[发明专利]一种碳基复合材料抗烧蚀涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳基复合材料抗烧蚀涂层的制备方法，属于表面技术领域，特别涉及一种以真空物理气相沉积的致密SiC层为中间层，等离子喷涂ZrB₂-MoSi₂厚涂层为面层的抗高温氧化、耐烧蚀涂层的制备方法。

背景技术

碳基复合材料具有优异的高温力学性能，如高强度、高比模量、良好的断裂韧性和耐磨性能，是理想的耐高温结构材料。但是碳基复合材料在高温氧化环境中极易发生氧化，例如：碳在370℃以上的空气中；在650℃以上的水蒸汽中；在750℃以上的CO₂中都会发生严重的氧化，导致其力学性能急剧下降。因此，防止碳基复合材料在高温下的氧化和烧蚀是实际应用中亟待解决的问题。

在碳基复合材料表面制备抗高温氧化和抗烧蚀涂层是一种有效的方法，主要有包埋法、涂敷法等，涂层材料主要有硼化物、硅化物和碳化物等。硼化物主要有HfB₂和ZrB₂，它们在1000℃下生成黏液态的B₂O₃保护层，从而具有良好的抗氧化性能。HfB₂因成本很高，应用较少。ZrB₂高温氧化后的产物为ZrO₂，熔点可以达到2690℃，可以在2200℃以上的高温中使用。硅化物主要有SiC和MoSi₂，利用其在高温下氧化会生成SiO₂而具有良好的自愈合能力，从而表现出优异的高温抗氧化性能。其中SiC（线膨胀系数为4.8×10^-6K^-1）的线膨胀系数与C/C复合材料比较接近，有助于提高涂层的结合强度，是较为理想的抗氧化和耐烧蚀涂层材料。MoSi₂(线膨胀系数为8.3×10^-6K^-1)也具有良好的抗氧化和耐烧蚀性能。ZrB₂-MoSi₂涂层具有良好的抗高温氧化和耐烧蚀性能，可在1800℃，甚至更高的全温度范围内都具有优异的抗氧化和耐烧蚀性能，但两种材料都与碳基复合材料（线膨胀系数为1.2×10^-6K^-1）的膨胀系数相差较大，容易引起线膨胀系数失配问题，导致涂层的结合强度较低，抗高温高速焰流冲刷性能差。利用SiC与碳基复合材料相近的膨胀系数，以SiC层作为中间层，抗高温氧化和抗烧蚀ZrB₂-MoSi₂涂层为面层的复合在碳基复合材料的防护方面具有明显的优势。

CN201410001380.0公开了“一种ZrB₂-SiC/SiC陶瓷涂层的制备方法”，该方法采用包埋法分别制备中间层SiC和ZrB₂-SiC面层；曾毅等（碳基复合材料SiC/ZrB₂-MoSi₂复合涂层的抗氧化机制，《复合材料学报》，2010，27（3），50-55）公开了一种利用包埋法和刷涂法制备SiC/ZrB₂-MoSi₂涂层的方法，该方法使用线膨胀系数与碳基复合材料更接近的SiC作为过渡层，降低了ZrB₂-MoSi₂涂层与基体之间的热应力。然而，利用包埋法制备涂层的工艺温度高，导致碳基复合材料的力学性能显著降低，同时存在均匀性以及涂层厚度不易控制，且刷涂法制备的涂层结合强度低，在高速气流冲刷下容易剥落，无法实现对碳基有效保护。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的不足，提出了一种碳基复合材料抗高温氧化、耐烧蚀的复合制备方法，所述方法通过真空镀膜技术在碳基复合材料表面沉积致密的SiC中间层，然后利用等离子喷涂技术制备ZrB₂-MoSi₂涂层。由于该方法制备涂层的整个过程都是在低温下进行沉积，不会对碳基复合材料造成损伤，同时利用SiC中间层低的膨胀系数缓解涂层的残余应力和ZrB₂-MoSi₂厚涂层的抗高温氧化和耐烧蚀性能，具有涂层结合强度高、抗冲刷性能优良、对碳基复合材料高温防护效果显著的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：碳基复合材料抗烧蚀涂层的制备方法步骤如下：