一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法。所述耐高温抗烧蚀复合涂层的组成包括：HfB2主相，SiC第二相，MSi2第三相；其中MSi2包括TaSi2、MoSi2和WSi2中的至少一种。中的至少一种。中的至少一种。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种耐高温抗烧蚀复合涂层及其制备方法，具体涉及一种HfB2基耐高温抗烧蚀复合涂层的制备方法，属于高温防护涂层领域。

技术介绍

[0002]HfB2是超高温陶瓷的典型代表，具有高熔点(3250℃)、高热导率(104W
·
m
‑1·
K
‑1)、低热膨胀系数(6.3
×
10
‑6℃
‑1)、高化学稳定性、低催化系数和高发射率，是一种在航空航天领域具有广泛应用前景的高温结构材料。与被广泛研究的ZrB2相比，HfB2在耐烧蚀性能方面主要具备以下几点优势：(1)具有更高的熔点和热导率，更有望用于极端环境；(2)HfO2相比于ZrO2具有较低的氧扩散系数，更有利于抗氧化性能；(3)HfO2相比于ZrO2具有更高的相转变温度，且相变所带来的体积膨胀更小，对涂层结构的破坏也更小。
[0003]目前，文献报道的HfB2涂层和HfB2基复合涂层相关制备方法主要包括：包埋渗法、化学气相沉积和等离子喷涂法等。其中，真空等离子喷涂又叫低压等离子喷涂，其火焰温度高、喷涂过程在惰性气体保护下进行，因此特别适合制备超高温涂层。此外真空等离子喷涂还具有沉积效率高、厚度可控、适合工业化生产等特点。Hu
[1]等人发现真空等离子喷涂技术制备的ZrC基超高温陶瓷涂层具有结构致密，孔隙率低和热导率高的特点。
[0004]但是单相HfB2涂层存在抗氧化性较差的缺点，限制了其在高温下的应用
[2]。HfB2在800℃以上出现明显氧化，氧化反应为：HfB2+5/2O2＝HfO2+B2O3。氧化产物B2O3在温度小于1000℃时，可以起到阻碍氧气渗透的作用。但当温度高于1200℃，B2O3快速挥发后多孔的氧化层无法起到防护作用，HfB2将不断被氧化
[3]。
[0005]大量报道表明引入SiC能明显提高HfB2涂层的抗氧化性能，原因在于SiO2和B2O3反应生成了稳定的硼硅玻璃相，可以更好地阻止氧气的渗透
[3]。然而，氧分压沿涂层厚度方向逐渐降低，这为SiC耗尽层的形成提供了条件。SiC在高温(>1500℃)和低氧分压环境下会发生活性氧化生成气态SiO而不是SiO2，同时形成多孔的SiC耗尽层易使涂层丧失防护能力
[4,5]。因此，若能抑制SiC的活性氧化将极大程度提高HfB2‑
SiC涂层的服役温度。
[0006]参考文献：[1]C.Hu,X.Ge,Y.Niu,H.Li,L.Huang,X.Zheng,Influence of oxidation behavior of feedstock on microstructure and ablation resistance of plasma
‑
sprayed zirconium carbide coating,J.Therm.SprayTechnol.,24(2015)1302
‑
1311.[2]F.Monteverde,A.Bellosi,The resistance to oxidation of an HfB2‑
SiC composite,J.Eur.Ceram.Soc.,25(2005)1025
‑
1031.[3]T.A.Parthasarathy,R.A.Rapp,M.Opeka,R.J.KeranS,A model for the oxidation of ZrB2,HfB2and TiB2,Acta.Mater.,55(2007)5999
‑
6010.[4]P.Lespade,N.Richet,P.Goursat,Oxidation resistance of HfB2‑
SiC composites for protection of carbon
‑
based materials,Acta.Astronautica.,60(2007)858
‑
864.
[5]F.Monteverde,R.Savino,Stability of ultra
‑
high
‑
temperature ZrB2‑
SiC ceramics under simulated atmospheric re
‑
entry conditions,J.Eur.Ceram.Soc.,27(2007)4797
‑
4805.

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种耐高温抗烧蚀复合涂层及制备方法。
[0008]一方面，本专利技术提供了一种耐高温抗烧蚀复合涂层，所述耐高温抗烧蚀复合涂层的组成包括：HfB2主相，SiC第二相，MSi2第三相；其中MSi2包括TaSi2、MoSi2和WSi2中的至少一种。
[0009]本专利技术中，选用HfB2作为主相，可以在1900℃以上的高温烧蚀环境下氧化生成具有高熔点的HfO2，起到骨架支撑和钉扎液相的作用。此外，第二相SiC在高温烧蚀环境下能生成具有愈合作用的液相SiO2。SiO2具有较低的氧扩散系数，能够阻止氧气的渗透。加入第三相TaSi2、MoSi2或WSi2可以抑制SiC耗尽层的形成，提高固相层的致密性。在超高温环境下，第三相MoSi2或TaSi2可以发生如下反应：4/5MoSi2(s)+2/5B2O3(l)+O2(g)＝4/5MoB(s)+8/5SiO2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；TaSi2(s)+B2O3(l)+1/2O2(g)＝TaB2(s)+SiO2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；两个反应的共同特点是均连续消耗B2O3，生成了高熔点物质，将会极大程度地影响涂层的抗氧化烧蚀性能。连续消耗B2O3利于抑制气态B2O3的形成，减少其对涂层的破坏作用。高熔点的MoB或TaB2可以填充在HfO2骨架的缝隙中起到稳定亚表面层的作用，降低了液相氧化层下方的氧化速率。此外，Mo元素和Ta元素均有利于提高玻璃相的粘度。基于Stokes
‑
Einstein定律，玻璃相粘度的增加有利于降低氧扩散率。烧蚀环境下，WSi2会发生如下反应：5WSi2(s)+7O2(g)＝W5Si3(s)+7SiO2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；W5Si3(s)+6O2(g)＝5W(s)+3SiO2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；反应稳定的生成SiO2，可以提供更多的液相防护。生成的中间相W5Si3和W可以起到稳定中间层的作用，使得涂层结构致密。更重要的是，具有高热导率的W能降低涂层的表面温度。
[0010]综上所述，TaSi2、MoSi2或WSi2均有利于提高HfB2‑
SiC涂层的抗烧蚀性能，延长涂层的服役寿命。
[0011本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温抗烧蚀复合涂层，其特征在于，所述耐高温抗烧蚀复合涂层的组成包括：HfB2主相，SiC第二相，MSi2第三相；其中MSi2包括TaSi2、MoSi2和WSi2中的至少一种。2.根据权利要求1所述的耐高温抗烧蚀复合涂层，其特征在于，所述SiC第二相的含量为5～30 vol.%，优选为20～30 vol.%；所述MSi2的含量为5～20 vol.%，优选为5～10 vol.%；其中SiC的含量要大于MSi2的含量；所述HfB2主相的含量为50～90 vol.%，优选为60～75 vol.%；三者含量之和为100 vol.%。3.根据权利要求1或2所述的耐高温抗烧蚀复合涂层，其特征在于，所述耐高温抗烧蚀复合涂层的厚度为100～600 μm，优选为 200～400 μm。4.一种权利要求1
‑
3中任一项所述的耐高温抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：（1）按照体积比称量HfB2粉体、SiC粉体和MSi2粉体并混合，得到原料粉体；（2）采用等离子喷涂技...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，徐以祥，黄利平，洪督，黄山松，钟鑫，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：