CN110306149A - 一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。

Description

一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及其制备方法，属于高温防护涂层领域。
背景技术
高温结构材料，如：C/C复合材料、C/SiC复合材料和难熔金属等，能在高温环境中保持优异的力学性能，但在含氧或富氧的环境，其力学性能的保持受限于材料自身的高温抗氧化能力[1],[2]。为增强高温结构材料的高温抗氧化与耐烧蚀能力，可以通过在高温结构材料表面制备涂层，以阻断环境中氧气向基体材料的扩散，实现提升其高温抗氧化能力，从而维持其高温力学性能，扩展其应用范围。
超高温陶瓷材料是指熔点在3000℃以上的硼化物、碳化物、氮化物等物质，是高温防护所选用的重点候选材料[3]。其中，由于ZrB2和ZrC具有密度较低、经济廉价、来源广泛等特点，使其备受关注。在高温有氧环境中，ZrB2与ZrC分别发生氧化反应为：ZrB2+5/2O2＝ZrO2+B2O3；ZrC+3/2O2＝ZrO2+CO。其ZrB2的氧化产物为ZrO2和液相B2O3，但是当温度达到1200℃以上后，B2O3挥发变得剧烈，液相逐渐消失，只留下ZrO2多孔层，使得材料丧失防护效果；ZrC的氧化产物为ZrO2与CO，在CO挥发后剩余ZrO2层[4]，也使得ZrC涂层的防护作用失效。针对其弱点对涂层材料进行改性，以期增强其高温抗氧化能力。
参考文献：
[1]Corral E.L.,Walker L.S.,Improved ablation resistance of C-C compositesusing zirconium diboride and boron carbide,Journal of the European CeramicSociety,30(2010)2357-2364.；
[2]Tang S.,Deng J.,Wang S.,Comparison of thermal and ablation behaviorsof C/SiC composites and C/ZrB2-SiC composites,Corrosion Science,51(2009)54-61.；
[3]Fahrenholtz W.G.,Hilmas G.E.,Ultra-high temperature ceramics:Materialsfor extreme environments,Scripta Materialia,129(2017)94-99.；
[4]Parthasarathy T.A.,Rapp R.A.,Opeka M.,A model for the oxidation ofZrB2,HfB2and TiB2,Acta Materialia,55(2007)5999-6010.。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。
本发明以ZrB2、ZrC或ZrB2-ZrC复合相为主要相，其具有熔点高的特点(ZrB2熔点：3040℃，ZrC熔点3420℃)，氧化后形成具有高熔点的ZrO2骨架(ZrO2熔点2710℃)，能够抵御气流的冲刷。同时选择SiC和WC作为添加相。其中SiC有利于在材料表面形成连续、致密的SiO2玻璃层，阻止氧气的渗入。而且添加WC，其氧化产物WO3参与SiO2玻璃成键，增强SiO2稳定性。特别是，WO3可以与ZrO2发生高温共熔，减少材料内部孔隙与裂纹，使得ZrO2层更为致密，且能进一步抑制低氧环境中SiC的活性氧化，减少对材料内部结构的破坏。此外，添加WC还有利于降低烧蚀表面温度。因此，通过选择SiC和WC作为添加相可进一步提升该涂层材料体系的高温抗氧化与耐烧蚀性能。
较佳地，所述主相的含量为60～80vol.％，所述SiC的含量为15～30vol.％，所述WC的含量为2～10vol.％，各相含量之和为100vol.％。当SiC添加少于15vol％时，涂层在高温下表面很难形成连续致密的液相保护层；SiC添加超过30vol％时，涂层在高温下的力学性能会迅速降低。WC的添加也需在适宜的范围内，当WC含量较低时，无法显著提升涂层的抗氧化性能；当WC含量过高时，涂层的高温力学性能会降低，特别是，涂层的高温抗氧化性能会由于氧化产物WO3的大量挥发而降低。
较佳地，所述复合涂层的厚度为100～1000μm。
另一方面，本发明还提供了一种如上所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备方法，包括：以ZrB2粉体、ZrC粉体、SiC粉体和WC粉体作为原料，按照所述复合涂层的组分称取原料并混合，得到复合粉体；采用真空等离子体喷涂技术将所得复合粉体喷涂到基体上，得到所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层。
较佳地，所述ZrB2粉体的粒径为5～80μm。
较佳地，所述ZrC粉体的粒径为5～80μm。
较佳地，所述SiC粉体的粒径为5～80μm。
较佳地，所述WC粉体的粒径为5～80μm。
较佳地，所述真空等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子体气体Ar：25～50slpm；等离子体气体H2：2～20slpm；喷涂电压：40～75V；喷涂电流：350～750A；送粉载气Ar：2～10slpm；喷涂距离：130～380mm；送粉速率：5～30rpm；真空室压强：50～800mbar。
较佳地，所述基体经过表面预处理。预处理步骤可以包括喷砂粗化。
本公开中，选用的基体可以是难熔金属及其合金、SiC/SiC或者是加有SiC涂层的石墨或碳纤维增强复合材料(C/C、C/SiC)等。
本公开采用真空等离子体喷涂技术制备该高温抗氧化耐烧蚀涂层，其原料为粉体，可以通过改变粉体配比，较容易地实现涂层组成的控制。而且，由于在惰性气氛下制备涂层，可以避免引入氧化物杂质，形成较致密的涂层。此外，该技术还具有适合制备厚涂层(大于100μm)、效率高、可重复性好、适合规模化生产等特点。
附图说明
图1为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下分别氧化1、3、6小时后的宏观图片；
图2为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下分别氧化1、3、6小时后的氧化增重变化曲线；
图3为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层氧化后的自然断面：(a)氧化1小时，(b)氧化6小时；
图4为对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层氧化后的自然断面：(a)氧化1小时，(b)氧化6小时；
图5为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在热流3.01MW/m2烧蚀环境中的表面温度变化曲线；
图6为实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层和对比例1制备的ZrB2-SiC复合涂层在经过高温等离子火焰烧蚀300s的宏观形貌。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本发明一实施方式中，所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的组成包括主相和添加相。在可选的实施方式中，选用超高温陶瓷ZrB2或/和ZrC等作为高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的主相。在可选的实施方式中，选用一定含量的SiC和WC作为高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的添加相。该高温抗氧化耐烧蚀复合涂层显示优异的高温抗氧化性能和耐烧蚀性能，能够为基体材料提供长时间的有效防护。
在本公开中，主相ZrB2或/和ZrC的含量可为60～80vol.％，添加相SiC含量可为15～30vol.％，添加相WC含量可为2～10vol.％。在可选的实施方式中，当主相为ZrB2和ZrC二者复合时，ZrB2和ZrC的相体积分数比可为(0.5～2)：1。
在本公开中，高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的厚度可为100～1000μm，优选为150～800μm。
在本发明一实施方式中，选取ZrB2或/和ZrC为主相，SiC和WC为添加相，采用真空等离子体喷涂法在基体表面制备高温抗氧化耐烧蚀复合涂层(例如，ZrB2-SiC-WC复合涂层、ZrC-SiC-WC复合涂层和ZrB2-ZrC-SiC-WC复合涂层)。该方法具有涂层化学组成可控、结构致密、无氧化物杂质引入、重复性好、利于扩大生产等特点，适宜在高温结构材料表面制备高温防护涂层，提高基体材料的高温抗氧化耐烧蚀性能。以下示例性地说明高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备方法。
基体的选择和预处理。本公开中，基体可以采用难熔金属(例如金属W、Mo、Nb)及其合金、SiC/SiC、加有SiC涂层的石墨或加有SiC涂层的碳纤维增强复合材料(例如C/C，C/SiC等)等。例如，采用加有SiC涂层的碳纤维增强复合材料作为基体时，可通采用等离子体喷涂法，在碳纤维增强复合材料表面制备Si涂层，在(氩气等)惰性气氛保护下，对加有Si涂层的碳纤维增强复合材料进行高温热处理，形成SiC涂层。或者，可以通过采用Si粉、C粉等为原料的包埋法，再在(氩气等)惰性气氛保护下进行反应热处理获得SiC涂层。或者，可以通过CVD方法直接沉积SiC涂层。此外，可以在制备涂层前对基体表面进行预处理，预处理步骤例如可以包括：喷砂粗化，超声清洗，干燥，喷砂压力可以为0.1～0.6MPa。例如，采用金属W作为基体时，也可以在制备涂层前对基体表面进行预处理。
复合粉体的制备。采用ZrB2粉体、ZrC粉体、SiC粉体和WC粉体作为原料，按照高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的组分称取原料并混合，得到复合粉体。其中，ZrB2粉体或/和ZrC粉体的纯度大于99.0wt.％，粒径范围可为5～80μm。SiC粉体的纯度大于99.0wt.％，粒径范围可为5～80μm。WC粉体的纯度大于99.0wt.％，粒径范围可为5～80μm。将上述粉体通过球磨混合和烘干，得到粒径适宜、组成均匀的复合粉体。应注意，当主相为ZrB2和ZrC二者复合时，选用的ZrB2粉体和ZrC粉体的相体积分数比可为(0.5～2)：1。
高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备。在本发明一实施方式中，采用真空等离子体喷涂技术将复合粉体喷涂到基体上，得到所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层。其工艺参数见表1。
表1为本公开中涉及的真空等离子体喷涂高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的工艺参数的一个示例：
等离子体气体Ar 25～50slpm 粉末载气Ar 2～10slpm
等离子体气体H<sub>2</sub> 2～20slpm 喷涂距离 130～380mm
喷涂电压 40～75V 送粉速率 5～30rpm
喷涂电流 350～750A 真空室压强 50～800mbar
*slpm：标准升/分钟，rpm：转/分钟。
综上所述，本申请采用真空等离子体喷涂技术制备的高温抗氧化耐烧蚀复合涂层具有粉体熔融充分，不含有氧化物杂质，所得涂层较为致密的特点。而且，高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的氧化实验与烧蚀实验表明该涂层体系SiC的添加在高温下能够形成致密的液相层，从而减少氧气向内部的扩散。WC的添加增强了氧化硅液相的稳定性与自愈合能力，减缓了气相的挥发，SiC和WC的同时添加显著提高了涂层的高温抗氧化耐烧蚀性能。此外，采用的真空等离子体喷涂技术具有工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、涂层厚度可控、适合规模化生产等优点。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
一种高温抗氧化耐烧蚀ZrB2-SiC-WC复合涂层，该涂层由ZrB2、SiC和WC均匀混合的复合粉体制备，其中ZrB2所占体积分数为74％，SiC所占的体积分数为20％，WC所占体积分数为6％，记为ZrB2-SiC-WC涂层。选用的ZrB2粉体纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm；SiC粉体的纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm；WC粉体的纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm。制备上述复合涂层按照下列步骤进行：
(1)将含有SiC过渡层的碳/碳复合材料选为基体材料，对基体材料进行喷砂处理，清洗后烘干备用；
(2)将所选用的ZrB2、SiC和WC粉体，按照ZrB2体积分数为74％，SiC体积分数为20％，WC体积分数为6％的配比方式称量，然后通过球磨将粉体混合均匀；
(3)采用真空等离子体喷涂技术，选用下表2所列的工艺参数，在碳/碳复合材料表面制备ZrB2-SiC-WC复合涂层，厚度约400～600μm。
表2真空等离子体喷涂ZrB2-SiC-WC复合涂层工艺参数：
等离子体气体Ar 40slpm 粉末载气Ar 2slpm
等离子体气体H<sub>2</sub> 10slpm 喷涂距离 300mm
喷涂电压 60V 送粉速率 20rpm
喷涂电流 700A 真空室压强 100mbar
*slpm：标准升/分钟，rpm：转/分钟。
采用分析天平测量涂层静态高温氧化前后的质量并计算质量增重率。质量增重率(R％)的计算方法如公式1所示：式中：m0和m1分别为试样在进行氧化实验前和氧化实验后的质量。将试样进行三次高温氧化实验，质量增重率取三次的平均值，即为该涂层样品的质量增重。
采用分析天平测量了涂层烧蚀前后的质量并计算了质量烧蚀率。质量烧蚀率(M％)的计算方法如公式2所示：式中：M0和M1分别为试样在进行烧蚀前和烧蚀后的质量。将试样进行三次烧蚀实验，质量损失率取三次值的平均值，即为该涂层样品的质量烧蚀率。
对实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层进行静态下的高温抗氧化性能测试。测试抗氧化性能时为了避免基体的影响，把涂层剥离基体。其测试条件为在大气环境中将所制备的涂层放置于1500℃的管式炉内，分别测试1、3、6小时后取出，称量样品进行氧化测试前后的质量变化，并进行显微观察。图1中(d)、(e)和(f)分别为ZrB2-SiC-WC复合涂层测试1、3、6小时后的宏观照片，发现该复合涂层的边角区域由黑色变为白色，而其他区域保持原始的黑色。图2为ZrB2-SiC-WC复合涂层1500℃氧化不同时间的质量增重，其在1、3、6小时下的增重分别为：14.1％，17.2％与18.9％。通过实验可以发现WC的引入可以大幅降低涂层在高温下的氧化增重。ZrB2-SiC-WC复合涂层氧化6小时的增重较ZrB2-SiC样品(对比例1)增重减少了43％。图3中(a)为ZrB2-SiC-WC复合涂层经过1500℃氧化1个小时的断面形貌与元素分布，发现表面形成了连续的液相，此时的液相层厚度约为15μm。图3中(b)为ZrB2-SiC-WC复合涂层经过高温氧化6小时后的断面，液相层厚度约为40μm。液相层能有效阻止氧气的渗入，阻碍涂层内部的氧化，从而减少氧化增重。
对实施例1制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层进行高温抗烧蚀测试，其测试条件为在热流为3.01MW/m2的等离子体火焰下烧蚀300s，在烧蚀过程中采用红外仪监测涂层烧蚀中心表面温度。图5为涂层在烧蚀过程中的表面温度随时间的变化，发现ZrB2-SiC-WC复合涂层最后温度稳定在1700℃，而ZrB2-SiC复合涂层(对比例1)表面温度约为2000℃，这表明WC的引入可以大幅降低涂层在烧蚀过程中的表面温度。如图6为实施例制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层烧蚀前后的宏观照片，显示ZrB2-SiC-WC复合涂层在烧蚀300s后，复合涂层的颜色渐变为白色，复合涂层的表面较致密且保持完整。ZrB2-SiC-WC复合涂层的质量烧蚀率为2.6mg/s，相对ZrB2-SiC复合涂层(对比例1，质量烧蚀率为3.0mg/s)的质量烧蚀率降低了12.7％。
实施例2：
一种高温抗氧化耐烧蚀ZrB2-SiC-WC(3vol％)复合涂层，该涂层由ZrB2、SiC和WC均匀混合的复合粉体制备，其中ZrB2所占体积分数为77％，SiC所占的体积分数为20％，WC所占体积分数为3％，记为ZrB2-SiC-WC(3vol％)复合涂层。选用的ZrB2粉体纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm；SiC粉体的纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm；WC粉体的纯度为99.0wt.％，粒径范围为5～80μm。制备上述复合涂层按照下列步骤进行：
(1)将含有SiC过渡层的碳/碳复合材料选为基体材料，对基体材料进行喷砂处理，清洗后烘干备用；
(2)将所选用的ZrB2、SiC和WC粉体，按照ZrB2体积分数为77％，SiC体积分数为20％，WC体积分数为3％的配比方式称量，然后通过球磨将粉体混合均匀；
(3)采用真空等离子体喷涂技术，选用表2所列的工艺参数，在碳/碳复合材料表面制备ZrB2-SiC-WC复合涂层，厚度约为400～600μm。
对于实施例2制备的ZrB2-SiC-WC(3vol％)复合涂层进行静态下的高温抗氧化测试，其测试条件为在大气环境中将所制备的涂层放置于1500℃的管式炉内，分别测试1、3、6小时后取出，称量样品进行氧化测试前后的质量变化，并进行显微观察。测试抗氧化性能时为了避免基体的影响，把涂层剥离基体。实施例2制备的ZrB2-SiC-WC复合涂层1500℃氧化不同时间的质量增重，其在1、3、6小时下的增重分别为：15.1％，21.6％与25.5％。
对比例1：
选择ZrB2-20vol.％SiC体系作为对比涂层，其中ZrB2粉体的纯度为99.0wt.％、粒径为5～80μm，SiC粉体的纯度为99.0wt％、粒径为5～80μm，记为ZrB2-SiC涂层。采用与实施例中相同的方式制备出适宜喷涂的复合粉体。同时，选用表2所列的工艺参数，在含有SiC过渡层的碳/碳复合材料基体表面制备ZrB2-SiC复合涂层，厚度约为400～600μm。采用与实施例中相同的高温有氧环境进行测试ZrB2-SiC涂层的抗氧化性能(测试抗氧化性能时为了避免基体的影响，把涂层剥离基体)，研究发现ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下分别氧化1h、3h、6h小时后涂层表面的颜色即变为白色(参见图1中(a)、(b)和(c))。ZrB2-SiC复合涂层在1500℃下氧化1小时、3小时、6小时后的氧化增重分别为20.9％，26.2％与33.2％。图4中(a)为ZrB2-SiC复合涂层1500℃氧化1小时的断面，发现表面并未形成连续、致密的液相层。图4中(b)为ZrB2-SiC复合涂层1500℃氧化6小时的断面，发现此时涂层表面已经没有液相，涂层内部发生连续的氧化。采用与实施例1中相同的等离子体烧蚀环境进行测试，ZrB2-SiC复合涂层的烧蚀过程中其表面温度为2000℃左右(图5)。图6为ZrB2-SiC复合涂层烧蚀300s前后的宏观照片，表明高温烧蚀后该涂层表面较疏松。ZrB2-SiC复合涂层烧蚀300s后的质量烧蚀率为3.0mg/s。
对比例2：
选择ZrB2-6vol.％WC体系作为对比涂层，其中ZrB2粉体的纯度为99.0wt.％、粒径为5～80μm，WC粉体的纯度为99.0wt％、粒径为5～80μm，记为ZrB2-WC复合涂层。采用与实施例中相同的方式制备出适宜喷涂的复合粉体。同时，选用表2所列的工艺参数，在含有SiC过渡层的碳/碳复合材料基体表面制备ZrB2-WC复合涂层，厚度约300～500μm。采用与实施例1中相同的高温有氧环境进行测试ZrB2-SiC复合涂层的抗氧化性能(测试抗氧化性能时，为了避免基体的影响，把涂层剥离基体)。研究发现，ZrB2-WC复合涂层在1500℃氧化5分钟后表面已经完全变为白色，氧化1小时后涂层已经完全开裂，彻底丧失防护效果。

Claims (9)

1.一种高温抗氧化耐烧蚀复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的组分包括主相和添加相，所述主相包括ZrB2或/和ZrC，所述添加相包括SiC和WC。
2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述主相的含量为60～80vol.%，所述SiC的含量为15～30 vol.%，所述WC的含量为2～10 vol.%，各相含量之和为100 vol.%。
3.根据权利要求1或2所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的厚度为100～1000μm。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：
以ZrB2粉体、ZrC粉体、SiC粉体和WC粉体作为原料，按照所述复合涂层的组分称取原料并混合，得到复合粉体；
采用真空等离子体喷涂技术将所得复合粉体喷涂到基体上，得到所述高温抗氧化耐烧蚀复合涂层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述ZrB2粉体的粒径为5～80μm。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述ZrC粉体的粒径为5～80μm。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述SiC粉体的粒径为5～80μm。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述WC粉体的粒径为5～80μm。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子体气体Ar：25～50 slpm；等离子体气体H2：2～20 slpm；喷涂电压：40～75 V；喷涂电流：350～750 A；送粉载气Ar：2～10 slpm；喷涂距离：130～380 mm；送粉速率：5～30 rpm；真空室压强：50～800 mbar。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110835273A (zh) * 2019-11-29 2020-02-25 航天特种材料及工艺技术研究所 一种在C/SiC复合材料上制备陶瓷防护层的方法以及由此制得的陶瓷防护层

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04165007A (ja) * 1990-10-29 1992-06-10 Kinya Miyashita 高強度が要求されるセラミックス／金属系複合体の製法
CN104557050A (zh) * 2014-12-20 2015-04-29 北京矿冶研究总院 具备核壳结构的ZrB2-SiC/Si复合粉末及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04165007A (ja) * 1990-10-29 1992-06-10 Kinya Miyashita 高強度が要求されるセラミックス／金属系複合体の製法
CN104557050A (zh) * 2014-12-20 2015-04-29 北京矿冶研究总院 具备核壳结构的ZrB2-SiC/Si复合粉末及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FRÉDÉRIC MONTEVERDE.ET.AL: "Combined effects of WC and SiC on densification and thermo-mechanical stability of ZrB2 ceramics", 《MATERIALS AND DESIGN》 *
文波等: "低压等离子喷涂ZrB2-SiC 复合涂层烧蚀机理研究", 《热喷涂技术》 *
牛亚然等: "真空等离子喷涂ZrB2-SiC复合涂层抗烧蚀性能研究", 《第十八届全国复合材料学术会议论文集（上册）》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110835273A (zh) * 2019-11-29 2020-02-25 航天特种材料及工艺技术研究所 一种在C/SiC复合材料上制备陶瓷防护层的方法以及由此制得的陶瓷防护层

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