高溫碳化硅陶瓷涂層的制備和性能

趙天晨,李鵬飛,王政鑫,王洪達,馬瑞廷

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

高溫碳化硅陶瓷涂層的制備和性能

趙天晨,李鵬飛,王政鑫,王洪達,馬瑞廷

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

采用涂刷法與氬弧焊熔覆技術(shù)相結(jié)合方法,在碳/碳復(fù)合材料表面制備碳化硅(SiC)涂層,用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)等技術(shù)對SiC涂層的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成進行了表征。測試SiC陶瓷涂層的抗氧化性能和耐燒蝕性能。結(jié)果表明:在原料組分n(SiC)∶n(Si)=1∶0.5時,涂刷預(yù)涂層0.6～1mm,氬弧焊電流135A時,碳/碳復(fù)合材料表面形成SiC涂層。掃描電鏡照片顯示涂層與基體結(jié)合良好。在1600℃下SiC涂層氧化增重僅為0.8%;氧乙炔火焰燒蝕測試表明制備的SiC陶瓷涂層有良好的耐燒蝕性。

陶瓷涂層;氧化性能;燒蝕性能

碳/碳復(fù)合材料性能優(yōu)異,是航空航天領(lǐng)域十分重要的材料,它不但具有密度小、比強度大、線脹系數(shù)低、導(dǎo)熱導(dǎo)電能力高、耐腐蝕、摩擦因數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點,而且還具有一系列優(yōu)異的高溫性能,如耐燒蝕、抗熱震、熱穩(wěn)定性好等特點,特別是在超過2000℃的高溫環(huán)境中,它仍具有良好的強度保持率,是一種理想的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料[1]。但是作為熱結(jié)構(gòu)材料,碳/碳復(fù)合材料一般都是在高溫有氧環(huán)境中使用,在超過400℃有氧環(huán)境中易氧化的缺點會導(dǎo)致其力學(xué)性能及各項物理化學(xué)性能迅速下降[2]。因此,穩(wěn)定持久的抗氧化防護已成為制約碳/碳復(fù)合材料工程化應(yīng)用的關(guān)鍵,導(dǎo)致高溫抗氧化涂層研究一直是熱結(jié)構(gòu)碳/碳復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點和難點[3-5]。

目前,碳/碳復(fù)合材料表面碳化硅涂層的制備主要有化學(xué)氣相沉積法,包埋法,刷涂反應(yīng)法等。成來飛等[6]采用化學(xué)氣相沉積法在碳/碳復(fù)合材料表面制備了SiC多層涂層,將碳/碳復(fù)合材料的抗氧化性能提升到1250℃。侯黨社等[7]采用包埋法先制得了SiC涂層,然后用Si、Ta、Mo混合粉對SiC涂層進行包埋浸滲,最終在碳/碳復(fù)合材料表面制備了SiC-TaSi2/MoSi2復(fù)合涂層,該涂層試樣在1500℃氧化326h,且經(jīng)23次循環(huán)熱震后,失重率僅為0.97%。張雨雷等[8]采用Si-Mo刷涂反應(yīng)法對制備的SiC涂層碳/碳試樣進行改性,得到了抗氧化性能優(yōu)異的SiC/Si-Mo復(fù)合涂層,該涂層試樣在1500℃的空氣氧化環(huán)境中,經(jīng)100h高溫氧化和40次的熱震循環(huán)后,失重率只有2.16%。

本文采用涂刷法與氬弧焊熔覆技術(shù)相結(jié)合方法在碳/碳復(fù)合材料表面制備碳化硅涂層,考察了碳化硅涂層的抗氧化性能和耐燒蝕性能。

1 實驗方法

1.1 制備方法

詳細制備過程如下:首先稱量SiC和Si粉末放于燒杯中,用磁力攪拌器將二者充分?jǐn)嚢杈鶆?然后加入去離子水,并充分?jǐn)嚢璩烧吵頎?將粘稠狀液體均勻涂在基體材料表面,預(yù)置涂層厚度為0.6～1mm。預(yù)置涂層試樣要先在空氣自然干燥(大約4～5h)后放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行烘干處理(烘干爐溫度80℃、保溫l0h以上)。取出后采用氬弧焊機熔敷焊接制備了碳化硅高溫陶瓷涂層。

1.2 測試方法

SiC陶瓷涂層的物相組成采用D/max-RB型X射線衍射儀(XRD,CuKα輻射,靶電壓:40kV,靶電流:100mA。采用θ-2θ步進掃描方式,步長0.02°,掃描速度7°/min)來分析。涂層的表面形貌采用JXA-840型掃描電子顯微鏡(加速電壓20.0kV)進行表征。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“GJB323A-96”燒蝕材料燒蝕實驗方法測試SiC涂層的耐燒蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1為碳/碳復(fù)合材料表面SiC涂層的XRD圖譜。由XRD圖譜可以看出,出現(xiàn)了β-SiC的特征峰(2θ=35.6°,41.1°,60.6°),與SiC的XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜完全一致,說明經(jīng)過氬弧焊高溫作用下,原料中的單質(zhì)Si與基體C發(fā)生了反應(yīng)生成β-SiC。β-SiC的生成,是由C原子進入到了Si的晶胞中,將Si晶胞中Si原子置換出去形成了β-SiC,提高SiC-Si體系中硅的含量,有利于促進涂層與基體之間的β-SiC相的形成,從而起到保護基體的作用。同時譜圖中還出現(xiàn)了單質(zhì)Si的特征衍射峰(2θ=28.5°,56.1°),表明還有少量的單質(zhì)Si沒有反應(yīng)。

圖1 碳/碳-SiC復(fù)合材料的涂層XRD圖譜

2.2 形貌分析

圖2 為包埋法與氬弧熔敷結(jié)合工藝制備的SiC涂層的SEM照片。如圖2所示,涂層表面分布著不同尺寸的顆粒,X射線衍射圖譜分析表明,這些顆粒是β-SiC顆粒。高溫下硅擴散到基體中和石墨反應(yīng),形成了一個新的碳化硅相。這些新形成的碳化硅顆粒較小,與原材料中大的層狀結(jié)構(gòu)的碳化硅是不同的。正是這些后形成的小碳硅顆粒,把原來的大碳化硅結(jié)合在一起形成薄膜層組織?？梢姳砻娴念w粒大小不均勻,有少量的空間在顆粒表面堆積,涂層表面不光滑;在大顆粒物質(zhì)中,點綴著一些明亮顏色的,邊緣銳利的物質(zhì);大顆粒之間也存在無固定形狀的顏色較亮的物質(zhì)。

圖2 碳/碳-SiC復(fù)合材料涂層的SEM照片

2.3 抗氧化性能

表1和表2給出了在1400℃和1600℃下各涂層氧化結(jié)果數(shù)據(jù),根據(jù)表1和表2給出的數(shù)據(jù),根據(jù)下面公式:

(1)

式中:△m為試樣單位面積上增重,mg/mm2;ml為試樣原始質(zhì)量,mg;m2為試樣氧化后的質(zhì)量,mg;S為試樣表面積,mm2。

表1 碳/碳-SiC涂層在1400℃下氧化4h的質(zhì)量數(shù)據(jù)

表2 碳/碳-SiC涂層在1600℃下氧化4h的質(zhì)量數(shù)據(jù)

圖3為四個試驗單位面積的增重率,結(jié)果表明,在1400℃下高溫氧化4h,SiC陶瓷涂層質(zhì)量變化不大,氧化增重不明顯。在1600℃高溫下氧化4h后涂層質(zhì)量增加僅為0.8%。表明碳化硅陶瓷涂層非常穩(wěn)定,具有良好的抗氧化效果。

圖3 碳/碳復(fù)合材料表面SiC涂層的單位面積失重率

2.4 耐燒蝕性能

采用下面公式計算試樣的質(zhì)量燒蝕率。

(2)

式中:Rm為試樣質(zhì)量燒蝕率,mg/s;t為燒蝕時間,s。由計算結(jié)果可以得出,實驗中所制得的SiC涂層的平均質(zhì)量燒蝕率為10.3mg/s,說明SiC涂層具有較好的耐燒蝕性。

表3 試樣的質(zhì)量燒蝕率

2.5 機理分析

在高溫環(huán)境下碳/碳-SiC復(fù)合材料的熱力學(xué)行為和室溫有下時有本質(zhì)區(qū)別[9-10]。SiC在燒蝕過程中發(fā)生下面化學(xué)變化。

SiC+2O2=SiO2+CO2

SiC高溫陶瓷涂層改善基體的高溫?zé)g性能,主要是因為SiC高溫陶瓷涂層在高溫下形成玻璃相的SiO2氧化膜,相互凝聚粘結(jié)在涂層表面,形成致密的、連續(xù)的和均勻的氧化膜,由于玻璃相的SiO2具有良好的表面潤濕性和愈合性能,它可以防止外部熱量擴散到基體內(nèi)部,因而讓其涂敷在SiC高溫陶瓷涂層表面使涂層具有很好的耐燒蝕性。

3 結(jié)論

(1)采用涂刷法與氬弧焊熔覆技術(shù),成功地在碳/碳復(fù)合材料表面制備SiC涂層,所制備涂層組分分布均勻,結(jié)合力強;

(2)通過抗氧化試驗和氧乙烷火焰燒蝕試驗,測試SiC涂層的抗氧化性能和耐燒蝕性能,所制備涂層完整,表明涂層具有良好的抗氧化燒蝕性能。

[1]黃伯云,熊翔.高性能炭炭航空制動材料的制備技術(shù)[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2006:1-2.

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(責(zé)任編輯：王子君)

ThePreparationandPropertiesoftheSiCHighTemperatureCeramicCoatings

ZHAO Tianchen,LI Pengfei,WANG Zhengxin,WANG Hongda,MA Ruiting

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The SiC high temperature ceramic coatings were prepared on the C/ C composite surface by brushing method and TIG welding process,and the obtained ceramic coatings were characterized using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM).The oxidation resistance and ablation resistance of the high ceramic coatings were also measured.The results show the SiC coatings can be obtained whenn(SiC)∶n(Si) is 1∶0.5,the pre-coatings brushing is 0.6mm and the TIG welding current is 135A.SEM analysis showed that the SiC coating was well combined with the graphite matrix.The oxidation weight gain of the SiC coatings was only 0.8% at 1600 ℃.The oxyacetylene flame ablation tests show that the SiC coatings have good ablation resistance.Keywordsceramic coatings;oxidation resistance;ablation resistance

2016-12-20

2017年沈陽市科技計劃基金資助項目(17-106-6-00)；2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練基金資助項目(201610144055)

趙天晨(1995—)，男，本科生；通訊作者：馬瑞延(1968—)，男，副教授，研究方向：碳/碳復(fù)合材料及性能研究。

1003-1251(2017)04-0054-03

TB332

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