[发明专利]一种在基体材料上形成的高温自愈合复相涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种在基体材料上形成的高温自愈合复相涂层及其制备方法和应用。高温自愈合复相涂层包括依次在基体材料上形成的SiC过渡层和由ZrB₂、LaB₆和TaSi₂混合而成的ZrB₂‑LaB₆‑TaSi₂复相面层；ZrB₂‑LaB₆‑TaSi₂复相面层由以摩尔百分比计为60～80％的ZrB₂、10～20％的LaB₆和10～20％的TaSi₂混合而成。所述方法包括：用化学气相沉积法制备SiC过渡层；用真空等离子喷涂法制备ZrB₂‑LaB₆‑TaSi₂复相面层。本发明中的高温自愈合复相涂层具有高温协同自愈合性能可以阻止氧化性气氛向材料内部迁移，延长涂层高温下抗烧蚀的时间，对热结构材料起到有效防护作用。

技术领域

本发明属于高温热结构防护涂层及制备技术领域，尤其涉及一种在基体材料上形成的高温自愈合复相涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着航空航天事业的发展，作为核心技术之一的高超声速飞行技术越来越受到世界各国的重视。飞行器在大气层高速运动时，其部分结构件，如鼻锥、机翼前缘等的迎风面会承受剧烈的气动加热，使用温度可以达到上千甚至数千摄氏度。在高温、气流冲刷等苛刻的条件下，单靠C_f/SiC、C_f/C-SiC等热结构复合材料本身难以满足使用性能需求，而在复合材料表面制备抗烧蚀涂层被认为是最有效的途径之一。

超高温陶瓷(Ultra-High Temperature Ceramics，UHTCs)主要为过渡族金属的二元氮化物、硼化物及碳化物等，如二硼化锆(ZrB₂)、碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)等，其熔点通常在2500℃以上，在高温及苛刻气氛环境下具有优良的稳定性。研究表明，在陶瓷基复合材料表面制备超高温陶瓷涂层可以有效提高其高温抗氧化、耐烧蚀能力；其中，ZrB₂具有高硬度、高模量、低成本等优点，是近年来航空航天领域高温抗烧蚀涂层材料的研究热点之一。

现有的ZrB₂涂层，由于ZrB₂涂层与复合材料基体的热膨胀系数相差较大，通常在超高温陶瓷涂层与基体之间制备碳化硅过渡层(SiC过渡层)，缓解涂层高温工作时产生的热应力；涂层中的Si组元氧化后产生SiO₂玻璃相，填入空隙和裂纹中，在1000～1500℃可以实现自愈合功能；然而，当温度超过1500℃后，气态二氧化硅(SiO₂)迅速挥发，无法起到自愈合作用，因而现有用于复合材料的高温抗氧化ZrB₂涂层普遍存在高温抗烧蚀性能较差的问题，无法满足复合材料在高温环境下长时间抗烧蚀的要求。因此，随着飞行器部件使用温度的不断提升，需要在涂层中引入高温自愈合组元对热结构部件进行防护，而目前尚未见有合适的高温自愈合组元被引入防护涂层中用来提高防护涂层的高温抗烧蚀性能的相关报道。

目前，制备高温抗氧化耐烧蚀涂层的主要方法有：包埋法、浆料烧结法、化学气相沉积、溶胶凝胶法、等离子喷涂等；其中，大气等离子喷涂使用氩气(Ar)、氦气(He)、氢气(H₂)等作为等离子气体，经电离后产生高温、高速的等离子射流，射流将材料熔化或熔融后喷射到工件表面后形成涂层。然而，大气等离子喷涂的射流温度相对较低，难以熔化超高温陶瓷粉末，因而不能制备出组织均匀、孔隙率低、性能良好的高温抗烧蚀涂层。与大气等离子喷涂相比，真空等离子喷涂具有射流温度更高、流速更快；喷涂粉末不发生高温氧化；涂层厚度及结构可控、结合强度高；设备操作简捷等特点，在制备超高温陶瓷面层方面具有一定优势。

发明内容