气保护下，先升温至500～600℃保温0.5～1.5h，进行脱水干燥，再升温至1100～1300℃，保温1～5h，之后随炉冷却。
[0018]本专利技术具有以下有益效果：
[0019]1)本专利技术可以分别通过控制SiC基体的碳、硅摩尔比、硅粉的添加量以及热处理温度与时间实现涂层总厚度及TiC、Ti3SiC2、Ti5Si3C
x
各层厚度的控制：其中，SiC基体的碳含量越高，TiC层厚度越大且涂层总厚度越大；硅粉含量越高，Ti3SiC2层厚度越大，涂层总厚度越小；保温时间越长，Ti5Si3C
x
层厚度越大且涂层总厚度越大。调控各层厚度和涂层总厚度，可以实现涂层性能的优化。
[0020]2)本专利技术设计的具有TiC
‑
Ti3SiC2‑
Ti5Si3C
x
结构的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层有效提升SiC
f
/SiC作为核包壳材料的抗水氧与热液腐蚀能力。同时，相较于前人利用电泳沉积、浸涂等工艺制备的Ti3SiC2涂层，该复合涂层与SiC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的结构从SiC基体表面向外侧依次为TiC层、Ti3SiC2层和Ti5Si3C
x
层，所述复合涂层的总厚度为5～40μm，所述TiC层厚度为0～15μm，所述Ti3SiC2层厚度为2～20μm，所述Ti5Si3C
x
层厚度为0～15μm。2.根据权利要求1所述的用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的总厚度为10μm，所述TiC层厚度为1μm，所述Ti3SiC2层厚度为4μm，所述Ti5Si3C
x
层厚度为5μm。3.权利要求1或2所述的用于SiC
f
/SiC表面的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以碳、硅摩尔比为1.05～1.50的SiC基体，或表面具有厚度20～120nm的热解碳的碳、硅摩尔比为0.8～1.2的SiC基体作为具有富碳表面的SiC
f
/SiC；2)将步骤1)所述具有富碳表面的SiC
f
/SiC完全包埋进含有钛粉、硅粉以及反应助剂的混合粉末中；3)将步骤2)所述SiC
f
/SiC及混合粉末在流动惰性气体的保护下进行热处理，生成具有TiC
‑
Ti3SiC2‑
Ti5Si3C
x
结构的Ti
‑
Si
‑
C复合涂层。4.根据权利要求3所述的用于SiC
...

【专利技术属性】
技术研发人员：成来飞，杨劲松，叶昉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：