[发明专利]一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法，包括：将原料粉末TaC,HfC(ZrC),WC(W),C以预设比例均匀混合，得到混合粉末；将混合粉末进行喷雾造粒以得到团聚粉末，并进行粒径筛分，从而得到一类超高温陶瓷复合粉末；或以预设输出功率对粒径筛分后的团聚粉末进行等离子球化，从而得到二类超高温陶瓷复合粉末；采用真空等离子喷涂将超高温陶瓷复合粉末喷涂在基底表面，从而得到抗超高温烧蚀涂层；通过该方法，增加了复合粉末的等离子喷涂可用功率区间，在保证原材料不被分解或氧化的条件下完成抗超高温烧蚀涂层的制备，同时提高了陶瓷涂层的喷涂效率，与基底的结合性能以及涂层质量，从而大幅提高C/Si复合材料的超高温抗烧蚀性能。

技术领域

本发明涉及表面涂层制备技术领域，特别涉及一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法。

背景技术

目前应用于超高温的材料之一是碳纤维所形成的编织体与填入编织体中的碳基体所形成的碳/碳复合材料(Carbon-carbon composite material)，它具有低密度、高强度、高导热性、抗热冲击性能好等优点，但在有氧高温环境下发生的氧化反应使得其性能急剧下降，为进一步提高在有氧条件下的应用温度，材料工程师们提出了在其表面覆盖超高温陶瓷涂层的解决方案。

ZrB₂-SiC是目前针对抗烧蚀超高温陶瓷研究最热的候选材料。但由于ZrB₂与SiC会形成低温共晶化合物(熔点小于3000K)，2500℃是该材料体系的最高服役温度，因而难以满足更高温度如火箭尾喷管，超高音速飞行器前缘的发展需求，急需开发新型的超高温陶瓷。

TaC，Hf(Zr)C超高温陶瓷有着极高的熔点，同时二者结合时不仅不会形成低温共晶化合物，还能提高陶瓷熔点，Ta₄HfC₅为世界上熔点最高的物质，但两者采用真空等离子喷涂形成涂层时经常发生高温分解、脱碳、氧化，导致涂层致密度不佳，存在大量孔隙，严重影响烧蚀效果。

针对超高温陶瓷的高熔点、高脆性、高温分解性、使得真空等离子喷涂工艺下涂层的形貌和成分不佳的关键问题，寻找一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法对于超高温涂层来说是亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法，该方法通过在喷涂粉末中引入作为C的间隙固溶体的WC，在等离子喷涂的高温作用下可分解成W与C，其中W作为面心立方金属与TaC，Hf(Zr)C形成共格相界结构，可大幅提高涂层韧性，并且当以钨金属为粘接层时，则起到界面钉扎作用，大幅提高了涂层结合性能，Ta-Hf(Zr)-W-C有着极高的共熔温度(＞2900℃)，而分解的C则可以有效避免粉末氧化；C单质的引入，一方面在等离子高温下蒸发形成C蒸汽，抑制粉末氧化的同时，可提供富足的C，保证Ta-Hf(Zr)-W-C复合粉末顺利熔化并形成涂层，或者直接引入W单质与C单质，也可形成同样的效果，WC(W)-C的海绵效应避免了涂层C单质的残留，因此大幅提高可用喷涂功率范围，在保证原材料不被分解或氧化的条件下完成抗超高温烧蚀涂层的制备，提高了涂层致密度，同时提高了陶瓷涂层的喷涂效率，与基底的结合性能，从而大幅提高C/Si复合材料的超高温抗烧蚀性能。

本发明实施例一方面提供了一种强韧化超高致密度抗超高温烧蚀涂层及其制备方法，包括以下步骤：将原料粉末TaC,HfC(ZrC),WC(W),C以预设比例均匀混合，得到混合粉末；对混合粉末进行喷雾造粒，得到团聚粉末，并进行粒径筛分，从而得到一类超高温陶瓷复合粉末；或对以预设输出功率对筛分后的团聚粉末进行等离子球化，从而得到二类超高温陶瓷复合粉末，以进一步增强粉末致密度和固溶度；采用真空等离子喷涂将超高温陶瓷复合粉末喷涂在基底表面，从而得到抗超高温烧蚀涂层；或采用真空等离子喷涂将复合粉末喷涂在以钨金属或钨合金为过渡层的基底材料上，从而得到抗超高温烧蚀涂层；或采用真空等离子喷涂将复合粉末喷涂在以SiC为过渡层的基底材料上，从而得到抗超高温烧蚀涂层；