[发明专利]一种Ir涂层表面过渡层的制备方法

说明书

本发明提供了一种Ir涂层表面过渡层的制备方法，该制备方法包括先制备渗剂；再将预处理后的Ir涂层样品采用制备好的渗剂进行合金化改性，在Ir涂层样品表面得到金属间化合物层；最后将表面有金属间化合物层的Ir涂层样品进行预氧化处理，得到成分和相含量准梯度分布的过渡层。本发明提出使用合金化改性+预氧化的方法，先在Ir层表面通过固渗法制备金属间化合物层，再利用内氧化原理预氧化金属间化合物，原位形成成分和相含量准梯度过渡的Ir与氧化物陶瓷混杂分布层作为Ir层与氧化物陶瓷热障层之间的过渡层，可增强Ir涂层与陶瓷层之间的结合，提高Ir涂层抗氧化能力。

技术领域

本发明属于超高温涂层技术领域，涉及一种Ir涂层表面过渡层的制备方法，更具体的，涉及一种成分和相含量准梯度过渡的Ir与氧化物混杂分布的金属-陶瓷过渡层的制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的飞速发展，火箭、导弹等飞行器上的超高温部件如发动机燃烧室，高超声速飞行器头锥、翼前缘等，对温度的要求越来越高，对防热材料的高温抗氧化能力也提出更高的要求。目前，学界研究的主流零烧蚀防热涂层材料一般以耐高温硅化物和硼化物（如SiC、MoSi₂、TaSi₂、HfSi₂、ZrB₂、HfB₂等）为核心热防护组元，其防热机理为利用高温下原位氧化形成的硼、硅氧化物或其复合氧化物在高温下于防热材料表面形成一层连续、致密的玻璃相保护膜，封填表面缺陷并阻止氧渗透，从而保护下方基材免受氧化破坏。但受限于硼/硅氧化物玻璃相的熔化温度和饱和蒸气压，此类热防护涂层材料的长时间服役温度极限一般不超过1850℃，即使形成以高熔点氧化物（如ZrO₂、HfO₂等）为骨架、硼/硅氧化物玻璃为填充相的复合结构，其长时间服役温度极限一般也不超过2000℃。

金属铱（Ir）熔点高（2440°C）、硬度高、弹性模量高，高温下具有极低的蒸汽压和目前已知材料中最低的氧渗透率（~10^-14 g·cm^-1·s^-1），是2000℃以上高温抗氧化涂层的重要候选材料之一。然而，纯Ir直接作为热防护层使用存在两方面的问题：一是其在超高温有氧环境下氧化消耗很快（1965℃空气中氧化时减薄速率达35μm·h^-1）；二是其辐射率偏低而催化活性偏高，导致其在气动加热环境下辐射散热效率低而催化加热效率高，表现出较高的平衡热响应温度，不利于其在高超声速飞行环境中的热防护应用。

为进一步提高Ir涂层在高温氧化环境中的使用寿命和可靠性，研究者们开展了对Ir涂层的强化和改性技术研究，其中，在Ir涂层外再制备陶瓷层的陶瓷化改性方法是目前耐温潜力最大的改性手段之一。Brain和 Fortini等采用等离子喷涂法在Ir涂层表面分别制备了ZrO₂和HfO₂层，研究表明，外覆陶瓷层有三方面强化效果：首先起到热障层的作用，降低了Ir涂层的表面温度；其次避免了Ir涂层和环境中氧的直接接触，降低了其氧化挥发速率；最后提高了Ir涂层的表面辐射率，增强了其高温辐射散热能力。这种方法被应用于Re/Ir推力室内壁Ir涂层的表面强化，显著提升了Ir涂层对推进剂燃气环境的耐受能力和极限耐温能力。这种表面直接外覆陶瓷涂层的方法可以在一定工况条件下提高Ir涂层的工作温度、延长其氧化寿命。然而，氧化物陶瓷喷涂层与纯Ir层间的结合仅为机械咬合，结合强度偏弱，且ZrO₂和HfO₂在升降温时会发生固态相变，所产生的体积变化和由此导致的应力会进一步恶化其与Ir涂层的结合，涂层整体抗热震性较差，在经受反复热冲击后外覆陶瓷层易剥落，导致涂层失效。

为解决陶瓷层与Ir涂层之间的结合问题，Scott等使用真空等离子喷涂法在Ir涂层与HfO₂涂层之间制备了Ir与HfO₂梯度分布的过渡层，增强了Ir与HfO₂之间的结合，但梯度过渡的结构需要通过控制每一层喷涂的粉料比例来实现，工艺较为繁琐和复杂。

发明内容