[发明专利]硼化锆-碳化锆-碳化硅复合涂层的制备方法

说明书

本发明为一种硼化锆‑碳化锆‑碳化硅复合涂层的制备方法。该方法包括如下步骤：第一步，配制锆/碳化硼/碳化硅复合粉或氧化锆/碳化硼/铝/碳化硅复合粉：第二步，对所需涂层的基体材料表面进行预处理，第三步，采用热喷涂的方法，将上述第一步中制备出的复合粉喷涂在基体材料表面，从而通过原位反应合成得到硼化锆‑碳化锆‑碳化硅复合涂层。本发明克服了直接喷涂法的原料成本高、工艺成本高、沉积效率低、涂层性能差，以及不适合在大规模工业生产中应用的缺陷。同时，还克服了现有技术制备的硼化锆‑碳化锆复合涂层高温抗氧化性和抗烧蚀性差的缺点。

技术领域

本发明的技术方案涉及用硼化物、碳化物和碳化硅对材料的镀覆，具体地说是硼化锆-碳化锆-碳化硅复合涂层的制备方法。

背景技术

随着宇航、航空、原子能和冶炼新技术等现代技术的发展，对高温高性能结构材料提出了越来越苛刻的要求，要求材料具有良好的抗高温性能以适应苛刻的作业环境，如抗热冲击、高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性。硼化锆(ZrB₂)具有高熔点(3245℃)、高硬度(22GPa)、导电导热性好、良好的阻燃性、耐热性、好的化学稳定性、耐腐蚀性以及良好的中子控制能力的特点，因而在航空航天的超高温结构部件、耐火材料、冶炼金属的电极材料、核控制材料、硬质工具材料、磨料以及耐磨部件领域有着十分广阔的应用前景。但是，硼化锆块体材料的制备工艺复杂，由于熔点较高，不仅烧结温度较高、周期较长，且存在难以获得致密的大尺寸部件的难题；同时其强度和韧性相对较低、抗热震性和高温抗氧化性不足，限制了它在苛刻作业环境下的应用。

解决上述问题的方法之一是利用先进的表面涂层技术可将硼化锆沉积于基体材料，如：钢、铸铁、铝合金、钛合金、镍基高温合金和金属间化合物等金属材料的表面，以及石墨、碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料和碳化硅/碳化硅等无机非金属材料的表面，即制备沉积于基体材料表面的硼化锆涂层材料，不仅可以提高基体材料的抗磨损、抗腐蚀和抗烧蚀性能，还可保持部件的力学性能和整体的轻重量。

另一方面，为了提高硼化锆的高温抗氧化性，研究者们将碳化硅添加到硼化锆中。硼化锆中添加碳化硅在高温下能改变硼化锆的氧化动力学特性，阻碍其氧化产物氧化硼的高温挥发，使氧化硼的起始挥发温度明显提高。此外，碳化硅在高温氧化条件下生成的氧化硅具有一定的流动性，可以有效封填涂层氧化后产生的孔隙，同时其具有很低的氧渗透率，可以减少高温下氧气的渗透，从而保护基体。在硼化锆中加入一定量碳化硅可在维持硼化锆高温稳定性的同时改善其高温抗氧化性能。硼化锆-碳化硅复合涂层结合这两种材料的特性具有良好的抗氧化效果。

目前，制备硼化锆复合涂层的技术主要包括：包埋法、刷涂法、化学气相沉积法、熔覆法和热喷涂法等。

(1)包埋法：也称固渗法，它的沉积机理是将涂层原料粉末或含有目标涂层成分的混合粉末放在基体材料周围并在一定温度下保温，涂层原料粉末之间或者原料粉末与基体之间发生复杂的物理化学反应，从而形成涂层的一种方法。包埋法制得的ZrB₂复合陶瓷涂层厚度一般为几微米～几十微米。CN201410001380.0公开了一种ZrB₂-SiC/SiC陶瓷涂层的制备方法，其采用包埋法依次制备中间层SiC和面层ZrB₂-SiC/SiC陶瓷涂层。中间层SiC的制备步骤中需在保护气氛下将包埋混合粉的基体构件加热到温度为1600℃～2000℃，而陶瓷面层ZrB₂-SiC/SiC的制备步骤中需在保护气氛下将包埋混合粉的基体构件加热到温度为2000℃～3000℃。但是，包埋过程通常需将基体材料置于高温环境中保温(2000℃～3000℃)，因此存在对基体热损伤大且成本高的缺点；同时，由于不同元素沉积和扩散的速度不同，无法控制硼化锆涂层厚度以及保证涂层中成分的均匀性；另外，受限于坩埚尺寸以及热源的影响，包埋技术难以满足在大尺寸零件上制备涂层。