【摘 要】
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本文以高超声速飞行器热防护系统对超高温（2000℃～2500℃）、抗氧化、零烧蚀材料的迫切需求为背景,开展了C/C复合材料表面IrHfx/Ir抗氧化涂层体系的设计、制备与抗烧蚀性能研究。设计了Re/SiC作为改性Ir涂层的粘接层和热膨胀过渡层,研究了二者间的热物理化学兼容性,揭示了SiC层改善C/C基体与Re层热物理兼容性的作用机制。基于实验和热力学计算研究,分析了Ir层表面的渗Hf过程,开发了基
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本文以高超声速飞行器热防护系统对超高温（2000℃～2500℃）、抗氧化、零烧蚀材料的迫切需求为背景,开展了C/C复合材料表面IrHfx/Ir抗氧化涂层体系的设计、制备与抗烧蚀性能研究。设计了Re/SiC作为改性Ir涂层的粘接层和热膨胀过渡层,研究了二者间的热物理化学兼容性,揭示了SiC层改善C/C基体与Re层热物理兼容性的作用机制。基于实验和热力学计算研究,分析了Ir层表面的渗Hf过程,开发了基于感应加热的固渗装置,优选了固渗工艺,制备了用于风洞烧蚀考核的IrHfx/Ir涂层试样。通过对有无热膨胀过渡层的两类C/C基体上IrHfx/Ir涂层体系的高频等离子体风洞与电弧加热风洞烧蚀考核,测定了IrHfx/Ir涂层的耐烧蚀极限,揭示了IrHfx/Ir涂层在不同风洞考核条件下的氧化机制与失效机理,评估了热膨胀过渡层对IrHfx/Ir涂层在模拟服役环境下抗烧蚀性能改善效果。主要研究工作及结论如下:研究并揭示了SiC层在缓解C/C复合材料基体与Re层间热失配问题的作用机制。采用喷涂-熔渗法制备的SiC层经氯气刻蚀后能够转变为同样呈疏松堆垛结构的连续碳（C’）层,该C’层的引入显著改善了Re层与C/C复合材料基体间的热失配问题,Re层表面残余应力由284.6MPa降低至211.5MPa,表面平均裂纹密度由引入前的5.4mm-1降低至2.9mm-1。研究了Ir涂层的渗Hf改性过程,开发了基于感应加热的固渗装置,制备获得了质量良好的Ir-Hf渗层。热力学计算结果表明,Ir-Hf固渗过程中以气固反应为主,在气相渗Hf过程中主要活性组分为Hf Cl2（g）和Hf Cl3（g）。基于感应加热的固渗装置实现了常压封闭体系和快速升温（升温速率～220℃/s）,提高了固渗反应时试样表面固渗活性组分的浓度,在优选制备工艺条件下,获得了总厚约为25μm、从内到外依次为Ir3Hf、IrHf、IrHf2的多层Ir-Hf金属间化合物渗层,渗层中各亚层厚度均匀、连续完整,界面清晰、结合良好。研究了IrHfx/Ir涂层在高频等离子体和电弧加热风洞中的烧蚀极限、氧化烧蚀行为及失效机理,评估了C’热膨胀过渡层对IrHfx/Ir涂层在模拟服役环境下抗烧蚀性能的改善效果。对IrHfx/Ir层烧蚀极限的研究表明,IrHfx/Ir涂层的耐温极限约为2400℃,其在极限烧蚀考核实验中的烧蚀破坏形式都为Ir层熔化引发的涂层流淌和Hf O2层撕裂。在高频等离子体风洞考核的高温（～2000℃）和低压（5～8k Pa）条件下,Ir-Hf涂层主要倾向于发生内氧化,形成Ir’+Hf O2的两相混杂结构;而在电弧加热风洞考核时极高温（～2400℃）及较高压（22.5k Pa）条件下,IrHfx/Ir涂层能够发生可形成致密Hf O2层的外氧化。C’过渡层的引入显著提高了涂层与C/C基体间的热物理兼容性和结合,在两种风洞考核中,有C’过渡层的IrHfx/Ir涂层均表现出与C/C复合材料基体的更优异的热物理兼容性。高频等离子体风洞考核中,有C’过渡层的IrHfx/Ir涂层试样通过了300s连续烧蚀考核,考核时最高温度2115℃,2035℃以上的烧蚀时间超过230s,试样线烧蚀速率低于1×10-7mm/s。
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