C/C复合材料ZrB2基陶瓷涂层的制备及抗氧化性能研究

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C/C复合材料是一种重要的高温结构材料,具有密度低、热膨胀系数低、比强度高、抗热震性能优异等特点,可以应用于航空航天、医学等多种领域,是最具有发展前途的高温材料之一。但是C/C复合材料在温度高于450℃的有氧环境中会被快速氧化,导致机械性能大大下降,从而限制了它们作为高温结构材料的使用。涂层改性是提高C/C复合材料抗氧化性最有效的技术手段,以ZrB2为代表的超高温陶瓷(UHTCs)具有熔点高、化学稳定性好、抗热震及抗氧化性好等优点,被广泛地用作C/C复合材料抗氧化烧蚀涂层。包埋法和大气等离子喷涂法是两种常用的涂层制备方法,能够制备粘结性较好成分均匀的涂层试样,多用于陶瓷涂层制备中。本论文以C/C复合材料作为基体材料,SiC粘结层主要用来缓解ZrB2基陶瓷涂层与C/C复合材料之间的热失配问题。采用包埋法在C/C基体表面制备ZrB2-SiC涂层,研究不同包埋工艺(成分和温度)对涂层物相、结构、形貌、性能影响;采用大气等离子喷涂法制备了不同成分改性的ZrB2基陶瓷涂层(ZrB2-SiC、ZrB2-Ti B2),研究不同成分对ZrB2基陶瓷涂层形貌结构影响及其在1200℃的氧化失效行为。研究表明:Si含量分别为5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%的Zr、Si、B4C混合粉末在1800℃条件下制备的涂层表面形貌相似,由灰色?-SiC颗粒和白色团簇网状ZrB2颗粒组成,当Si含量为10 wt.%时制备的涂层抗氧化性能最好,在1200℃等温氧化1 h后失重率为5.43 wt.%;而在1600℃和1700℃制备的Si含量为10 wt.%的ZrB2-SiC涂层形貌发生了变化,生成了灰色团聚β-SiC相和弥散分布的白色ZrB2相,1700℃制备的涂层最为均匀致密,抗氧化性能最好,氧化1 h后失重率为1.43 wt.%。总的来说,包埋法制备ZrB2-SiC涂层工艺简单,但制备的涂层成分不均、致密性差,且涂层较薄,难以有效覆盖基体表面,较难发挥ZrB2-SiC涂层的抗氧化能力。采用大气等离子喷涂法制备的不同成分改性的ZrB2基陶瓷涂层,在1200℃等温氧化5 h后,ZrB2-SiC涂层仍有2.62 wt.%增重量,涂层抗氧化性能大幅度提升,主要由于SiC的添加降低了涂层热膨胀系数,缓解热失配,提升了涂层结合强度;而且氧化后形成致密的硼硅酸盐熔融玻璃表面,填充了涂层裂缝、孔洞,为基材提供更为优异的抗氧化防护。而ZrB2-Ti B2涂层表现出较差的抗氧化性,氧化5 h后,失重量达到18.76 wt.%,ZrB2-Ti B2涂层极差的抗氧化性是因为Ti B2的引入改变了涂层的形貌,氧化后形成疏松多孔的组织结构,无法有效隔绝氧气。
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