[发明专利]一种C/C复合材料表面ZrC涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种C/C复合材料表面ZrC涂层的制备方法。包括以下步骤：(1)预处理C/C复合材料；(2)配制合金原料，熔炼得到液相反应烧结用Si‑Zr合金；(3)将液相反应烧结用合金与C/C复合材料放入石墨坩埚，置于高真空碳管烧结炉中；抽真空，加热到液相反应烧结温度保温；保温结束后冷却出炉，即得到C/C复合材料表面ZrC涂层。本发明方法操作简单，周期短，成本低，制得的ZrC涂层和基体结合强度高，抗热循环和冲击性能好。

技术领域

本发明涉及一种C/C复合材料表面涂层的制备方法，具体指一种C/C复合材料表面高结合强度抗烧蚀ZrC涂层的高效率低成本制备方法。

背景技术

可重复使用航天器、固体火箭发动机喷管和高超音速飞行器等的耐高温部件服役温度高达1800℃以上，并在烧蚀环境下承受高压气流和高速粒子的侵蚀，发展具有优异抗烧蚀性能的耐高温结构材料已成为促进该领域发展的关键。

C/C复合材料是由碳纤维增强相和碳基体相组成的一种复合材料，具有低密度、高强度、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、高温强度和模量随温度升高而增大，优异的摩擦磨损性能，是理想的高温耐热结构材料之一。但是，C/C复合材料在高温高速气流冲刷下显著氧化和烧蚀，已不能满足新一代高性能航空航天器对高温耐热结构材料的要求。

研究表明，表面制备难熔碳化物涂层是提高C/C复合材料抗烧蚀和抗冲刷能力、降低烧蚀率的有效途径，可使C/C复合材料承受更高的燃气温度或更长的工作时间。目前，C/C复合材料表面用于提高其抗烧蚀和抗冲刷能力的难熔碳化物涂层主要包括HfC、TaC和ZrC涂层等。相比TaC和HfC，ZrC具有更低的密度，高的硬度和模量，以及低廉的制备成本，是C/C复合材料表面较为理想的抗烧蚀涂层。2009年，《carbon》第47卷中公开报道了C/C复合材料表面ZrC涂层的化学气相沉积法制备技术(CARBON 47(2009)3365-3380)，在ZrCl₄+C₃H₆+H₂+Ar体系中成功制备了ZrC涂层，涂层致密、均匀，抗烧蚀性能优异。但是，化学气相沉积法涂层制备成本高、涂层制备过程中产生HCl，对设备腐蚀性强。此外，化学气相沉积法制备的ZrC涂层和C/C复合材料基体直接接触，界面结合残余应力大，涂层承受大的热冲击时易发生开裂和脱落。因此，开发结合强度高、抗热循环和冲击性能优异的ZrC涂层的低成本制备方法对于扩大C/C复合材料的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种C/C复合材料表面ZrC涂层的制备方法，使得涂层制备工艺简单、周期短，制备的ZrC涂层和C/C复合材料基体结合强度高，抗热循环和冲击性能好。

本发明提供的一种C/C复合材料表面ZrC涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理C/C复合材料；

(2)配制合金原料，熔炼得到液相反应烧结用Si-Zr合金；

(3)将步骤(1)处理后的C/C复合材料与步骤(2)的液相反应烧结用Si-Zr合金置于高真空烧结炉中，加热、保温；保温结束后冷却出炉，即得到C/C复合材料表面ZrC涂层。

步骤(1)中预处理C/C复合材料的方法为：将C/C复合材料用300-2500号砂纸打磨，依次在水和丙酮中超声清洗5-10分钟；清洗后的C/C复合材料于60-200℃空气气氛中干燥10-100分钟，然后于300-600℃空气气氛中加热10-150分钟，冷却备用。

步骤(2)是选用纯度为99％以上的纯硅和纯锆配制合金原料。

步骤(2)按照合金元素原子百分比Si 75％-95％、Zr 5％-25％配制Si-Zr合金原料。

步骤(2)用真空电弧熔炼炉或感应熔炼炉熔炼得到液相反应烧结用Si-Zr合金。为了保证合金成分的均匀性，Si-Zr合金可反复熔炼2-4次。