一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法。宽温域抗烧蚀涂层包括依次在基体材料上形成的SiBCN过渡层、由ZrB

【技术实现步骤摘要】
一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法
本专利技术属于高温热结构防护涂层及制备
，尤其涉及一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法。
技术介绍
连续纤维增强的陶瓷基复合材料(如C/SiC、C/SiC-ZrC等)具有高比强度、高比模量、热膨胀系数低、综合力学性能高等一系列优异性能，作为高马赫飞行器的结构材料具有其他材料难以比拟的优势。然而，飞行器在大气层高速运动时，其部分结构件，如鼻锥、机翼前缘等部位会承受剧烈的气动加热，局部温度可以达到数千摄氏度。这种高温、高压、高速且有气流烧蚀和冲刷综合环境因素作用对复合材料的性能提出了极其苛刻的要求，单靠复合材料本身难以满足性能要求，而在材料表面涂覆抗烧蚀涂层是一种非常有效的热防护方式。抗烧蚀涂层是将复合材料与氧化烧蚀环境隔离，具有良好的抗冲刷及抗热震性能，可以大幅提高复合材料在烧蚀冲刷环境中的使用温度和寿命。超高温陶瓷(Ultra-HighTemperatureCeramics，UHTCs)主要是过渡族金属的二元氮化物、硼化物及碳化物等，如ZrB2、HfC等，熔点通常在2500℃以上，在高温燃流冲刷环境下具有优良的抗烧蚀性能，因而成为复合材料表面高温抗烧蚀涂层的一类重要候选材料。其中，ZrB2具有高熔点、高模量、成本低等优点，是近年来航空航天领域高温抗烧蚀涂层材料的研究热点之一。由于ZrB2涂层与复合材料基体的热膨胀系数相差较大，因而需要在超高温陶瓷涂层与基体之间制备过渡层，例如常需要添加SiC过渡层，以缓解涂层在高低温循环中产生的热应力。同时，超高温涂层中常加入自愈合组元，如SiC等。涂层中的Si高温氧化后产生SiO2玻璃相，填入空隙和裂纹中，在1200-1700℃可以实现自愈合功能。当温度超过1700℃后，SiO2在燃流冲刷环境下迅速失效，无法起到自愈合和抗烧蚀作用。因此，随着飞行器结构件表面温度的不断提升，需要在抗烧蚀涂层中引入耐更高温度的自愈合成分。制备高温抗烧蚀涂层的方法主要包括包埋法、浆料烧结法、化学气相沉积、等离子喷涂等。其中，大气等离子喷涂使用Ar、He、H2等作为等离子气体，经电离后产生等离子射流，射流将喷涂粉末熔化后高速沉积到工件表面后形成涂层。由于大气等离子喷涂的射流温度相对较低，难以熔化超高温陶瓷粉末，因而不能制备出组织均匀、孔隙率低、性能良好的高温抗烧蚀涂层。与大气等离子喷涂相比，真空等离子喷涂的射流温度更高、流速更快，在喷涂过程中粉末不发生高温氧化，制备获得的涂层结合强度高，微观结构可调控。因此，真空等离子喷涂技术在制备超高温陶瓷涂层方面具有一定优势。此外，SiBCN体系陶瓷材料作为一种新型材料，呈非晶或纳米晶结构，具有较高的组织稳定性和抗氧化性，在1500℃以下不析晶、氧化速率缓慢。材料内部原子多以共价键结合在一起，使SiBCN的热稳定性较好、高温力学性能优异。然而，目前，SiBCN陶瓷主要用作陶瓷基复合材料的内部基材，可用于制备较大尺寸的陶瓷构件，具有十分广阔的应用前景。中国专利申请CN109320301A公开了一种SiC/SiC复合材料宽温域热防护涂层，其由过渡层、封孔层和抗冲刷层组成；其中，过渡层由聚合物先驱体浸渍裂解法工艺制备的SiC和SiBCN陶瓷构成，封孔层由浆料法制备的SiBCN陶瓷和化学气相沉积工艺制备的CVD-SiC组成，抗冲刷层由熔盐法制备的硅酸钇涂层组成，但该宽温域热防护涂层需要同时添加SiC作为过渡层和封孔层，并且该专利申请制备的宽温域热防护涂层仅在800～1300℃的温度范围内具有优异的抗热震性和抗氧化性能。综上所述，非常有必要提供一种新的在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层及其制备方法。本专利技术中的宽温域抗烧蚀涂层的协同抗氧化耐烧蚀性能可以阻止氧化性气氛向材料内部迁移，延长高温抗烧蚀时间，对陶瓷基复合材料起到有效防护作用；使用本专利技术制备的多层涂层孔隙率小，表面粗糙度低，可以在2100℃高温环境下有效保护陶瓷基等热结构复合材料至少700s。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层，所述宽温域抗烧蚀涂层包括依次在基体材料上形成的SiBCN过渡层、由ZrB2、SiC和La2O3混合而成的ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层和SiBCN封填层。优选地，所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层由以摩尔百分比计为60～80％的ZrB2、10～20％的SiC和10～20％的La2O3混合而成。优选地，所述SiBCN过渡层的厚度为10～20μm；所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层的厚度为150～200μm；和/或所述SiBCN封填层的厚度为5～10μm。本专利技术在第二方面提供了本专利技术在第一方面所述的宽温域抗烧蚀涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)采用聚合物浸渍-裂解法在基体材料的表面制备SiBCN过渡层；(2)采用真空等离子喷涂法在步骤(1)得到的SiBCN过渡层上制备ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层；和(3)采用聚合物浸渍-裂解法在步骤(2)得到的ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层上制备SiBCN封填层，由此在基体材料上制得所述宽温域抗烧蚀涂层。优选地，所述SiBCN过渡层或所述SiBCN封填层的制备包括如下子步骤：a、采用SiBCN前驱体溶液浸渍基体材料，得到浸渍有SiBCN前驱体溶液的基体材料；b、将步骤a得到的浸渍有SiBCN前驱体溶液的基体材料依次进行固化和高温裂解的步骤；和c、重复步骤a和b多次，得到所述SiBCN过渡层或所述SiBCN封填层。优选地，所述浸渍的真空度为0.05～0.09MPa，所述浸渍的压力为1～3MPa，所述浸渍的时间为1～2h；所述固化的温度为200～400℃，所述固化的压力为1～3MPa，所述固化的时间为2～4h；和/或在惰性气氛下进行步骤b中所述的高温裂解，所述高温裂解的温度为800～1200℃，所述高温裂解的时间为2～4h。优选地，在制备所述SiBCN过渡层的过程中，重复步骤a和b的次数为5～10次；或在制备所述SiBCN封填层的过程中，重复步骤a和b的次数为2～3次。优选地，所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层的制备包括如下子步骤：S1、将ZrB2粉、SiC粉和La2O3粉混合均匀，得到ZrB2-SiC-La2O3复相喷涂粉末，然后将所述ZrB2-SiC-La2O3复相喷涂粉末装入真空等离子喷涂设备的送粉器中并进行干燥处理；S2、将制备有所述SiBCN过渡层的基体材料固定在真空等离子喷涂设备的真空室内的转动台上；和S3、通过真空等离子喷涂法在基体材料的所述SiBCN过渡层上制备所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层。优选地，在步骤S1中，在将所述ZrB2-SiC-La2O3复相喷涂粉末装入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层，其特征在于：/n所述宽温域抗烧蚀涂层包括依次在基体材料上形成的SiBCN过渡层、由ZrB

【技术特征摘要】
1.一种在基体材料上形成的宽温域抗烧蚀涂层，其特征在于：
所述宽温域抗烧蚀涂层包括依次在基体材料上形成的SiBCN过渡层、由ZrB2、SiC和La2O3混合而成的ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层和SiBCN封填层。


2.根据权利要求1所述的宽温域抗烧蚀涂层，其特征在于：
所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层由以摩尔百分比计为60～80％的ZrB2、10～20％的SiC和10～20％的La2O3混合而成。


3.根据权利要求1所述的宽温域抗烧蚀涂层，其特征在于：
所述SiBCN过渡层的厚度为10～20μm；
所述ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层的厚度为150～200μm；和/或
所述SiBCN封填层的厚度为5～10μm。


4.根据权利要求1至3任一项所述的宽温域抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)采用聚合物浸渍-裂解法在基体材料的表面制备SiBCN过渡层；
(2)采用真空等离子喷涂法在步骤(1)得到的SiBCN过渡层上制备ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层；和
(3)采用聚合物浸渍-裂解法在步骤(2)得到的ZrB2-SiC-La2O3超高温复相陶瓷层上制备SiBCN封填层，由此在基体材料上制得所述宽温域抗烧蚀涂层。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述SiBCN过渡层或所述SiBCN封填层的制备包括如下子步骤：
a、采用SiBCN前驱体溶液浸渍基体材料，得到浸渍有SiBCN前驱体溶液的基体材料；
b、将步骤a得到的浸渍有SiBCN前驱体溶液的基体材料依次进行固化和高温裂解的步骤；和
c、重复步骤a和b多次，得到所述SiBCN过渡层或所述SiBCN封填层。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：
所述浸渍的真空度为0.05～0.09MPa，所述浸渍的压力为1～3MPa，所述浸渍的时间为1～2h；
所述固化的温度为200～400℃，所述固化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝鹏，裴雨辰，吴朝军，于新民，刘伟，霍鹏飞，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11