[发明专利]一种双周期多层TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种双周期多层TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层及制备方法，目的为了提高现有超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。技术方案是采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术一步可在碳/碳复合材料表面制备出多层交替的TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层。TaC和HfC双周期多层结构不仅可以抑制裂纹的萌生和扩展；烧蚀过程中还可形成一种具有致密结构的Hf‑Ta‑O的固溶氧化层。与单层结构相比，所制备出的双周期多层TaC/HfC涂层在氧乙炔烧蚀环境下具有更加优异的抗烧蚀性能。

技术领域

本发明属于材料防护领域，涉及一种双周期多层TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层及制备方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料可在高温下保持优异的力学性能，且具有低密度、耐热冲击等一系列优异特性，从而成为空天飞行器及其动力系统极佳的热结构候选材料。然而，在实际应用中，未加保护的C/C复合材料会发生严重的化学烧蚀和机械剥蚀，导致其力学性能迅速下降。解决这一问题的方法之一是在C/C复合材料表面制备抗烧蚀涂层。现有的涂层体系以HfC、ZrC等超高温陶瓷涂层为主，此类涂层在长时间烧蚀后，形成的氧化层具有多孔结构，且因为高速热流的冲刷，形成了大量的贯穿性裂纹导致涂层易发生开裂甚至剥落，从而失去对C/C基体的保护作用。

为了解决这个问题，启发于自然界的“贝壳类”结构，在冲击过程中会形成曲折的裂纹扩展路径。文献1“Gim J,Schnitzer N,Otter L M,et al.Nanoscale deformationmechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell.Naturecommunications,10(2019)1-8”报道了这种仿生“贝壳类”多层结构存在着优异的断裂韧性，并且大量界面的存在可以有效抑制裂纹扩展，降低裂纹扩展能，从而提高材料的强度。因此，双周期多层结构引起了研究人员极大的关注。

同时，在周期层材料的的选择上，TaC属于超高温陶瓷的一种，不仅具有高熔点，而且其氧化物Ta₂O₅也具有熔点高和蒸气压低的特点。根据文献2“Feng G H,Li H J,Yang L,et al.Investigation on the ablation performance and mechanism of HfC coatingmodified with TaC.Corrosion Science,170(2020)108649.”报道了在高温烧蚀期间，两者氧化物能够反应形成致密的Hf₆Ta₂O₁₇氧化层，可承受气流冲刷和阻碍氧气渗透。因此，将这两种涂层材料构建双周期多层结构，即将具有不同功能或优点进行组合，发挥层状结构的协同防护作用优势，从而有望全面提高涂层的抗烧蚀性能。

然而，由于传统化学气相沉积制备的超高温陶瓷涂层会伴随着升降温，从而导致涂层内产生残余热应力。对于多层结构，随着沉积次数的增加，涂层内部的热应力也随之增大，这对于涂层在烧蚀环境下的服役是不利的。因此，对于双周期多层TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层一步制备能够避免涂层由于应力的集中而造成其易开裂和脱落的出现。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双周期多层TaC/HfC超高温陶瓷抗烧蚀涂层及制备方法，与传统周期层SiC相比，在本发明中选用的周期过渡层为TaC，在≥1800℃的烧蚀环境下产生了熔融态的Ta₂O₅，能够有效的自愈合裂纹并与HfO₂反应生成致密的氧化层。同时，采用一步法制备降低涂层内的热应力，降低涂层易开裂和脱落的风险。从而提高涂层C/C复合材料的抗烧蚀性能的。

技术方案