[发明专利]一种碳材料表面耐烧蚀抗氧化复合涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳材料表面耐烧蚀抗氧化复合涂层的制备方法，属于高温工程材料技术领域。本发明将ZrC粉体进行了预氧化处理后在粉体表面形成的ZrO₂薄层进而促进了颗粒间的结合，在烧蚀温度最高的中心区域，氧化形成的ZrO₂和TiO₂产生协同效应，发生熔融并填充涂层内部缺陷和裂纹，有效降低了机械剥蚀几率；烧蚀主要表现为热化学烧蚀和机械剥蚀；添加ZrC第二相可进一步提高TiC涂层耐烧蚀性能，TiO₂熔体能粘附在表面形成ZrO₂薄层的高熔点ZrC固体颗粒周围，二者形成协同效应，从而促进涂层快速的形成致密化结构，提高涂层整体的抗烧蚀性能，ZrC第二相还为涂层提供了良好的增韧效果，复相涂层在烧蚀冷却过程中展现出良好的抗热冲击性能而未出现任何裂纹。

技术领域

本发明涉及一种碳材料表面耐烧蚀抗氧化复合涂层的制备方法，属于高温工程材料技术领域。

背景技术

随着工业技术的发展，材料的服役环境更为苛刻，对材料的耐高温、抗氧化、抗烧蚀等性能提出了更高的要求，开发新型高温结构材料来应对日益恶劣的服役环境变得极为迫切。碳基材料，包括C/C复合材料、石墨等，是目前已得到广泛应用的高温材料。它们具有轻质、高强、高模量、良好的高温稳定性和抗热震性能，被广泛用作高温工程材料，如加热体、电接触材料、高温热交换器、电极、火箭鼻锥和飞行器前缘材料等。虽然这类材料在惰性或真空环境中能够在3000℃的高温下保持稳定，但是在500℃以上氧化环境中就会发生氧化，限制了其广泛应用。为了能够使碳基材料在高温氧化环境中获得更广泛的应用，必须提高其抗氧化性能。通过涂层技术改善材料表面性能是一种提高抗氧化性能的有效方式。超高温抗氧化烧蚀涂层在航天领域可用作热结构材料和烧蚀材料的保护涂层，有效发挥高温构件的潜在效能，使飞行器热端部件在更高温度条件下服役，保证其在恶劣环境介质作用下安全可靠并尽可能长时间的运行。

涂层法在解决碳基材料高温氧化问题上具有重要的作用，但通常陶瓷涂层和碳基体间会存在化学相容性和机械相容性问题，在高低温热循环过程中涂层容易发生剥离和脱落。在制备碳基材料的抗氧化涂层时，要求涂层既要有良好的抗氧化能力，还要求涂层与基体之间具有良好的物理和化学相容性、对基体材料具有较好的润湿性、合适的粘度和较好的自愈合能力。总之，涂层需要具有致密、自愈合、与基体具有高的结合强度等综合性能。单层涂层往往难以保证这些性能，因此常多采用复合涂层来提供较好的抗氧化性能。复合涂层至少包括与材料直接接触的内层、氧的阻挡层以及表面层。在为碳基材料设计氧化防护涂层体系时需要考虑多种因素，以确保基体材料能够在高温氧化气氛下长期、可靠地工作，并承受高低温变化对涂层的影响。

目前，通过国内外学者的努力，碳材料表面抗氧化涂层的制备技术取得了突飞猛进的进展，部分涂层还具备了一定的抗热震性能。然而，抗氧化涂层的研究仍存在着诸多难点：（1）热失配导致涂层开裂，试样氧化失效；（2）涂层高温稳定性较差。利用纯SiO₂玻璃层虽然能够实现抗氧化及自愈合，但是由于SiO₂的高挥发性，难以胜任高温下的使用要求；（3）已报道的抗氧化涂层的抗氧化温度范围窄，不能满足全温区范围防氧化。随着科技进步，涂层应用领域的扩大及对涂层性能的高要求，复合涂层朝着多层、多相、梯度结构发展。

综上所述，针对针对现有碳材料抗氧化烧蚀性能差，涂层高温稳定性较差的问题，亟需提供一种碳材料表面耐烧蚀抗氧化复合涂层的制备方法来解决现有的技术的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有碳材料抗氧化烧蚀性能差，涂层高温稳定性较差的问题，提供了一种碳材料表面耐烧蚀抗氧化复合涂层的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

（1）将预氧化处理ZrC粉体和TiC粉体混合均匀，进行过筛处理，即得混合粉体；