石墨表面耐烧蚀抗氧化复合涂层制备及性能研究

发布时间：2018-05-01 05:34

  本文选题：复合涂层 + ZrB_2　； 参考：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：随着航空航天技术的发展,飞行器的服役环境日趋恶劣,对高性能的热障涂层提出了越来越高的要求。碳基材料,如C/C复合材料、石墨等,具有轻质、高强、高模量、良好的高温稳定性和抗热震性能,在航空航天领域存在着广泛的应用。但是碳基材料在500oC以上氧化环境中就会发生氧化,而涂层技术是改善碳基材料抗氧化性能的有效方法。超高温材料是指在超高温环境下(2000oC)以及反应气氛(原子氧环境、等离子体等)中能够保持物理、化学稳定性的一类特殊材料。ZrB_2 SiC基超高温陶瓷材料具有良好的高温强度、抗氧化和抗烧蚀等综合性能,是目前在超高温陶瓷材料体系中得到最广泛研究的体系。由于传统碳基材料和ZrB_2 SiC基超高温材料均存在其特有的优缺点,若能在碳基材料表面制备ZrB_2 SiC陶瓷涂层,结合基体碳材料轻质、抗热震性能好、高强高模量和ZrB_2 SiC基陶瓷材料抗氧化抗烧蚀性能好的优点,则能够解决基体抗氧化抗烧蚀性能差和ZrB_2 SiC基陶瓷抗热震性能差、脆性大的问题,获得同时具有良好抗热震、抗氧化、抗烧蚀、轻质等特点的材料。在碳基材料表面制备含ZrB_2涂层体系过程中,传统方法往往将ZrB_2以颗粒或粉体的形式直接加入,这导致涂层结构不致密、ZrB_2颗粒与基体和其它组元间结合差,影响涂层性能。通过原位合成ZrB_2有利于提高涂层的性能,因此首先需要解决ZrB_2原位合成的问题。但是利用化学气相沉积法制备的涂层往往具有较高的致密度,直接在碳基材料表面利用化学气相沉积法制备涂层容易由于基体和涂层材料较大的热膨胀系数的差异而导致涂层中存在较大热应力,影响涂层性能。而利用包埋法制备的涂层其结构较疏松,涂层内应力小,因此常用包埋法制备的涂层作为中间层来消除外层致密涂层与基体之间的热应力。本研究中也以包埋法制备的涂层作为中间层,而以化学气相沉积涂层作为外层涂层来制备复合涂层。首先,以ZrCl_4、BCl_3、H_2为反应气体,以Ar为载气和稀释气体,利用化学气相沉积法在石墨表面制备了ZrB_2涂层。在1200oC,Ar/5%H_2混合气240L/h、Ar气240L/h、BCl_3流量5L/h条件下沉积2h,消耗50.73g的ZrCl_4,沉积得到了均匀覆盖在石墨基体表面的ZrB_2涂层,涂层厚度约为12μm,无杂质相存在。利用化学气相沉积法在石墨基体表面分步合成了ZrB_2/SiC涂层,SiC层完全覆盖在ZrB_2层表面,结构均匀致密。SiC涂层在沉积过程中填充了ZrB_2涂层中存在的孔隙,两层涂层结合紧密。但是由于ZrB_2层结构疏松,SiC层与石墨基体接触,制备的涂层由于热应力较大使SiC层存在裂纹。为缓解CVD涂层与基体之间的热应力,开展了包埋法制备ZrB_2 SiC涂层的研究,用于多层涂层的缓冲层或中间层。以Si粉、石墨粉和Al2O3粉为原料,在1800oC温度下保温2h制备SiC涂层作为内层;以ZrB_2粉、Si粉、石墨粉为原料在2000oC温度下保温2h制备ZrB_2 SiC涂层作为外层,最终得到的SiC/ZrB_2 SiC(ZS50 2)涂层具有良好的抗氧化和抗热震性能。在室温与1500oC之间热循环15次及氧化19h后的质量保持率分别为93.5%和97.1%。二茂铁的添加会提高包埋法制备的ZrB_2 SiC涂层中孔隙率,并进一步提高其性能。加入3wt.%二茂铁的涂层试样(ZS50 3f)在1500oC和室温之间热循环15次后的质量保持率为96.2%,氧化19h后的质量保持率为99.8%。利用包埋法制备的SiC/ZrB_2 SiC涂层中SiC相构成了涂层主体结构,且SiC/ZrB_2 SiC涂层的疏松结构利于缓解热应力。最后,以包埋法制备的SiC/ZrB_2 SiC(ZS50 3f)涂层试样为基体,在其上利用化学气相沉积法分步制备ZrB_2和SiC层,制备了具有优异性能的SiC/ZrB_2 SiC/ZrB_2/SiC涂层。采用氧乙炔烧蚀法分别对所制备的涂层进行了抗氧化烧蚀性能评价。在O2和C2H_2的流量分别为1800L/h和1900L/h条件下,CVD ZrB_2/SiC烧蚀33s后涂层完全失效;在O2和C2H_2的流量分别为1300L/h和1900L/h条件下烧蚀~170s也完全失效。石墨表面CVD ZrB_2/SiC涂层抗烧蚀性能差,难以为石墨基体提供良好的抗烧蚀保护。包埋法制备的SiC/ZrB_2 SiC(ZS50 3f)涂层还具较好的抗烧蚀性能,在1850oC烧蚀~200s后中心烧蚀区的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.647μm/s和1.216mg/s。而在O2和C2H_2的流量分别为1800L/h和1900L/h的烧蚀条件下,SiC/ZrB_2 SiC/ZrB_2/SiC涂层具有最优异的抗烧蚀性能,在烧蚀过程中温度逐渐上升,最高温度达~2230oC,烧蚀298s后的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.27mg/s和0.57μm/s。
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本文编号：1827976