[发明专利]一种含铬的氧化物-碳化物复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种含铬的氧化物‑碳化物复合涂层及其制备方法，属于超高温耐烧蚀氧化物‑碳化物复合涂层设计和制备技术领域。所述含铬的氧化物‑碳化物复合涂层中含有碳化硅、碳化锆、铬‑氧化铝固溶体、铝的碳化物。其制备方法为：首先按照摩尔比，Zr：Si：Al：Cr：C＝(3‑4)：(1‑3)：4：1：(7‑10)，分别配取零价Zr、Si、Al、Cr、C；然后将配取的Zr、Si、Al、Cr、C混合均匀并制成浆料；将所述浆料涂覆于基底上并烘干后，在1500‑1600℃高温烧结的同时采用低压等离子喷涂的方法，得到含铬的氧化物‑碳化物复合涂层。本发明涂层组份设计合理，制备工艺简单可控；便于大规模的工业化应用。

技术领域

本发明涉及一种含铬的氧化物-碳化物复合涂层及其制备方法，属于超高温耐烧蚀氧化物-碳化物复合涂层设计和制备技术领域。

背景技术

碳/碳复合材料具有优异的超高温力学性能、高比模量、高比强度等优势，因而成为目前最理想的超高温部件材料。但是高温下易氧化是碳/碳复合材料应用于航天航空高温热结构部件的瓶颈。尽管运用内部改性方法引进陶瓷相制备的C/C-ZrC-SiC复合材料能有所提高抗烧蚀性能。但是在2000℃及以上的含氧烧蚀环境中，材料表面形成的SiO₂在高速气流的冲刷下易流失，造成表面SiO₂消耗殆尽。仅剩的ZrO₂层呈现疏松多孔的结构，无法形成有效的氧扩散阻挡层，因此制备连续致密的耐烧蚀涂层成为关键所在。

随着高温热防护涂层研究的深入，多层多相复合涂层正在逐渐发展成为重要方向之一。氧扩散率低的A1₂O₃是极具潜力的涂层材料，能作为环境热障涂层抵挡高温水蒸气等苛刻环境，并且和SiC陶瓷化学相容性好，在接触区发生互扩散行为。所形成的A1₂O₃和SiC复合陶瓷展示出优越的力学性能，能有效抑制陶瓷相在高温烧结过程中的结晶长大，同时又可以提高涂层的热稳定性能，扩大服役温度范围。

到目前为止，人们尝试了ZrC-SiC复合涂层以及添加少量A1₂O₃相的ZrC-SiC复合涂层；但这些涂层要么存在基底与涂层热膨胀系数难以匹配或本身的设计缺陷，导致其耐烧蚀温度过低或高温烧蚀损耗过快等不足。

发明内容

研究发现ZrC的氧化产物ZrO₂能在高于2000℃下长时间稳定存在，有效对抗高速气流冲刷和机械剥蚀，是极佳的耐烧蚀材料。发明人在此基础上进一步发现：可选择Cr掺杂来提高涂层高温下热稳定性能，掺杂Cr后的氧化物-碳化物复合涂层(A1_xCr_2-xO₃-ZrC-SiC-Zr₂Al₄C₅)在氧化烧蚀过程中形成的暂态Cr₂O₃可作为稳态氧化铝的形核质点，能加速暂态氧化铝向稳态转变，因此能有效减少A1₂O₃相在高温下的挥发。同时，发明人还发现此含铬的氧化物-碳化物复合涂层的氧化产物之间能相互溶解和共存，达到协同抗氧化效果。其中高熔点ZrO₂骨架能有效对抗高速气流冲刷和机械剥蚀的同时，Al_1.92Cr_0.08O₃和SiO₂具有的流动性又能快速封填烧蚀过程中形成的孔洞和缺陷，大幅度降低了氧气向材料内部扩散速率。特别是掺杂Cr后能进一步提高涂层整体的热稳定性和抗烧蚀性能。