CN113321533A - 一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法,以锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素与基底涂层的混合涂层;所述基底涂层包括SiC‑Si、ZrC‑ZrSi2或TiC‑Ti;基材预处理。将溶剂、粘结剂混合超声分散,后加入对应高熵陶瓷前驱体原料TMxOy及其他原料,制得均匀料浆悬浮溶液料浆,浸渍‑烘干固化得预涂层。本发明无需预先制备高熵陶瓷,只用将对应的前驱体原料通过简易的料将法涂覆到基材表面,熔渗过程中原位生成(碳、氮、碳氮、硼)化物高熵陶瓷固溶体,可起到固溶强化的作用,涂层内聚结合力强,可进一步改善涂层的硬度和耐高温氧化腐蚀性能,可实现规模化工业应用。
Description
技术领域
本发明属于高熵陶瓷对材料的改性技术领域,涉及一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法,具体涉及一种熔渗辅助原位反应制备成分、微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法。
背景技术
碳基复合材料是一类综合性能优异的高温热结构材料,兼具高比强、低热膨胀系数以及优异的高温力学性能等特点。然而抗氧化性能不足严重制约了其在极端环境的深度应用。表面涂层技术可有效改善其高温抗氧化、耐烧蚀性能。
当前,碳基复合材料抗氧化涂层多以硅(SiC,MoSi2)基陶瓷体系为重,可实现有效的中、高温防护,但超高温环境(1973K及以上)下防护有效性受限。
过渡族金属(Transition metals(TM):锆(Zr)、钛(Ti)、铪(Hf)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)或钨(W))的难熔碳化物(于多,殷杰,张步豪,等.碳化物超高温陶瓷材料研究进展[J].航空制造技术,2019,62(19):53-64.)、氮化物(张幸红,胡平,韩杰才,等.超高温陶瓷复合材料的研究进展[J].科学通报,2015,60(3):257-266.)、硼化物(GollaB R,Mukhopadhyay A,Basu B,et al.Review on Ultra High Temperature BorideCeramics[J].Progress in Materials Science,2020,111:100651.)、碳氮化物(杨瑞龙.过渡族金属碳氮化合物机械化学法合成及特性研究[D].燕山大学,2015.),具有熔点高(>3273K)、抗热冲击性能优异、抗氧化/耐烧蚀性能良好等诸多优异性能,俨然成为制备空天等极端领域用新型高温结构件最有前途的候选材料。然而,随着空天和核工业的迅猛发展,所需材料要能在更加严苛的环境中有效使用,以往的材料已难以满足要求。
高熵陶瓷(杨勇,孙文韦,孙晓文,等.高熵陶瓷涂层的制备方法:,CN111254379A[P].2020;Huimin Xiang,Yan Xing,Fu-zhi Dai,et al.High-entropy ceramics:Presentstatus,challenges,and a look forward[J].Journal of Advanced Ceramics,2021,10(3):0–0.https://doi.org/10.1007/s40145-021-0477-y),作为一种新型的多主元单相固溶体陶瓷,表现出较高的熵值。相比于传统陶瓷,高熵陶瓷强度更高、硬度更高、耐磨性更好、高温抗氧化性能更好,综合性能更优异。
本课题组前期申请的相关专利(张佩,付前刚,李贺军,等.一种具有SiC-HfB2-Si单层复合涂层的碳/碳复合材料的制备方法,CN 112409025 A[P].2020)和所发表论文(Zhang P,Fu Q,Cheng C,et al.Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Siternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high temperatures[J].Journal of the European Ceramic Society,2021.)提出采用料浆涂覆结合气相渗硅复合方法可以制备致密且与C/C复合材料基体结合较好的SiC-HfB2-Si单层涂层,其在高温1773K表显出较好的长时抗氧化性能。但是该涂层存在残留硅含量较高,超高温陶瓷相含量低且组分单一,超高温环境(1973K及以上)下抗氧化、耐烧蚀、抗冲刷性能不足的缺陷。另外目前高熵陶瓷改性涂层(杨勇,孙文韦,孙晓文,等.高熵陶瓷涂层的制备方法,CN111254379A[P].2020)开发不够系统、现有技术(喷涂法)不完备。为使涂层在超高温环境(1973K及以上)下具有更加稳定的综合耐热性能,发明人基于前期工作,经过多次探索改进,提出本发明的技术方案及发明内容,前期工作中的缺陷恰恰可为下面申请的技术及内容所解决。
应用高熵陶瓷改性硅基陶瓷涂层,有望极大改善硅基陶瓷涂层在超高温服役环境下的热防护稳定性和有效性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法,采取熔渗辅助原位反应制备出系列高熵陶瓷改性涂层,无需先制备出难以烧结的高熵陶瓷粉,只用将对应的前驱体原料粉通过简易的料将法涂覆在基材表面,在后续熔渗过程中原位生成高熵陶瓷固溶体。该发明原料利用率高、成本较低,所制备出的高熵陶瓷改性涂层成分与微结构可控、致密度高、与基体结合好、超高温抗氧化耐烧蚀性能优异。
技术方案
一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层,其特征在于以锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素与基底涂层的混合涂层;所述基底涂层包括SiC-Si、ZrC-ZrSi2或TiC-Ti;所述涂层为单层或多层。
所述任意四种或四种以上的元素为等摩尔比。
一种熔渗辅助原位反应制备成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、基材预处理:将基材切割、打磨,并超声清洗,然后放在烘箱中于323-393K干燥;
步骤2、制备料浆悬浮液:将溶剂、粘结剂混合超声分散,然后加入混匀的等摩尔比的目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy及B4C、石墨和SiC粉末,经超声、磁力搅拌或球磨,制得均匀的料浆悬浮溶液;
所述TMxOy、B4C、石墨和SiC粉末的质量分数分别为45-75%、3-18%、5-15%和8-27%;
所述TM为锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素;
所述溶剂与粘结剂的质量比为10-20:1-7;
步骤3、料浆浸渍即涂覆-烘干-固化制备预涂层:将预处理过的基材在上述料浆悬浮液中循环浸渍、-烘干-固化,然后热解处理,形成有一定孔隙率的预涂层;
所述固化程序为413-493K保温1-5h;
所述热解条件为3K/min升至873-1473K,保温1-5h后控制程序降温;
本步骤重复多次满足预涂层厚度;
步骤4、熔渗辅助原位反应制备高熵陶瓷改性涂层:将预涂材料放入装有相应渗料的石墨坩埚中,然后在ZGS-350高温炉中进行气g-液l-固s相熔渗辅助原位反应;反应结束后随炉冷却,从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得高熵陶瓷改性涂层;
所述熔渗辅助原位反应升温速率为5-20K/min;
所述熔渗辅助原位反应温度为2073-2423K;
所述熔渗辅助原位反应保温时间为0.5-2.5h;
步骤3和步骤4中保护气为Ar气。
所述超声清洗采用去离子水或工业酒精超声清洗20-70min。
所述溶剂为无水乙醇、二甲苯、异丙醇或者丙酮。
所述粘结剂为热固性酚醛树脂,兼做碳C源;SiC陶瓷前驱体PCS,兼做SiC源;ZrC陶瓷前驱体PZS,兼做ZrC源;或HfC陶瓷前驱体PHS,兼做HfC源。
所述目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy的纯度为99%,粒度500目。
所述B4C、石墨C和SiC的纯度为99%,粒度300目。
所述步骤2料浆悬浮液的颗粒固含量为50-80%
所述混料处理具体为:将装有称量好原料的烧杯或者球磨罐放入超声波发生器中震荡20-50min;然后采用磁力搅拌或球磨混料2-17h;
有益效果
本发明提出的一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层及制备方法,以锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素与基底涂层的混合涂层;所述基底涂层包括SiC-Si、ZrC-ZrSi2或TiC-Ti;所述涂层为单层或多层。方法:基材预处理。将溶剂、粘结剂(热固性树脂或陶瓷聚合物前驱体)混合超声分散,后加入对应高熵陶瓷前驱体原料TMxOy及其他原料,制得均匀料浆;悬浮溶液料浆浸渍(涂覆)-烘干-固化得预涂层。熔渗辅助原位反应制备高熵陶瓷改性涂层。本发明无需预先制备高熵陶瓷,只用将对应的前驱体原料通过简易的料将法涂覆到基材表面,熔渗过程中原位生成(碳、氮、碳氮、硼)化物高熵陶瓷固溶体,可起到固溶强化的作用,涂层内聚结合力强,可进一步改善涂层的硬度和耐高温氧化腐蚀性能。本发明中,因融渗原位反应过程中渗料可穿透多孔预涂层直达基材,渗料与基材及预涂层原料形成连续新相存在于整个涂层及涂层/基材界面,有效改善涂层/基材界面结合和涂层致密度,可实现规模化工业应用。
本发明的核心创新点和有益效果如下:
(1)本发明首次采用熔渗辅助原位反应制备出高熵陶瓷改性涂层,即无需先制备出高熵陶瓷粉,只用将对应的前驱体原料粉通过简易的料将法涂覆在基材表面,在后续熔渗过程中原位生成高熵陶瓷固溶体。制备工艺简单、原料利用率高、对设备要求低、成本低廉、能耗小、污染小、成效高,拓宽了高熵陶瓷改性材料的应用范围。
(2)本发明所制备的高熵陶瓷改性涂层具有较宽的成分及微结构调配空间,超高温陶瓷相含量高且分布均匀、致密度高、高温抗氧化腐蚀性大大改善;上述高熵陶瓷改性涂层的制备方法,所制备涂层中原位形成的高熵陶瓷固溶体是锆(Zr)、钛(Ti)、铪(Hf)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)或钨(W)中的任意四种或四种以上的元素的(碳、氮、碳氮、硼)化物的固溶相,可起到固溶强化的作用,涂层内聚结合力强,进一步改善了涂层的硬度和耐高温氧化腐蚀性能。
(3)本发明所制备的高熵陶瓷改性涂层,因融渗原位反应过程中渗料可穿透多孔预涂层直达基材而又不至于渗透过深,渗料与基材及预涂层原料所形成的新相连续存在于整个涂层以及涂层/基材界面,有效改善了涂层/基材界面结合强度,且涂层致密度高、不易开裂,可实现规模化工业应用。
(4)为得到性能优异的高熵陶瓷改性涂层,本发明发明人及所在团队经过多年的深入探索和反复试验,终成功应用本发明所述方法制备出系列高熵陶瓷改性涂层,不仅制备工艺成效高,且所得高熵陶瓷改性涂层综合性能好,技术应用成效明显,经济效益和前景可观。
附图说明
图1为本发明中气(g)-液(l)-固(s)相熔渗辅助原位反应制备高熵陶瓷改性涂层的典型工艺流程图。
图2为本发明实施例1中所制备涂层试样的XRD图谱
图3为本发明实施例1中所制备涂层试样的微观组织结构:
(a)表面形貌,(b)截面形貌。
图4为本发明实施例2中所制备涂层试样的微观组织结构:
(a,b)表面形貌,(c)截面形貌。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
技术方案:系列高熵陶瓷改性涂层的制备及其方法,其中实施例中熔渗致密化方法指气相渗硅(Si)、气相渗硅化锆(ZrSi2)或包埋固渗钛(Ti),高熵陶瓷指(Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2或(Hf、Zr、Ti、Cr)B2,基底涂层为SiC-Si、ZrC-ZrSi2或TiC-Ti,涂层为单层或多层(双层、四层)。
一种熔渗辅助原位反应制备成分、微结构可控高熵陶瓷改性涂层的方法,其具体特征在于步骤如下:
步骤1:基材预处理:将基材切割、打磨,并经去离子水或工业酒精超声清洗20-70min,然后放在烘箱中于323-393K干燥备用。
步骤2:制备料浆悬浮液:将溶剂、粘结剂混合超声分散,然后加入混匀的目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy(等摩尔比)及其他原料粉末,经超声、磁力搅拌或球磨,制得均匀的料浆悬浮溶液。
所述溶剂为无水乙醇、二甲苯、异丙醇或者丙酮;
所述粘结剂为热固性酚醛树脂(兼做碳(C)源)、SiC陶瓷前驱体PCS(兼做SiC源)、ZrC陶瓷前驱体PZS(兼做ZrC源)或HfC陶瓷前驱体PHS(兼做HfC源);
所述溶剂与粘结剂的质量比为(10-20):(1-7);
所述目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy(纯度99%,粒度500目),其中TM为锆(Zr)、钛(Ti)、铪(Hf)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)或钨(W)中的任意四种或四种以上的元素;
所述TMxOy(等摩尔比)、B4C(纯度99%,粒度300目)、石墨(C)(纯度99%,粒度300目)和SiC(纯度99%,粒度300目)粉末的质量分数分别为45-75%、3-18%、5-15%和8-27%;
所述料浆悬浮液的颗粒固含量为50-80%;
所述混料处理具体为:将装有称量好原料的烧杯(或者球磨罐)放入超声波发生器中震荡20-50min;然后采用磁力搅拌或球磨混料2-17h。
步骤3:料浆浸渍(涂覆)-烘干-固化制备预涂层:将预处理过的基材在上述料浆悬浮液中循环浸渍(涂覆)-烘干-固化,然后热解处理,形成有一定孔隙率的预涂层;
所述固化程序为413-493K保温1-5h;
所述热解条件为3K/min升至873-1473K,保温1-5h后控制程序降温;
在此阶段,根据料浆浓度通过改变浸渍(涂覆)-烘干-固化循环次数来调控预涂层厚度。
步骤4:熔渗辅助原位反应制备高熵陶瓷改性涂层:将预涂试样放入装有相应渗料的石墨坩埚中,然后在ZGS-350高温炉中进行气(g)-液(l)-固(s)相熔渗辅助原位反应。反应结束后,从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得高熵陶瓷改性涂层试样;
所述熔渗辅助原位反应升温速率为5-20K/min;
所述熔渗辅助原位反应温度为2073-2423K;
所述熔渗辅助原位反应保温时间为0.5-2.5h;
所述步骤1中基材为石墨、碳/碳(C/C)或者纤维增强陶瓷基复合材料(如C/SiC或SiC/SiC复合材料)。
所述步骤2中首先将溶剂、粘结剂混合超声分散,然后加入混匀的目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy及其他原料粉末,放入超声波发生器中震荡20-50min;最后采用磁力搅拌或球磨混料2-17h,制得均匀的料浆悬浮溶液。
所述步骤3中首先将预处理过的基材试样在料浆悬浮液中循环浸渍(涂覆)-烘干-固化,然后热解处理,通过改变浸渍(涂覆)-烘干-固化循环次数获得具有一定厚度的预涂层试样。
所述步骤4中融渗原位反应原料为硅(Si)粉(纯度99%,粒度300目)、硅(Si)块(纯度99%,粒度2-7毫米)、硅化锆(ZrSi2)粉(纯度99%,粒度300目)、钛(Ti)粉(纯度99%,粒度300目)或二氧化锆(ZrO2)粉(纯度99%,粒度300目)。
所述步骤3和步骤4中保护气为Ar气,步骤4中冷却方式为随炉冷却。
具体实施例中的所涉及的试验材料如无特殊说明,均为市售。
实施例1
气相渗硅(Si)辅助多主元(Hf、Zr、Ti、Cr)B2超高温高熵陶瓷固溶体改性SiC-Si涂层制备:
步骤1:选用2.5D碳/碳(C/C)复合材料为基材,并对其进行预处理:
将所选基材切割成测试及表征所需的形状,用砂纸打磨,去掉棱角,工业酒精中超声清洗60min,然后放在烘箱中于393K干燥3h;
步骤2:制备PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮液(记为A):
选用无水乙醇为溶剂,以产碳率为53wt.%的热固性酚醛树脂(PR)为粘结剂前驱体,兼做碳源。先将PR和无水乙醇按照5:100的质量比置于烧杯中超声分散30min,得到均匀的PR-无水乙醇溶液备用。
称取一定量的超高温陶瓷前驱体氧化物TMxOy(TM=Hf、Zr、Ti、Cr)、B4C、SiC和石墨(C)粉末研磨60min混合均匀,其中SiC与TMxOy的摩尔比设计按照SiC与TM元素的摩尔比为6.5:1。然后加入到分散好的PR-无水乙醇溶液中,湿式混料,制得均匀分散的PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮溶液(记为A)。
所述TMxOy(TM等摩尔比)、B4C和石墨(C)粉末的含量应符合反应式1,且多加入20wt.%的B4C和10wt.%的石墨(C)粉末。
2TMxOy(s)+xB4C(s)+(2y-x)C(s)→2xTMB2(s)+2yCO(g)(反应式1)
所述的料浆悬浮液A中不溶性颗粒固含量为70wt.%。
所述超声、搅拌处理具体为:超声波发生器中震荡30min;搅拌处理具体为:采用磁力搅拌或球磨不少于10h。
步骤3:循环料浆涂覆-烘干-固化制备酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C预涂层:
将预处理过的试样在上述料浆悬浮液A中循环浸渍7次、每次浸渍后于353K烘干,同时于433K固化1h,最后在流动Ar或N2气氛中于1273K热解处理2h,形成酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C预涂层。
步骤4:气相渗硅(Si)辅助制备多主元(Hf、Zr、Ti、Cr)B2超高温高熵陶瓷固溶体改性SiC-Si涂层:
将酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C预涂层试样放入底部含硅源(硅粉或者硅块)的石墨坩埚中(用多孔石墨板悬空隔开试样和渗料),然后在ZGS-350高温炉中以12K/min的速率在流动Ar气氛中加热至2223K,保温1h后自然冷却至室温。从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得多主元(Hf、Zr、Ti、Cr)B2超高温高熵陶瓷固溶体改性SiC-Si涂层碳/碳(C/C)复合材料试样。
气相渗硅(Si)辅助制备涂层过程中发生的原位反应包括反应(1)和如下反应(反应式2)。
Si(g→l→s)+C(s)→SiC(s)(反应式2)
上述多主元(Hf、Zr、Ti、Cr)B2超高温高熵陶瓷固溶体改性SiC-Si涂层碳/碳(C/C)复合材料试样的相组成及微观组织如图2和3所示,涂层厚度约为450μm,在1973K空气条件下氧化258h后,仅失重3.69%。经最高温度2400K氧乙炔焰烧蚀60s后线烧蚀率和质量烧蚀率分别为-0.32μm/s和0.38mg/s。
实施例2
气相渗硅化锆(ZrSi2)辅助(Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-ZrC-SiC/ZrC-SiC涂层制备:
步骤1:选用密度为1800kg/m3的高强石墨为为基材,并对其进行预处理:
将所选基材切割成测试及表征所需的形状,用砂纸打磨,去掉棱角,工业酒精中超声清洗50min,然后放在烘箱中于383K干燥5h;
步骤2:制备PCS-C料浆悬浮液(记为B)和PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮液(记为C):
选用二甲苯为溶剂,以陶瓷化产率为63wt.%的SiC陶瓷前驱体聚碳硅烷(PCS)为粘结剂,兼做SiC陶瓷源。将聚碳硅烷(PCS)、石墨(C)粉和二甲苯按照3:1:20的质量比置于烧杯中加热到333K、超声分散60min,得到均匀的PCS-C料浆悬浮液(记为B)。
选用丙酮为溶剂,以产碳率为53wt.%的热固性酚醛树脂(PR)为粘结剂前驱体,兼做碳源。先将PR和丙酮按照3:50的质量比置于烧杯中超声分散30min,得到均匀的PR-丙酮溶液备用。
称取一定量的超高温陶瓷前驱体氧化物TMxOy(TM=Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)、B4C、SiC和石墨(C)粉末研磨90min混合均匀,其中SiC与TMxOy的摩尔比设计应使SiC与TM元素的摩尔比为6:1。然后加入到分散好的PR-丙酮溶液中,湿式混料,制得均匀的PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮溶液(记为C)。
所述TMxOy(TM等摩尔比)、B4C和石墨(C)粉末的含量应符合反应式1,且多加入20wt.%的B4C和10wt.%的石墨(C)粉末。
2TMxOy(s)+xB4C(s)+(2y-x)C(s)→2xTMB2(s)+2yCO(g)(反应式1)
所述的料浆悬浮液B和C中不溶性颗粒固含量分别为70wt.%和60wt.%。
所述超声、搅拌处理具体为:超声波发生器中震荡20min;搅拌处理具体为:采用磁力搅拌不少于6h,且对于料浆悬浮液B需要同时加热搅拌,加热到333K。
步骤3:循环料浆涂覆-烘干-固化制备酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C/PCS-C预涂层:
将预处理过的试样在上述料浆悬浮液B和C中先后浸渍2次和5次、每次浸渍后于333K烘干,同时于453K固化1h,最后在流动Ar或N2气氛中于1173K热解处理3h,形成酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C/PCS-C预涂层。
步骤4:气相渗硅化锆(ZrSi2)制备(Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-ZrC-SiC/ZrC-SiC涂层:
将酚醛树脂碳(PRC)-TMxOy-B4C-SiC-C/PCS-C预涂层试样放入底部含硅化锆(ZrSi2)粉的石墨坩埚中(用多孔石墨板悬空隔开试样和渗料),然后在ZGS-350高温炉中以10K/min的速率在流动Ar气氛中加热至2373K,保温1h后自然冷却至室温。从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得(Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-ZrC-SiC/ZrC-SiC涂层石墨试样。
气相渗硅化锆(ZrSi2)辅助制备涂层过程中发生的原位反应包括反应(1)和如下反应(反应式3)。
ZrSi2(g→l→s)+C(s)→SiC(s)+ZrC(s)(反应式3)
上述(Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-ZrC-SiC/ZrC-SiC涂层石墨试样的微观组织如图4所示,涂层厚度约为300μm。经最高温度2500K氧乙炔焰烧蚀60s后线烧蚀率和质量烧蚀率分别为-0.093μm/s和0.0067mg/s。
实施例3
包埋固渗钛(Ti)粉辅助((Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-SiC-TiC-Ti)4多层梯度涂层制备:
步骤1:选用2.5D碳/碳(C/C)复合材料为基材,并对其进行预处理:
将所选基材切割成测试及表征所需的形状,用砂纸打磨,去掉棱角,工业酒精中超声清洗30min,然后放在烘箱中于383K干燥3h;
步骤2:制备四种不同超高温陶瓷前驱体粉末含量的PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮液(依次记为D、E、F和G):
选用丙酮为溶剂,以产碳率为53wt.%的热固性酚醛树脂(PR)为粘结剂前驱体,兼做碳源。先将PR和丙酮按照3:50的质量比置于烧杯中超声分散30min,得到均匀的PR-丙酮溶液备用。
称取一定量的超高温陶瓷前驱体氧化物TMxOy(TM=Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)、B4C、SiC和石墨(C)粉末研磨90min混合均匀,其中SiC与TMxOy的摩尔比设计分别使得SiC与TM元素的摩尔比为0、(15:1)、(15:1)和(15:1)。然后分别加入到分散好的PR-丙酮溶液中,湿式混料,制得均匀的具有不同SiC与TMxOy摩尔比的PR-TMxOy-B4C-SiC-C料浆悬浮溶液(依次记为D、E、F和G)。
所述TMxOy(TM等摩尔比)、B4C和石墨(C)粉末的含量应符合反应式1,且多加入20wt.%的B4C和30wt.%的石墨(C)粉末。
2TMxOy(s)+xB4C(s)+(2y-x)C(s)→2xTMB2(s)+2yCO(g)(反应式1)
所述的料浆悬浮液D、E、F和G的不溶性颗粒固含量为55wt.%、60wt.%、65wt.%和70wt.%。
所述超声、搅拌处理具体为:超声波发生器中震荡25min;搅拌处理具体为:采用磁力搅拌不少于7h。
步骤3:循环料浆涂覆-烘干-固化制备梯度层状(PRC-TMxOy-B4C-SiC-C)4预涂层:
将预处理过的试样在上述料浆悬浮液D、E、F和G中依次各浸渍2次、每次浸渍后于363K烘干,同时于453K固化1.5h,最后在流动Ar或N2气氛中于1123K热解处理2h,形成(PRC-TMxOy-B4C-SiC-C)4预涂层。
步骤4:包埋固渗钛(Ti)粉辅助制备((Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-SiC-TiC-Ti)4多层梯度涂层:
将酚醛树脂碳(PRC-TMxOy-B4C-SiC-C)4预涂层试样包裹在装有钛(Ti)粉和15wt.%熔盐(摩尔比为1:1的NaCl和KCl,以降低熔渗反应温度,进而减弱高温熔体对涂层基体及基材的损伤)的石墨坩埚中密封好,然后在ZGS-350高温炉中以9K/min的速率在流动Ar气氛中加热至2023K,保温2h后自然冷却至室温。从石墨坩埚内取出、373K热水中清洗、干燥即得((Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-SiC-TiC-Ti)4多层梯度涂层。
包埋固渗钛(Ti)粉辅助制备涂层过程中发生的原位反应包括反应(1)和如下反应(反应式4)。
Ti(l→s)+C(s)→TiC(s)(反应式4)
上述((Hf、Zr、Ti、Cr、Ta)B2-SiC-TiC-Ti)4多层梯度涂层碳/碳(C/C)复合材料试样,涂层厚度约为700μm。经10个热震循环、最高温度2600K氧乙炔焰烧蚀1200s后试样仍保持完整,线烧蚀率和质量烧蚀率仅分别为-0.35μm/s和0.17mg/s。
对比例1
包埋固渗硅(Si)和二氧化锆(ZrO2)混合粉辅助(Hf、Zr)B2-SiC-ZrC涂层制备:
步骤1:选用2.5D碳/碳(C/C)复合材料为基材,并对其进行预处理:
将所选基材切割成测试及表征所需的形状,用砂纸打磨,去掉棱角,工业酒精中超声清洗30min,然后放在烘箱中于373K干燥3h;
步骤2:制备PZS-PHS-SiC-C料浆悬浮液(记为H):
选用异丙醇为溶剂,以陶瓷化产率为35wt.%的碳化锆(ZrC)陶瓷前驱体(PZS)和陶瓷化产率为40wt.%的碳化铪(HfC)陶瓷前驱体(PHS)为粘结剂,兼做超高温陶瓷源。将能形成等摩尔比陶瓷的PZS和PHS按照(Zr与Hf原子比为1:1的PZS、PHS)与异丙醇1:3的质量比加入到异丙醇中,置于烧杯中超声分散60min,得到均匀的PZS-PHS-异丙醇溶液备用。
称取一定量的B4C、SiC和石墨(C)粉末研磨60min混合均匀,然后加入到分散好的PZS-PHS溶液中,湿式混料,制得均匀的PZS-PHS-B4C-SiC-C料浆悬浮溶液(记为H)。
所述PZS、PHS、B4C和石墨(C)粉末的含量应符合反应式5,且多加入20wt.%的B4C和15wt.%的石墨(C)粉末,其中SiC与石墨(C)粉末的摩尔比为2:1。
2ZrC(s)+2HfC(s)+B4C(s)→2(Hf、Zr)B2+5C(s)(反应式5)
所述的料浆悬浮液H中不溶性颗粒固含量为65wt.%。
所述超声、搅拌处理具体为:超声波发生器中震荡60min;搅拌处理具体为:采用磁力搅拌不少于5h。
步骤3:循环料浆涂覆-烘干-固化制备PZS-PHS-B4C-SiC-C预涂层:
将预处理过的试样在上述料浆悬浮液H中循环浸渍9次、每次浸渍后于363K烘干,同时于433K固化1h,最后在流动Ar或N2气氛中于1573K热解处理2h,形成PZS-PHS-B4C-SiC-C预涂层。
步骤4:包埋固渗硅(Si)和二氧化锆(ZrO2)混合粉辅助制备(Hf、Zr)B2-SiC-ZrC涂层:
将PZS-PHS-B4C-SiC-C预涂层试样包裹在装有硅(Si)和二氧化锆(ZrO2)混合粉的石墨坩埚中密封好,然后在ZGS-350高温炉中以15K/min的速率在流动Ar气氛中加热至2373K,保温2h后自然冷却至室温。从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得(Hf、Zr)B2-SiC-ZrC涂层碳/碳(C/C)复合材料试样。
将硅(Si)粉按照等摩尔比加入二氧化锆(ZrO2)中研磨50min混合均匀。包埋固渗完成后,将试样清洗并烘干。
包埋固渗硅(Si)和二氧化锆(ZrO2)混合粉辅助制备涂层过程中发生的原位反应包括反应(1)和如下反应(反应式6)。
Si(l→s)+ZrO2(s)+4C(s)→ZrC(s)+SiC(s)+2CO(g)(反应式6)
上述(Hf、Zr)B2-SiC-ZrC涂层厚度约为350μm。相比实施例1和2的气相渗,以及实施例3的熔盐辅助包埋固渗,对比例1所得涂层高温合金熔体腐蚀较严重,且残留游离硅(Si)较多,不利于提升抗高温氧化/烧蚀性能。
实施例结果表明,本发明原料利用率高、制备成本低,涂层成分、微结构可控,可高效地制备出高熵陶瓷改性涂层。实施例中高熵陶瓷改性涂层在1973K及以上空气环境中表现出良好的长时循环抗氧化/抗烧蚀性能。
Claims (10)
1.一种成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层,其特征在于以锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素与基底涂层的混合涂层;所述基底涂层包括SiC-Si、ZrC-ZrSi2或TiC-Ti;所述涂层为单层或多层。
2.根据权利要求1所述微结构可控高熵陶瓷改性涂层,其特征在于:所述任意四种或四种以上的元素为等摩尔比。
3.一种熔渗辅助原位反应制备权利要求1所述成分及微结构可控高熵陶瓷改性涂层的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、基材预处理:将基材切割、打磨,并超声清洗,然后放在烘箱中于323-393K干燥;
步骤2、制备料浆悬浮液:将溶剂、粘结剂混合超声分散,然后加入混匀的等摩尔比的目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy及B4C、石墨和SiC粉末,经超声、磁力搅拌或球磨,制得均匀的料浆悬浮溶液;
所述TMxOy、B4C、石墨和SiC粉末的质量分数分别为45-75%、3-18%、5-15%和8-27%;
所述TM为锆Zr、钛Ti、铪Hf、钽Ta、铌Nb、钒V、铬Cr、钼Mo或钨W中的任意四种或四种以上的元素;
所述溶剂与粘结剂的质量比为10-20:1-7;
步骤3、料浆浸渍即涂覆-烘干-固化制备预涂层:将预处理过的基材在上述料浆悬浮液中循环浸渍、-烘干-固化,然后热解处理,形成有一定孔隙率的预涂层;
所述固化程序为413-493K保温1-5h;
所述热解条件为3K/min升至873-1473K,保温1-5h后控制程序降温;
本步骤重复多次满足预涂层厚度;
步骤4、熔渗辅助原位反应制备高熵陶瓷改性涂层:将预涂材料放入装有相应渗料的石墨坩埚中,然后在ZGS-350高温炉中进行气g-液l-固s相熔渗辅助原位反应;反应结束后随炉冷却,从石墨坩埚内取出、清洗、干燥即得高熵陶瓷改性涂层;
所述熔渗辅助原位反应升温速率为5-20K/min;
所述熔渗辅助原位反应温度为2073-2423K;
所述熔渗辅助原位反应保温时间为0.5-2.5h;
步骤3和步骤4中保护气为Ar气。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述超声清洗采用去离子水或工业酒精超声清洗20-70min。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述溶剂为无水乙醇、二甲苯、异丙醇或者丙酮。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述粘结剂为热固性酚醛树脂,兼做碳C源;SiC陶瓷前驱体PCS,兼做SiC源;ZrC陶瓷前驱体PZS,兼做ZrC源;或HfC陶瓷前驱体PHS,兼做HfC源。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述目标高熵陶瓷固溶体对应的前驱体粉末TMxOy的纯度为99%,粒度500目。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述B4C、石墨C和SiC的纯度为99%,粒度300目。
9.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述步骤2料浆悬浮液的颗粒固含量为50-80%。
10.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述混料处理具体为:将装有称量好原料的烧杯或者球磨罐放入超声波发生器中震荡20-50min;然后采用磁力搅拌或球磨混料2-17h。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114133263A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-03-04 | 中广核研究院有限公司 | 碳化硅的高熵合金连接方法及碳化硅连接件 |
CN114276142A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-05 | 中南大学 | 一种涂敷-反应熔渗制备多元超高温陶瓷涂层的方法 |
CN115286390A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 西北工业大学 | C/C复合材料表面ZrC-SiC抗烧蚀涂层及涂刷法结合气相反应复合制备方法 |
CN116639980A (zh) * | 2023-05-22 | 2023-08-25 | 中南大学 | 一种多元碳化物陶瓷涂层的制备方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105439642A (zh) * | 2015-05-05 | 2016-03-30 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种覆有金属碳化物涂层的碳基材料及其制备方法 |
CN106747477A (zh) * | 2015-11-25 | 2017-05-31 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种Cf/SiC-ZrC-ZrB2超高温陶瓷基复合材料的制备方法 |
EP3282038A2 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-14 | Goodrich Corporation | High temperature oxidation protection for composites |
CN108530109A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-14 | 西北工业大学 | 一种碳/碳复合材料表面1500~1700℃抗氧化涂层及制备方法 |
CN111254379A (zh) * | 2020-03-15 | 2020-06-09 | 河北工业大学 | 高熵陶瓷涂层的制备方法 |
CN112374916A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-02-19 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法 |
-
2021
- 2021-07-01 CN CN202110746078.8A patent/CN113321533A/zh active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105439642A (zh) * | 2015-05-05 | 2016-03-30 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种覆有金属碳化物涂层的碳基材料及其制备方法 |
CN106747477A (zh) * | 2015-11-25 | 2017-05-31 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种Cf/SiC-ZrC-ZrB2超高温陶瓷基复合材料的制备方法 |
EP3282038A2 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-14 | Goodrich Corporation | High temperature oxidation protection for composites |
CN108530109A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-14 | 西北工业大学 | 一种碳/碳复合材料表面1500~1700℃抗氧化涂层及制备方法 |
CN111254379A (zh) * | 2020-03-15 | 2020-06-09 | 河北工业大学 | 高熵陶瓷涂层的制备方法 |
CN112374916A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-02-19 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PEI ZHANG: "Microstructure evolution of in-situ SiC-HfB2-Si ternary coating and its corrosion behaviors at ultra-high temperatures", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》, vol. 41, no. 13, 29 May 2021 (2021-05-29), pages 1 - 3, XP086723963, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.058 * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114133263A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-03-04 | 中广核研究院有限公司 | 碳化硅的高熵合金连接方法及碳化硅连接件 |
CN114133263B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-02-28 | 中广核研究院有限公司 | 碳化硅的高熵合金连接方法及碳化硅连接件 |
CN114276142A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-05 | 中南大学 | 一种涂敷-反应熔渗制备多元超高温陶瓷涂层的方法 |
CN114276142B (zh) * | 2022-01-25 | 2022-09-02 | 中南大学 | 一种涂敷-反应熔渗制备多元超高温陶瓷涂层的方法 |
CN115286390A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 西北工业大学 | C/C复合材料表面ZrC-SiC抗烧蚀涂层及涂刷法结合气相反应复合制备方法 |
CN115286390B (zh) * | 2022-07-11 | 2023-08-08 | 西北工业大学 | C/C复合材料表面ZrC-SiC抗烧蚀涂层及涂刷法结合气相反应复合制备方法 |
CN116639980A (zh) * | 2023-05-22 | 2023-08-25 | 中南大学 | 一种多元碳化物陶瓷涂层的制备方法 |
CN116639980B (zh) * | 2023-05-22 | 2024-02-02 | 中南大学 | 一种多元碳化物陶瓷涂层的制备方法 |
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