SAPS 工藝中電流和電壓對(duì)HfC 涂層結(jié)構(gòu)形貌的影響

楊旸，李克智，趙春，王杰

（1 運(yùn)城學(xué)院，應(yīng)用化學(xué)系，運(yùn)城，044000；2 西北工業(yè)大學(xué)，碳碳復(fù)合材料研究中心，西安，710021)

0 引言

碳/碳(C/C)復(fù)合材料是以石墨化的碳為基體，以碳纖維做為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，在高溫下具有高強(qiáng)度、良好的斷裂韌性和耐磨性能等優(yōu)異的力學(xué)性能[1]?；谄湓诹W(xué)性能上的優(yōu)點(diǎn)，C/C 復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[2,3]。但是，C/C 復(fù)合材料也存在一個(gè)重要的缺點(diǎn)：高溫環(huán)境下易氧化。碳材料在空氣中370 ℃即可發(fā)生氧化，且隨著溫度的升高，氧化程度愈加劇烈[4]，材料的力學(xué)性能也會(huì)隨之降低，這將造成嚴(yán)重的后果[5]。

涂層技術(shù)能夠在高溫有氧的環(huán)境下保護(hù)C/C復(fù)合材料免遭破壞，其原理是利用涂層阻隔高速氣流以及氧氣與C/C 復(fù)合材料基體的直接接觸，避免基體直接遭受沖刷和氧化，從而提高C/C 復(fù)合材料的抗氧化及抗燒蝕性能[6-9]。Sun 等[10]在常壓條件下，通過化學(xué)氣相沉積法在C/C 復(fù)合材料表面制備了ZrC 涂層。該方法制備的ZrC 涂層與基體具有良好的結(jié)合力，在經(jīng)過240 s 的氧乙炔燒蝕后，涂層質(zhì)量燒蝕率為1.1×10-4g/cm2·s；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燒蝕過程中產(chǎn)生的ZrO2涂層能有效地阻止氧的擴(kuò)散。

HfC 做為一種超高溫陶瓷材料，其熔點(diǎn)達(dá)到了3890 ℃，是已知的單一化合物中熔點(diǎn)最高的材料[11]，并且具有高硬度、良好的耐蝕、耐熱及化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗燒蝕性能，選用該材料做為C/C 復(fù)合材料的保護(hù)涂層，能夠進(jìn)一步地改善C/C 復(fù)合材料材料的抗燒蝕性能[12]。目前制備HfC涂層的方法主要有液相法、化學(xué)氣相沉積法、等離子噴涂法等[13-15]。其中，采用超音速等離子噴涂技術(shù) (SAPS) 制備涂層具有沉積效率高、結(jié)合力好、結(jié)構(gòu)致密、工藝穩(wěn)定、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[16,17]。另外，等離子電弧溫度高、噴射速度快，特別適用于噴涂高熔點(diǎn)的HfC 基超高溫陶瓷涂層材料[18,19]。

本文采用超音速等離子噴涂法在包埋有SiC內(nèi)涂層的C/C 復(fù)合材料表面制備了HfC 涂層，結(jié)合XRD、SEM、粗糙度分析、聲發(fā)射-載荷劃痕測(cè)試等測(cè)試手段，分析了SAPS 各工藝參數(shù)中噴涂電流和電壓對(duì)制備出的HfC 涂層的組分、形貌、結(jié)構(gòu)等的影響。通過氧乙炔火焰，對(duì)不同涂層的燒蝕性能進(jìn)行了測(cè)試，并研究了燒蝕后涂層結(jié)構(gòu)和形貌的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 包埋法制備SiC 內(nèi)涂層

按一定的質(zhì)量比稱取Si 粉、C 粉，經(jīng)球磨后取出；將清洗好的C/C 試樣與混合好的粉料一起放入石墨坩堝中，并確保試樣完全被粉料均勻包裹；將石墨坩堝放入高溫真空燒結(jié)爐，在1900～2300 ℃保溫8 h，得到包埋有SiC 涂層的試樣[20]。

圖1 是不同方法制備的SiC 涂層的X 射線衍射圖譜和表面形貌照片。包埋法制備的SiC 涂層主要由α-SiC 和部分的游離硅構(gòu)成。該方法制備的SiC 涂層由于合成溫度較高(2000℃～2300℃)，所以SiC 主要以α 相為主。SiC 涂層主要由塊狀的SiC 顆粒和團(tuán)聚后的游離Si 構(gòu)成，涂層表面沒有裂紋產(chǎn)生，但堆積的SiC 顆粒間出現(xiàn)一些明顯的氣孔；另外，可以明顯地觀察到SiC 涂層的表面粗糙度較大，有利于增加與外涂層的接觸面積，形成較強(qiáng)的結(jié)合力。另外，SiC 內(nèi)涂層有利于緩解C/C 復(fù)合材料基體和HfC 外涂層間熱膨脹系數(shù)的不匹配，防止涂層在制備以及燒蝕過程中的開裂[21]。

圖1 SiC 涂層：(a)X 射線衍射圖譜；(b)表面形貌Fig.1 SiC coating: (a)XRD patterns, (b)surface morphology

1.2 HfC 涂層的制備

在制備HfC 涂層前，需采用噴霧造粒法對(duì)HfC 粉料進(jìn)行造粒處理，確保噴涂過程中粉料的流動(dòng)性。圖2 是經(jīng)過噴霧造粒后的HfC 粉料的X射線衍射圖譜和微觀形貌。從圖2(a)中的HfC 粉料的衍射曲線可以看出，造粒后粉料由單一的立方相HfC 構(gòu)成，與JCPDS 卡片No. 03-065-0964一致，說明造粒過程中HfC 粉料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，未發(fā)生組分和結(jié)構(gòu)的變化。另外，從圖2(b)中可以看出，造粒后的HfC 粉料呈球狀結(jié)構(gòu)，粒徑為50～60μm，這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證在噴涂時(shí)粉料具有良好的流動(dòng)性，通過送粉器順利進(jìn)入噴槍。由于造粒時(shí)粉料之間由粘結(jié)劑連接在一起，結(jié)合力較差，因此在造粒后仍會(huì)有部分的破碎顆粒。

圖2 造粒后HfC 粉料：(a)X 射線衍射圖譜；(b)微觀形貌Fig.2 The HfC powders after spraying: (a)XRD patterns, (b)micromorphology

以造粒后的HfC 顆粒為前驅(qū)物，采用超音速等離子噴涂法在試樣表面制備HfC 涂層，具體的噴涂工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 超音速等離子噴涂制備HfC 涂層的工藝參數(shù)Table1 Details of the SAPS parameters for HfC coatings

1.3 結(jié)構(gòu)和性能表征

采用X'Pert Pro MPD 型X 射線衍射分析儀(XRD)對(duì)涂層物相的組成、晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。采用JSM6460 型掃面電子顯微鏡對(duì)涂層的厚度以及界面、涂層表面及截面顯微形貌進(jìn)行分析。采用VL2000DX 型激光共聚焦顯微鏡，對(duì)涂層的表面粗糙度進(jìn)行表征，并模擬出樣品的三維立體形貌。

在OA-III 型氧乙炔燒蝕機(jī)上對(duì)HfC 及其復(fù)合涂層的抗燒蝕性能進(jìn)行測(cè)試。針對(duì)不同的涂層材料，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行燒蝕測(cè)試，測(cè)試中熱流密度及氧氣、乙炔氣的氣壓、流量等數(shù)據(jù)如表2 所示。燒蝕槍口的噴嘴直徑為2mm，試樣放置在通有冷卻水的銅套中，燒蝕過程中噴嘴與燒蝕試樣表面的距離為10mm，氧乙炔火焰以90°角沖擊尺寸為Φ30×10 mm 的圓形試樣中心。燒蝕時(shí)間為60s。

表2 氧乙炔火焰的參數(shù)Table2 Parameters of the oxyacetylene torch

使用質(zhì)量燒蝕率(Rm)對(duì)涂層的燒蝕性能進(jìn)行衡量，其計(jì)算公式如下所示：

Rm＝(m1-m2)/t

其中：Rm—質(zhì)量燒蝕率(mg/s)

m1—燒蝕前試樣的質(zhì)量(mg)

m2—燒蝕后試樣的質(zhì)量(mg)

t—被測(cè)試樣的燒蝕時(shí)間(s)

每組燒蝕均對(duì)3 個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，燒蝕結(jié)果取3 次測(cè)試的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂電流對(duì)HfC 結(jié)構(gòu)和形貌的影響

在電壓為130 V 的條件下，分別采用360 A、400 A、440 A 的電流制備了不同的HfC 涂層，并分別標(biāo)記為C1、C2、C3（其他工藝參數(shù)不變）。

圖3 是制備出的HfC 涂層的XRD 圖譜?？梢钥闯觯煌嚇拥难苌淝€較為相似，各涂層均由HfC 和HfO2相組成。與圖2 相比，涂層中開始出現(xiàn)兩種氧化物的衍射峰，分別為m-HfO2和o-HfO2。噴涂過程在空氣環(huán)境下進(jìn)行，粉料不可避免的要與空氣接觸，高溫熔融的顆粒從噴嘴飛出后與氧氣發(fā)生反應(yīng)并被氧化，因此涂層中會(huì)有m-HfO2相的存在；而o-HfO2則是因?yàn)楦咚亠w行的粉料與基體撞擊產(chǎn)生了較大的壓力，從而引起了晶型的改變[22]。隨著噴涂電流的升高，m-HfO2的特征峰強(qiáng)度明顯地增加。這是因?yàn)閲娡侩娏鞯脑黾右鹆藝娡窟^程中的溫度升高，導(dǎo)致HfC 的氧化程度增加。

圖3 不同電流參數(shù)制備的HfC 涂層的X 射線衍射圖譜Fig.3 XRD patterns of the HfC coatings prepared with different currents

通過激光共聚焦顯微鏡測(cè)得C1、C2、C3涂層的表面粗糙度Ra 分別為7.479±0.005μm、5.632±0.007μm、4.046±0.004μm，表現(xiàn)出隨電流的增加依次減小的趨勢(shì)。同時(shí)，從試樣的三維表面形貌圖（圖4）上可以看出，涂層表面形貌起伏隨電流的增加而減小，說明涂層表面逐漸平整，有利于形成更加致密的表面結(jié)構(gòu)。

圖4 不同噴涂電流制備的HfC 涂層的表面三維形貌：(a)C1 涂層；(b)C2 涂層；(c)C3 涂層Fig.4 3D surface morphology of the HfC coatings prepared with different currents: (a) C1 coating, (b) C2 coating, (c) C3 coating

從圖5 中可以看出， C1 涂層表面形成了較多的顆粒堆積區(qū)域，并且存在較多的氣孔。這是由于噴涂粉料未能完全熔融形成液滴，而是以顆粒的形式堆積在試樣表面。HfO2在冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)相變并導(dǎo)致體積膨脹[21]，并且涂層表面也會(huì)因熱脹冷縮而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而引起裂紋的出現(xiàn)[23]。由于C1 涂層中氧化物含量較少，在涂層的表面并未發(fā)現(xiàn)裂紋。

隨著噴涂電流的提高，C2 涂層表面的完全熔融區(qū)域增加，氣孔數(shù)量減少，并且也未發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生。由于噴涂電流的提高，電弧的溫度也因此升高，能夠確保更多的粉料以熔融液滴的形式撞擊在試樣表面后并擴(kuò)展，從而形成更多的熔融區(qū)域并填充一些顆粒堆積形成的氣孔，減少了顆粒堆積結(jié)構(gòu)的區(qū)域。

當(dāng)噴涂電流增加至440 A 時(shí)，C3 涂層的表面出現(xiàn)了明顯的裂紋。當(dāng)電流進(jìn)一步增加后，電弧溫度繼續(xù)升高，造成HfC 粉料更加劇烈的氧化，氧化物HfO2在冷卻時(shí)的體積變化也會(huì)造成涂層表面出現(xiàn)裂紋；同時(shí)，涂層在冷卻過程中更劇烈地收縮并產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。因此，涂層表面的裂紋逐漸增多。

圖5 不同電流參數(shù)制備的HfC 涂層的表面顯微形貌：(a) C1 涂層；(b) C2 涂層；(c)C3 涂層 Fig.5 Surface morphology of the HfC coatings prepared with different currents: (a) C1 coating, (b) C2 coating, (c) C3 coating

不同噴涂電流制備的HfC 涂層的截面背散射顯微形貌如圖6 所示?？梢钥闯?，不同的HfC 涂層的厚度相差較小，均在80～100μm 之間，且與SiC 內(nèi)涂層的連接都較為良好，無明顯缺陷。噴涂過程中，由于噴槍內(nèi)部溫度較高，超過了HfC的熔點(diǎn)，因此，會(huì)有少量粉料的蒸發(fā)。隨著噴涂電流的增大，噴槍內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，粉料蒸發(fā)速率加快，造成了噴涂粉料的損失，因此涂層厚度有微量的減小。

圖6 不同噴涂電流制備的HfC 涂層的截面背散射顯微形貌：(a) C1 涂層；(b) C2 涂層；(c) C3 涂層Fig.6 Cross-section backscatter micrographs of the HfC coatings prepared with different currents:(a) C1 coating, (b) C2 coating, (c) C3 coating

2.2 噴涂電流對(duì)HfC 涂層燒蝕性能的影響

表3 是不同噴涂電流制備的HfC 涂層經(jīng)過60 s 燒蝕后的質(zhì)量燒蝕率。由于燒蝕過程中涂層中碳化物被氧化并生成HfO2，造成涂層質(zhì)量有所增加；C2 涂層在經(jīng)過60 s 的燒蝕后，其質(zhì)量燒蝕率為-0.28 mg/s。由于C1 和C3 涂層表面缺陷較多，在燒蝕過程中氧氣容易通過涂層表面的氣孔和裂紋滲透進(jìn)入涂層內(nèi)部，引起內(nèi)部碳化物的氧化，造成涂層質(zhì)量增加更為明顯。

表3 不同噴涂電流制備的HfC 涂層的燒蝕性能Table 3 Ablation property of the HfC coatings prepared with different currents

采用氧乙炔火焰對(duì)不同噴涂電流制備的HfC涂層的抗燒蝕性能進(jìn)行了研究。圖7 是不同的HfC 涂層經(jīng)過60s 的燒蝕后的XRD 曲線?？梢钥闯?，燒蝕后的涂層主要由HfO2組成。說明經(jīng)過60s 的燒蝕后，涂層中的HfC 已經(jīng)完全氧化涂層表面被完全氧化為HfO2，沒有碳化物的殘留，并且不同涂層燒蝕后的產(chǎn)物一致。

圖7 燒蝕后HfC 涂層的X 射線衍射圖譜Fig.7 XRD patterns of the HfC coatings after ablation

圖8 是經(jīng)過60 s 的燒蝕后，不同噴涂電流制備的HfC 涂層的表面形貌圖。從圖中可以看到，經(jīng)過燒蝕后涂層的表面形貌變化較大，在涂層表面形成了一層較為致密的氧化物層。從圖8(a)中可以看到，燒蝕后C1 涂層表面出現(xiàn)了一些微裂紋，這可能是由于燒蝕前涂層表面氣孔較多，燒蝕過程中氧氣進(jìn)入內(nèi)部，造成內(nèi)部涂層氧化嚴(yán)重。氧化物在燒蝕后冷卻過程中，由于體積收縮以及相變，引起了微裂紋。而C2 涂層在燒蝕后，表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，只出現(xiàn)了部分氣孔。這可能是因?yàn)闊g前涂層較為致密，限制了氧氣向內(nèi)部的擴(kuò)散。而C3 涂層表面在燒蝕后出現(xiàn)了較多且較大的孔洞，這是因?yàn)闊g前涂層表面有明顯的裂紋，在燒蝕時(shí)氧氣沿裂紋進(jìn)去涂層內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部涂層的嚴(yán)重氧化，大量氣體從內(nèi)部逸散，在涂層表面造成了明顯的孔洞。

圖8 不同噴涂電流制備的HfC 涂層燒蝕中心區(qū)域的表面顯微形貌：(a)C1 涂層；(b) C2 涂層；(c) C3 涂層Fig.8 Surface morphology of the HfC coatings prepared with different currents in the ablation center region:(a) C1 coating, (b) C2 coating, (c) C3 coating

圖9 是不同噴涂電流制備的HfC 涂層經(jīng)過60s 的燒蝕后的截面形貌圖。可以看出，燒蝕后C1 涂層出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，這表明燒蝕過程中有氧氣進(jìn)入涂層內(nèi)部，燒蝕后氧化的涂層與未氧化涂層間的熱膨脹系數(shù)不匹配，引起了層間裂紋，造成了分層現(xiàn)象。而C2 涂層的整體形貌保持完好，說明燒蝕過程中，氧氣得到了很好地限制，沒有引起內(nèi)部的氧化。另外，在燒蝕60s 后，可以看到C3 涂層的截面出現(xiàn)了大量的裂紋，這可能是由于大量氧氣進(jìn)入內(nèi)部涂層，造成的較為嚴(yán)重的氧化，從而使整個(gè)涂層的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞的情況。

圖9 不同噴涂電流制備的HfC 涂層燒蝕中心區(qū)域的截面顯微形貌：(a) C1 涂層；(b) C2 涂層；(c) C3 涂層Fig.9 Cross-section morphology of the HfC coatings preparedwith different currents in the ablation center region:(a) C1 coating, (b) C2 coating, (c) C3 coating

2.3 噴涂電壓對(duì)HfC 結(jié)構(gòu)和形貌的影響

在電流為400 A 的條件下，分別采用110 V、130 V、150 V 的電壓，在不同的試樣表面制備了HfC 涂層，并分別標(biāo)記為C4、C5、C6（其他參數(shù)不變）。

圖10 是不同電壓條件下制備的HfC 涂層的XRD 圖譜?？梢钥闯?，噴涂后，HfC 涂層同樣出現(xiàn)不同程度的氧化情況。各涂層的物相組成基本相同，主要由HfC、m-HfO2和o-HfO2相組成。隨著電壓的增加，m-HfO2的衍射峰強(qiáng)度減弱，而o-HfO2衍射峰的強(qiáng)度增加，但總體上氧化物衍射峰的強(qiáng)度變化不大，說明電壓的改變對(duì)噴涂粉料溫度及其氧化程度的影響較小。電壓增加能夠增加粉料的噴射速度，致粉料與基體撞擊后會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力，o-HfO2衍射峰強(qiáng)度的增加說明涂層中受到應(yīng)力作用的HfO2的量增加。此外，電壓較低時(shí)，粉料飛行時(shí)間稍長，HfC 的氧化時(shí)間增多，會(huì)導(dǎo)致m-HfO2的峰較強(qiáng)；電壓較高時(shí)，粉料飛行時(shí)間短，HfC 的氧化時(shí)間減少，因此m-HfO2的衍射峰減弱。

圖10 不同電壓制備的HfC 涂層的X 射線衍射圖譜Fig.10 XRD patterns of the HfC coatings prepared with different voltages

如圖11 所示，噴涂后在各涂層的表面的氣孔數(shù)量和完全熔融區(qū)域的面積隨電壓改變產(chǎn)生的變化較小，說明與電流相比，電壓對(duì)粉料顆粒的熔融性以及電弧溫度影響相對(duì)較小。隨著電壓的升高，粉料的噴射速度過快，粉料與基體撞擊后產(chǎn)生了更大的應(yīng)力，導(dǎo)致涂層的表面逐漸形成了裂紋及微裂紋[24,25]。這一結(jié)果與o-HfO2衍射峰強(qiáng)度的增加一致。

圖11 不同電壓參數(shù)制備的HfC 涂層的表面顯微形貌：(a) C4 涂層；(b) C5 涂層；(c) C6 涂層Fig.11 Surface morphology of the HfC coatings prepared with different voltages:(a) C4 coating, (b) C5 coating, (c) C6 coating

從圖12 中可以看出，不同涂層厚度均為100μm 左右，涂層結(jié)構(gòu)致密。在110 V 和130 V的電壓條件下制備出的HfC 涂層沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋；但電壓增加至150 V 時(shí)，在涂層截面中出現(xiàn)了微裂紋，這是由于涂層中殘余應(yīng)力過大，在切削時(shí)涂層中殘余應(yīng)力擴(kuò)展引起的。

圖12 不同噴涂電壓制備的HfC 涂層的截面背散射顯微形貌：(a) C4 涂層；(b)C5 涂層；(c) C6 涂層Fig.12 Cross-section backscatter micrographs of the HfC coatings prepared with different voltages: (a) C4 coating, (b) C5 coating, (c) C6 coating

3.4 噴涂電壓對(duì)HfC 涂層燒蝕性能的影響

表4 是不同噴涂電壓制備的HfC 涂層經(jīng)過60 s 燒蝕后的質(zhì)量燒蝕率。在燒蝕過程中，伴隨著涂層表面碳化物的氧化，以及滲透氧氣引起的內(nèi)部碳化物的氧化，造成了C4 和C5 涂層質(zhì)量有所增加；而C6 涂層在燒蝕過程中，表面涂層出現(xiàn)了剝落的情況，造成了涂層質(zhì)量有所減少，其質(zhì)量燒蝕率約為0.07 mg/s。

表4 不同噴涂電壓制備的HfC 涂層的燒蝕性能Table 4 Ablation property of the HfC coatings prepared with different voltages

經(jīng)過60 s 的氧乙炔火焰燒蝕后，HfC 涂層的XRD 曲線如圖13 所示。可以看出，經(jīng)過燒蝕后，涂層中的碳化物都被氧化為HfO2，且不同涂層的衍射曲線較為接近，說明燒蝕后的產(chǎn)物基本一致。

經(jīng)過60 s 的燒蝕后，涂層的表面形貌如圖14所示。從圖14(a)中可以看出，C4 涂層表面出現(xiàn)了較為明顯的裂紋。而C5 涂層的表面較為完好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。C6 涂層在燒蝕60s 后，不僅出現(xiàn)了明顯的裂紋，還出現(xiàn)了較為明顯的剝落現(xiàn)象。說明燒蝕前涂層表面的裂紋會(huì)對(duì)后續(xù)燒蝕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，造成涂層的嚴(yán)重氧化。氧化后的產(chǎn)物受到氧乙炔氣流的機(jī)械剝蝕作用，產(chǎn)生了嚴(yán)重的剝落。

圖13 燒蝕后HfC 涂層的X 射線衍射圖譜Fig.13 XRD patterns of the HfC coatings after ablation

燒蝕后，不同噴涂電壓制備的HfC 涂層的截面形貌如圖15 所示?？梢钥吹剑瑹g后，C4 和C5 涂層的截面上都出現(xiàn)了明顯的裂紋，從而造成分層現(xiàn)象，這可能是因?yàn)檠趸糠值耐繉优c未氧化涂層間熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的。而C6涂層不僅有裂紋，涂層結(jié)構(gòu)也受到嚴(yán)重的破壞，部分區(qū)域在試樣切割的過程中出現(xiàn)剝落，說明隨著噴涂電壓的不斷提高，燒蝕后涂層中產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)逐漸疏松。

圖14 不同噴涂電壓制備的HfC 涂層燒蝕中心區(qū)域的表面顯微形貌：(a) C4 涂層；(b) C5 涂層；(c) C6 涂層Fig.14 Surface morphology of the HfC coatings prepared with different voltages in the ablation center region:(a) C4 coating, (b) C5 coating, (c) C6 coating

圖15 不同噴涂電壓制備的HfC 涂層燒蝕中心區(qū)域的截面顯微形貌：(a) C4 涂層；(b) C5 涂層；(c) C6 涂層Fig.15 Cross-section morphology of the HfC coatings prepared with different voltages in the ablation center region: (a) C4 coating; (b) C5 coating; (c) C6 coating

3 結(jié)論

超音速等離子噴涂法制備的HfC 涂層能夠保證涂層具有完整的結(jié)構(gòu)和較高的致密性，內(nèi)外涂層間的連接完整，沒有出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象。

(1)當(dāng)噴涂電流較低時(shí)，粉料熔融不完全，在涂層中形成堆積，產(chǎn)生較多的孔隙；當(dāng)噴涂電流較高時(shí)，粉料氧化嚴(yán)重，氧化產(chǎn)物在冷卻過程中的相變會(huì)導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)較大的應(yīng)力，并在涂層表面形成較多的裂紋，破壞涂層的致密性。在燒蝕過程中，電流過小的涂層由于表面氣孔較多，造成內(nèi)部涂層氧化嚴(yán)重，并產(chǎn)生明顯的裂紋。電流過大的涂層，因?yàn)闊g前表面產(chǎn)生的裂紋，會(huì)引起內(nèi)部碳化物大量氧化，從而導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)較多孔洞，并引起涂層截面結(jié)構(gòu)的破壞。因此，采用400 A 的電流制備HfC 涂層效果最佳。

(2)當(dāng)噴涂電壓較低時(shí)，粉料飛行速度較慢，與基體撞擊后的沖擊力較小，涂層中o-HfO2的含量較少；當(dāng)噴涂電壓過高時(shí)，粉料在噴槍中得到充分加速，可以提高涂層與基體的結(jié)合力，但粉料與基體撞擊后產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，造成涂層表面出現(xiàn)明顯的裂紋。經(jīng)過燒蝕后，涂層截面處均出現(xiàn)了明顯的裂紋，且隨著噴涂電壓的不斷提高，燒蝕后涂層中產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)逐漸疏松，并最終出現(xiàn)涂層剝落的情況。因此，選用130 V 的電壓制備出了最佳的HfC 涂層。