[发明专利]一种Ta-Re层状复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Ta‑Re层状复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料领域。本发明提供了一种Ta‑Re层状复合材料，包括层叠设置的Ta基体层和Re强化层。本发明基于金属Ta、Re的性能优点，以相对轻质、廉价的难熔金属Ta为基体，高熔点高强度的Re为强化层，制备了一种新型轻质高强Ta‑Re层状复合材料，能够同时兼顾Re高强度和Ta轻量化的优点，获得了高性能航天发动机喷管用结构材料。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种Ta-Re层状复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

航天发动机喷管是载人飞船、登月探测卫星等航天器推力发动机上的关键部件，是航天器的重要组成部分，其性能主要取决于耐超高温特性(工作温度超过1600℃)。通常采用难熔稀贵金属(Nb、Re、Mo、Ta等)制备而成。然而，随着航天技术的飞速发展，对航天发动机喷管材料的高温特性和力学性能提出了更高的要求传统的难熔金属已无法满足上述需求。

铼(Re)是一种高熔点(3340℃)、高强度、抗蠕变和化学性质稳定的稀有金属，是制备航天发动机喷管的重要材料。现有技术中采用化学气相沉积(CVD)制备的Ir/Re材料(以Re为基体，Ir为保护涂层)，其最高工作温度为2200℃，连续运行15小时不失效，已被成功应用于卫星姿控发动机上，将喷管材料的性能推向新高度。虽然Re具有优异的高温强度和抗蠕变性能，但也存在密度大的缺点。如何确保喷管材料具有良好高温性能的同时，又能降低自身重量(轻量化)，对提升航天器的有效载荷和快速响应具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Ta-Re层状复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的Ta-Re层状复合材料具有轻量化的优势。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Ta-Re层状复合材料，包括层叠设置的Ta基体层和Re强化层。

优选地，所述Ta-Re层状复合材料中Re强化层的体积分数为10％～50％。

本发明还提供了上述技术方案所述的Ta-Re层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

在真空条件下，将Ta、氯气和氢气在Mo基底的表面进行第一化学气相沉积，形成Ta沉积层；

对所述Ta沉积层进行等离子刻蚀活化处理，形成Ta基体层；

在真空条件下，将Re和氯气在所述Ta基体层的表面进行第二化学气相沉积，形成Re层，然后进行Mo基底分离，得到Ta/Re复合层；

对所述Ta/Re复合层进行热处理，得到所述Ta-Re层状复合材料。

优选地，所述第一化学气相沉积和第二化学气相沉积时氯气的流速独立地为50～80mL/min，所述第一化学气相沉积时氢气的流速为400～600mL/min。

优选地，所述Ta进行预热，所述预热的温度为1150～1350℃。

优选地，所述等离子刻蚀活化处理的功率为1～5kW，氢气流量为200～800mL/s，氩气流量为6～15mL/s，刻蚀时间为5～60min，刻蚀温度为900℃。

优选地，所述Ta基体层在进行第二化学气相沉积前还包括预热，所述预热的温度为1150～1350℃。

优选地，所述热处理温度为1400～1800℃，保温时间为1～20h。

优选地，所述Mo基底分离为线切割和/或化学腐蚀。

本发明还提供了上述技术方案所述的Ta-Re层状复合材料在航天发动机喷管用结构材料中的应用。