[发明专利]一种耐高温抗烧蚀改性ZrC-SiC陶瓷涂层及制备方法

说明书

一种耐高温抗烧蚀改性ZrC‑SiC陶瓷涂层及制备方法，所述改性ZrC‑SiC陶瓷涂层是对ZrC‑SiC陶瓷涂层进行高温渗氮处理得到，所述改性陶瓷涂层由为ZrCN、ZrC、SiC组成的复合陶瓷结构；采用本发明可以形成具有良好的热膨胀梯度结构的ZrC/SiC/C界面，提高涂层与基体的结合性能；随后通过快速改性，优化界面结构，得到多层复合陶瓷结构的ZrCN‑ZrC/SiC复合涂层，涂层在高温烧蚀过程中，不同组元多步氧化，挥发带走大量热，改善现阶段技术ZrC涂层烧蚀后形成的疏松多孔结构，提高涂层抗烧蚀性能。本发明具有制备周期短、工艺简单，可极大节约生产成本的优势。

技术领域

本发明公开了一种耐高温抗烧蚀改性ZrC-SiC陶瓷涂层及制备方法，具体涉及一种采用热蒸镀和表面原位反应技术制备耐高温抗烧蚀改性ZrC-SiC陶瓷涂层及制备方法，适用于炭/炭复合材料、炭/陶复合材料、石墨等材料的表面涂层与高温抗氧化烧蚀防护。属于陶瓷复合材料制备技术领域。

背景技术

C/C复合材料具有轻质高强、高热导率及低的热膨胀系数的特点，在高温条件下力学性能不降反升，是理想的航空航天关键热结构材料。但C/C复合材料在高温有氧环境下易氧化，力学性能极大下降。因此，提高其抗氧化和抗烧蚀性能是国内外研究的热点和难点。

抗氧化涂层是提高C/C复合材料高温抗氧化和抗烧蚀性能的有效方法。在各氧化涂层体系中，ZrC-SiC复合涂层因其优秀抗氧化、抗烧蚀性能而被广泛关注。ZrC陶瓷由于具有高熔点、高硬度、耐物理及化学腐蚀性能，是一种优秀的抗烧蚀材料。SiC也具有高熔点、高硬度的特点，特别是其热膨胀系数仅为5.3ppm/℃，在众多超高温陶瓷中最接近碳材料的热膨胀系数(1.0-3.8ppm/s)。美国航天局(NASA)的X-38验证机上大量使用的C/SiC材料或C/C-SiC材料，X-43系列飞行器的机头也使用了ZrB₂/ZrC/SiC多元复合材料。

但现阶段ZrC-SiC复合涂层在极端苛刻的超高温烧蚀环境中的应用也面临众多问题。首先，ZrC热膨胀系数为6.59ppm/℃，ZrO₂热膨胀系数为5.6ppm/℃，烧蚀过程ZrC和ZrO₂的热膨胀系数带来的热应力将导致氧化层开裂形成具有裂纹结构。其次，SiO₂熔点为1728℃，ZrO₂熔点高达2800℃，两种氧化物的熔点相差较大，当烧蚀温度处于2500℃时，易发生SiO₂快速液化并被高速气流冲刷剥蚀，而ZrO₂难以熔融形成致密抗氧化层，进而导致复合涂层内部进一步氧化及烧蚀面的退移。

国内外试图通过其他元素如Cr、Mo、Ti、B形成多组元来改进ZrC-SiC涂层的烧蚀性能。如中南大学曾毅等采用包埋结合融渗法制备Zr-Si-Ti-C-B多元一体化陶瓷涂层。西北工业大学李贺军采用包埋结合大气等离子喷涂的方法在预制SiC涂层的C/C基体上制备ZrC-La₂O₃复合涂层。付前刚等利用PIP、CVD和预氧化相结合的工艺制备SiC涂覆C/C-ZrC-SiC复合材料，并在此基础上引入碳纳米管，以改善材料的抗烧蚀及抗热震性能。

但多元体系材料势必会面临工艺复杂化、均匀性难控制，生产成本高等一系列问题，其应用具有极大局限。

发明目的

本发明的目的在于克服现有技术存在的多元体系材料制备工艺复杂、制备繁琐的难题，提出一种工艺简单、制备周期短的耐高温抗烧蚀改性ZrC-SiC陶瓷涂层及制备方法；采用本发明可以得到ZrC-SiC涂层，形成具有良好的热膨胀梯度结构的ZrC/SiC/C界面，提高涂层与基体的结合性能；随后通过快速改性，优化界面结构，得到多层复合陶瓷结构的ZrCN-ZrC/SiC复合涂层，涂层在高温烧蚀过程中，不同组元多步氧化，挥发带走大量热，改善现阶段技术ZrC涂层烧蚀后形成的疏松多孔结构，提高涂层抗烧蚀性能。