碳基材料表面高溫抗氧化多層復(fù)合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳基材料表面高溫抗氧化多層復(fù)合涂層及其制備方法。該多層復(fù)合涂層設(shè)于碳基材料基體表面，包括由下至上依次布設(shè)的Re過渡層、Ir涂層和Ir-Al涂層。制備方法包括將碳基材料處理得到碳基材料基體，然后沉積Re過渡層，接著采用熔鹽電鍍法在Re過渡層上制備Ir涂層，再經(jīng)固體粉末滲鋁處理，得到碳基材料表面高溫抗氧化多層復(fù)合涂層。本發(fā)明的多層復(fù)合涂層抗氧擴(kuò)散性好、抗氧化性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)碳基材料高溫抗氧化防護(hù)，制備方法工藝簡(jiǎn)單、沉積速度快、對(duì)基體形狀適應(yīng)性強(qiáng)且能夠使涂層厚度均勻。
【專利說明】碳基材料表面高溫抗氧化多層復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及表面涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種碳基材料表面高溫抗氧化多層復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳基材料如石墨、碳/碳復(fù)合材料等具有低的密度和熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，且其強(qiáng)度隨溫度升高不降反升，是很有前景的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，因而在航空、航天、核能及其他工業(yè)領(lǐng)域受到極大矚目。然而碳在較高溫度下(400°C以上)極易與氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其力學(xué)性能明顯下降，極大限制了其作為高溫結(jié)構(gòu)材料在高溫氧化性環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。因此，碳基材料的高溫抗氧化防護(hù)是實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]涂覆抗氧化涂層被認(rèn)為是解決碳基材料高溫氧化防護(hù)的有效手段。由于目前尚未找到可以徹底保護(hù)碳基材料免受高溫氧化的單一涂層材料，多層復(fù)合涂層成為了人們的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。由于SiC與碳基材料良好的物理和化學(xué)兼容性，一般被用作過渡層，然后再在其上進(jìn)一步施加其他保護(hù)層，如MoSi2、Si3N4^ HfSi2^ffSi2等,這些材料可以在高溫下氧化形成氧滲透率極低的SiO2玻璃相，并且依靠其在高溫下的流動(dòng)性，封填涂層中的裂紋和孔洞，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)碳基體的效果。然而，SiO2的上限使用溫度不超過1700°C，因此這類涂層保護(hù)的碳基材料最高使用溫度一般不超過1800°C。 [0004]為了提高碳基材料的使用溫度，需要選擇具有更高使用溫度的氧擴(kuò)散阻擋材料及抗氧化材料。金屬銥(Ir)具有高熔點(diǎn)(2440°C)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、已知材料中最低的氧滲透率，十分適合作為高溫氧化性環(huán)境中使用的氧擴(kuò)散阻擋層。然而，Ir和碳在高溫下不反應(yīng)，且碳在Ir中的固溶度很低，因此Ir涂層在碳基材料上僅為較弱的機(jī)械結(jié)合，二者間熱膨脹系數(shù)的差異還會(huì)導(dǎo)致碳基材料上Ir涂層的開裂甚至剝落，因此，需要在Ir涂層及碳基材料間添加粘結(jié)層以增強(qiáng)其結(jié)合強(qiáng)度。Zhu等人采用化學(xué)氣相沉積錸(Re)涂層作為Ir涂層和碳基材料間的過渡層，顯著增加了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并部分緩解了熱應(yīng)力，表明了難熔金屬Re和Ir及碳基材料間具有良好的物理和化學(xué)兼容性[Zhu L.et al.，Rheniumused as an interlayer between carbon-carbon composites and iridium coating:adhesion and wettability.Surface and Coatings Technology.2013; DO1: 10.1016/j.surf coat.2013.07.013] 0
[0005]此外，純Ir在高溫氧化性環(huán)境中不斷氧化形成揮發(fā)性氧化物IrO2和IrO3,而非保護(hù)性氧化膜，抗氧化性略差，因此，需要在其上涂覆抗氧化層，該層能夠在氧化時(shí)顯著降低Ir涂層的揮發(fā)損失,提高其抗氧化性。Fortini等人采用等離子噴涂工藝在Ir涂層上制備了致密的HfO2層，該層一方面起到熱障層的作用，降低了 Ir涂層表面的溫度，另一方面阻擋了 Ir涂層和氧的直接接觸，降低了其氧化揮發(fā)速率，顯著提高了 Ir涂層的使用溫度和壽命[Fortini A.J.and Tuffias R.H., Advanced materials for chemical propulsion:oxide-1ridium/rhenium combustion chambers, in: 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE JointPropulsion Conference and Exhibit, AIAA, Los Angeles, 1999, 1-11]。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是一旦HfO2層發(fā)生剝落，Ir涂層將出現(xiàn)局部過熱，進(jìn)而導(dǎo)致Ir涂層快速失效。較為理想的抗氧化外層應(yīng)該具有“自愈合”功能，即在高溫氧化性環(huán)境中可以不斷氧化產(chǎn)生致密的氧化物外層，即使涂層表面出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，也能迅速被氧化產(chǎn)生的氧化物層填補(bǔ)和覆蓋。研究人員對(duì)Ir-Hf、Ir-Zr, Ir-La及Ir-Al合金進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Ir-Al合金涂層顯示出最優(yōu)異的抗氧化性，該合金在1600°C時(shí)的抗氧化性比純Ir高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[Lee K.and Worrell W.，The oxidation of iridium-aluminum and iridium-hafniumintermetallics at temperatures above 1550°C.0xidation of Metals.1989; 32:357-369][Cong X.，Chen Z.，Wu W., Chen Z.，Edmond Boafo F.，Co-deposition ofIr—containing Zr coating by double glow plasma.Acta Astronautica.2012; 79:88-95] [Clift W.M., McCarty K.F.，Boehme D.R.，Deposition and analysis of Ir-Alcoatings for oxidation protection of carbon materials at high temperatures.Surface and Coatings Technology.1990; 42: 29-40]。Lee 和 Worrell 的研究表明，對(duì)于Ir-Al合金來說，形成連續(xù)Al2O3層所需的Al含量須高于55at.%，即富Al的Ir-Al金屬間化合物最適合作為抗氧化涂層材料[Lee K.and Worrell W.，The oxidationof iridium-aluminum and iridium-hafnium intermetallics at temperatures above1550°C.0xidation of Metals.1989; 32: 357-369]。Anderson 和 Richards 通過先后交替減射Al和Ir層并熱處理的方法獲得了 Ir-Al涂層[Anderson D.R.，et al.，Analysis of iridium-aluminum thin films by χ-ray photoelectron spectroscopyand Rutherford backscattering spectroscopy.Journal of Vacuum Science &Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films.1990; 8: 2251-2254] [Richards M.R.，Process development for IrAl coated SiC-C functionally graded material for theoxidation protection graphite, in: University of Washington, Seattle, 1996， pp.292]。Clift釆用分離靶材(兩個(gè)Al靶和一個(gè)Ir靶)同時(shí)濺射沉積Ir和Al，在石墨表面制備了富 Al 的 Ir-Al 涂層[Clift W.M., et al.，Deposition and analysis of Ir-Alcoatings for oxidation protection of carbon materials at high temperatures.Surface and Coatings Technology.1990; 42: 29-40] oWen等提出了在Re基體表面制備單層IrAl涂層的方法，該方法由兩步組成，即首先化學(xué)氣相沉積Ir涂層，然后固滲Al [聞名等.銥鋁高溫抗氧化涂層的制備方法.
【發(fā)明者】白書欣, 張虹, 葉益聰, 朱利安 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)