C/C复合材料表面CoNiCrAlTaHfY/Co涂层及其高温氧化性能研究

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C/C复合材料是碳纤维增强的碳基材料体系,因其具有耐热性高、摩擦性能高并稳定、力学性能和物理性能高而代替了高速飞机和重载飞机制动装置中的其他材料。但C/C复合材料在温度高于500℃会迅速氧化并且氧化速率随着氧化温度的升高而迅速增大,严重限制了该材料的广泛应用,基体改性和抗氧化涂层均可有效提高C/C复合材料的高温抗氧化性能。本文采用微波等离子化学气相沉积技术和双辉等离子表面冶金(双辉渗金属)技术,在对C/C复合材料表面进行H2+Ar表面刻蚀和制备Co过渡层的基础上,制备CoNiCrAlTaHfY/Co多元复合涂层,通过优化刻蚀、渗Co及CoNiCrAlTaHfY共渗工艺参数,对其组织、成分、结构及其与基体结合强度进行分析,探讨C/C复合材料基材和CoNiCrAlTaHfY/Co多元复合涂层在600℃、800℃、1000℃的氧化性能和机制。研究结果表明:采用微波等离子化学气相沉积技术,对C/C复合材料刻蚀120 min,包裹在碳纤维的表层碳基体基本被刻蚀掉,顶部呈尖锐的薄壁管状,刻蚀仅发生在基材表面,对C/C复合材料基体未产生损伤。在未刻蚀的C/C复合材料表面直接制备的Co NiCrAl TaHfY多元涂层与基体界面处形成碳化铬的富集,造成涂层与基体间的热膨胀系数不匹配,导致涂层出现贯穿裂纹甚至局部剥落。在刻蚀表面形成的CoNiCrAlTaHfY多元涂层表面裂纹数量和尺寸明显减少,CoNiCrAlTaHfY多元涂层与基体结合得到改善。用双辉渗金属技术在刻蚀后的C/C复合材料表面制备Co过渡层进一步改善CoNiCrAlTaHfY多元涂层与基体的结合强度,所形成的Co涂层厚度约18μm,以柱状晶方式生长,柱状晶之间界面明显但结合紧密。在Co涂层表面进行Co NiCrAl TaHfY多元共渗,在C/C复合材料表面形成CoNiCrAlTaHfY/Co多元复合涂层。复合涂层厚度约为30μm,由小颗粒聚集而成的小岛组成,组织致密且成分分布均匀,复合涂层元素含量分布均匀,涂层物相比较复杂,主要包括CrCoTa,Al2Ta,Cr2Ta,AlxCry,Al Co2Ta,Co,AlxNiy等。CoNiCrAlTaHfY/Co涂层在600℃、800℃、1000℃空气中抗氧化性能明显提高,在1000℃氧化240 min后CoNiCrAlTaHfY/Co涂层失重率仅仅为0.8%,氧化过程中涂层表面形成Al2O3、Cr2O3等致密的保护层,阻挡氧的扩散,且Ta、Hf、Y元素的氧化物通过钉扎作用提高氧化层的结合性能,减缓涂层失效速率。
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