SiC晶須增韌硅化物及SiC-玻璃高溫防氧化涂層的研究.pdf

1、炭/炭(C/C)復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫性能，在航空航天等領(lǐng)域有極其廣闊的應(yīng)用前景。高溫易氧化是C/C復(fù)合材料作為熱結(jié)構(gòu)材料使用的瓶頸問題，而防氧化涂層是解決這一難題的有效手段。本文以研制C/C復(fù)合材料高溫防氧化涂層為研究目標(biāo)，采用包埋法、料漿法等制備了SiC晶須增韌硅化物涂層以及SiC/玻璃雙層涂層，借助XRD、SEM、EDS等測(cè)試手段分析了涂層的相組成、微觀形貌與元素分布，考察了涂層的防氧化與抗熱震性能，研究了熱震與氧化對(duì)涂層試件力學(xué)

2、性能的影響，并對(duì)涂層的防氧化機(jī)理與失效原因進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 采用兩次包埋法制備出SiC-CrSi<,2>雙相涂層，研究了該涂層的微觀結(jié)構(gòu)及防氧化性能，著重探討了Si/Cr比對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)及抗氧化性能的影響，表明CrSi連續(xù)相有效填充了SiC涂層中的孔隙與裂紋，提高了涂層的致密性；隨著包埋原料中Cr/Si質(zhì)量比的增大，涂層中SiC含量逐漸減少，CrSi<,2>連續(xù)相含量增加，裂紋尺寸增大；防氧化能力表現(xiàn)出先提高

3、后降低的趨勢(shì)。 采用料漿法與包埋法制備出SiC晶須增韌SiC-CrSi<,2>涂層，研究了SiC晶須含量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、抗氧化性能及抗熱震性能的影響；討論了SiC晶須增韌SiC/Si-Cr涂層試件在不同溫度下的氧化行為，并對(duì)涂層的氧化失效機(jī)制進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：隨著料漿中SiC晶須含量的增加，制備的SiC晶須增韌SiC-CrSi<,2>涂層裂紋尺寸減小，厚度降低，涂層中CrSi<,2>相含量先增后減，涂層防氧化能力表現(xiàn)出先提高

4、后下降的趨勢(shì)；當(dāng)SiC晶須含量為15wt.％時(shí)，涂層具有較好的防氧化與抗熱震性能，且該涂層在1500℃時(shí)表現(xiàn)出相對(duì)較好的防氧化能力，氧化50小時(shí)后涂層試件失重率僅為0.66％；涂層試件的氧化失重主要是由于在高溫H室溫的熱循環(huán)過程中氧通過涂層中的裂紋擴(kuò)散至基體表面氧化C/C所引起的。 采用料漿法與包埋法制備出SiC晶須增韌Si-SiC涂層，著重研究SiC晶須含量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、抗氧化性能及抗熱震性能的影響；并對(duì)涂層制備工藝進(jìn)行了優(yōu)

5、化，研究SiC晶須增韌Si-SiC涂層試件熱疲勞行為，分析涂層的氧化失效機(jī)制，結(jié)果表明：涂層中游離硅的存在有利于阻礙裂紋的擴(kuò)展，在涂層與基體界面處形成了一層SiC-C梯度過渡層；SiC晶須含量為10wt.％制備的SiC晶須增韌Si-SiC涂層具有優(yōu)良的防氧化性能，在1500℃靜態(tài)空氣中可對(duì)C/C復(fù)合材料有效保護(hù)310小時(shí)以上，在1600℃靜態(tài)空氣中可對(duì)C/C復(fù)合材料有效保護(hù)128小時(shí)；涂層試件經(jīng)歷1600℃靜態(tài)空氣3分鐘100℃沸水熱循

6、環(huán)50次后試件失重2.76％，彎曲強(qiáng)度保持率為74.5％，其失重和彎曲強(qiáng)度下降是由于C/C基體被氧氣和水蒸氣氧化引起的。 采用料漿法與包埋法相結(jié)合，在C/C復(fù)合材料表面制備出SiCw晶須增韌MoSi<,2>-SiC-Si多相涂層，探討了晶須含量、制備溫度等對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)及防氧化性能的影響規(guī)律，研究了涂層對(duì)試件力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示：當(dāng)SiCw含量為10wt.％，料漿法制備溫度為1800℃，包埋法制備溫度為2000℃所制備的涂層

7、具有較為理想的防氧化性能，1500℃靜態(tài)空氣中氧化240小時(shí)后的氧化失重率僅為0.33％；試件的彎曲強(qiáng)度提高，經(jīng)1500℃室溫?zé)嵴?0次以及1500℃氧化60分鐘后，涂層試件的彎曲強(qiáng)度保持率分別為81.97％和89.63％，涂層試件氧化后彎曲強(qiáng)度下降主要是由于環(huán)境中的氧通過涂層中的裂紋與孔洞等缺陷擴(kuò)散而氧化C/C基體所引起的。采用兩次包埋法制備出B<,2>O<,3>改性SiCw-MoSi<,2>-SiC涂層，研究了B<,2>O<,3>含

8、量對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)B<,2>O<,3>含量為5％時(shí)，涂層具有較好的防氧化能力，經(jīng)1500℃氧化242小時(shí)后試件增重0.18％。該涂層在1600℃→400℃變溫氧化階段防氧化能力較差的原因是涂層在800℃附近存在尺寸較大的開放性裂紋。 以硅溶膠為粘結(jié)劑，以B<,4>C和玻璃粉為主要原料，采用料漿法在C/C復(fù)合材料SiC內(nèi)涂層表面制備出適用于900℃防氧化的玻璃外涂層，研究了B<,4>C含量及SiC內(nèi)涂層結(jié)構(gòu)對(duì)涂層性能

9、的影響，分析了涂層的防氧化失效原因，結(jié)果顯示：B<,4>C含量為10wt．％以及SiC內(nèi)層為采用兩步包埋法制備的致密涂層時(shí)，SiC/玻璃涂層具有較好的防氧化性能，試件在900℃靜態(tài)空氣中氧化100小時(shí)后失重率僅為0.14％，玻璃涂層在氧化溫度下的緩慢揮發(fā)是涂層試件在氧化過程中表現(xiàn)為微量失重的主要原因。 采用料漿法在多孔β-SiC過渡層表面制備出適用于1300℃防氧化的玻璃密封層，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)及防氧化性能，分析了涂層氧化失

10、效機(jī)制。密封層的結(jié)構(gòu)為MoSi<,2>相分散于硼硅酸鹽玻璃相中;帶有β-SiC/玻璃密封層的C/C試件在1300℃的靜態(tài)空氣中氧化150小時(shí)以及經(jīng)20次1300℃→室溫急冷急熱循環(huán)后，涂層試樣的氧化失重率僅為1.07％；涂層試件的氧化主要是由于氧通過涂層中的裂紋擴(kuò)散至基體表面而氧化基體，以及部分區(qū)域的涂層脫落所引起的。 直接以SiO<,2>、B<,2>O<,3>、Al<,2>O<,3>等為原料，采用料漿法在C/C復(fù)合材料SiC內(nèi)

11、涂層表面制備出適用于1500℃防氧化的玻璃涂層，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)及防氧化性能，分析了涂層氧化失效機(jī)制。該涂層可在1500℃空氣中對(duì)C/C復(fù)合材料有效保護(hù)140小時(shí)，試樣失重率僅為0.98％；該涂層試件的氧化失重主要是玻璃涂層的開裂以及涂層表面氣孔的形成引起的。 分別對(duì)SiC晶須增韌Si-SiC/玻璃涂層及SiC晶須增韌MoS<,2>-SiC-Si/SiC/玻璃涂層的高溫抗沖刷性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，以上兩種涂層可在1500