一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳化鉭復合涂層及其制備方法，屬于涂層材料領域。
【背景技術】
[0002] 碳化鉭（TaC)具有高熔點（3880°C)、高硬度（莫氏硬度大于9)、高化學穩(wěn)定性 以及較好的耐燒蝕和耐熱沖擊性能，是一種比較有應用前景的高溫結構材料。目前制備 TaC涂層的主要方法有化學氣相沉積法（CVD)和包埋法。中南大學的李國棟、陳招科等 人采用CVD方法在C/C復合材料表面制備出低應力、無裂紋的TaC涂層，研宄表明短時間 內（60秒）TaC涂層能夠提高C/C復合材料的抗燒蝕性能【1Z. -k.Chen，X.Xiong，G. -d. Lietal. ,Ablationbehaviorsofcarbon/carboncompositeswithC-SiC-TaC multi-interlayers,AppliedSurfaceScience,vol. 255,no. 22,pp. 9217-9223,2009.2 X.X.LIGuo-dong,HUANGKe-long，AblationmechanismofTaCcoatingfabricated bychemicalvapordepositiononcarbon-carboncomposites,Transactionsof NonferrousMetalsSocietyofChina，vol. 19,pp.s689_s695, 2009.】D 然而米用CVD 方法制備TaC涂層存在先驅體氣源合成難度大、沉積效率低、制備周期長、成本高以及難 以制備復合涂層等問題。姚棟嘉等人采用包埋法制備了TaC涂層，發(fā)現(xiàn)采用該方法制備 的TaC涂層結構不均勻【3姚棟嘉，李賀軍等，C/C復合材料Ta205_TaC/SiC抗氧化抗燒蝕 涂層研究，中國材料進展.2011 (11) 30】。等離子體噴涂技術具有噴涂材料范圍廣、火焰 溫度高、噴涂氣氛易于控制等特點，適合于制備高溫涂層材料。Y. -j.Wang等采用大氣等 離子體噴涂法在C/C復合材料表面制備了TaC涂層。由于噴涂在大氣中進行，TaC部分 氧化生成了Ta205【4Y.-j.Wang，H.-j.Li，Q.-g.Fuetal.，Ablationbehaviourofa TaCcoatingonSiCcoatedC/Ccompositesatdifferenttemperatures,Ceramics International，vol. 39,no. 1，pp. 359-365, 2013.】。真空等離子體噴涂技術（vacuum plasmaspray，VPS)，又稱低壓等離子體噴涂（lowpressureplasmaspray，LPPS)， 是在惰性氣氛的保護下完成噴涂過程的，在噴涂過程中粉末幾乎不被氧化，可制備與 噴涂粉末的化學組成基本相同的涂層。目前有研究報道，采用真空等離子體噴涂技 術可以制備結構均勾的TaC涂層：K.Balani等人采用真空等離子體噴涂技術成功制 備了TaC涂層，研究了其微觀結構及機械性能【5K.Balani，G.Gonzalez，A.Agarwal etal. ,Synthesis,MicrostructuralCharacterization,andMechanicalProperty EvaluationofVacuumPlasmaSprayedTantalumCarbide,JournaloftheAmerican CeramicSociety，vol. 89,no. 4,pp. 1419-1425, 2006.】。R.A.Morris和B.C.Schulz等人也 采用VPS方法制備了TaC厚涂層，研究了不同碳含量及HfC第二相對TaC塊體的微觀結構及 相組成的影響【6R.A.Morris，B.Wang，D.Buttsetal.，VariationsinTantalumCarbide MicrostructureswithChangingCarbonContent,InternationalJournalofApplied CeramicTechnology,vol. 10,no. 3,pp. 540-551, 2013. 7B.C.Schulz,B.Wang,R.A.Morris etal. ,Influenceofhafniumcarbideonvacuumplasmasprayprocessedtantalum carbidemicrostructures,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,vol. 33,no. 6,pp. 1219-1224, 2013.】。
[0003]TaC涂層的靜態(tài)氧化研宄表明：在1500°C以下為無液相存在的氧化過程，涂層容 易發(fā)生剝落，抗氧化性能較差，無法有效的保護基體；1500°C以上由于液相的產生，TaC涂 層未發(fā)生大面積剝落，但會發(fā)生高溫燒結收縮，形成裂紋，不利于TaC涂層在超高溫氣流沖 刷的環(huán)境中形成致密的氧化物保護層，涂層難以抵擋氣流的沖刷及氧氣的侵入【8李國棟， 熊翔，黃伯云等，TaC涂層的氧化特征與氧化機制，中國有色金屬學報，2007 (17) 360-367.】。 TaC塊體陶瓷的研宄表明，采用低熔點碳化硅（SiC)作為第二相，可以降低燒結溫度，提高 塊體致密度和力學性能【9H.Liu,L.Liu,F.Yeetal.，Microstructureandmechanical propertiesofthesparkplasmasinteredTaC/SiCcomposites:Effectsof sinteringtemperatures,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,vol. 32,no.13, pp. 3617-3625, 2012.】。同時在高溫有氧環(huán)境下，SiC氧化形成Si02玻璃相，具有較低的氧 透過率，能夠阻擋氧氣擴散【lOChangNi，KezhiLi,LeiLiu,HejunLietal.，Ablation mechanismofSiCcoatedC/Ccompositesat0°angleintwoflameconditions underanoxyacetyleneflame,CorrosionScience84(2014) 1 - 10】。因此制備TaC-SiC 復合涂層，有望提高TaC涂層在超高溫下的抗燒蝕性能。但目前，尚未有關于TaC-SiC復合 涂層的報道。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有涂層耐高溫抗燒蝕性能方面的缺陷，本發(fā)明提供了碳化鉭復 合涂層及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明提供了一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復合涂層，所述碳化鉭復合涂層由TaC主 相和SiC第二相組成，其中SiC第二相的含量為5~30vol. %。
[0006] 較佳地，所述碳化鉭復合涂層的厚度為30~150ym。
[0007] 又，本發(fā)明還提供了一種上述碳化鉭復合涂層的制備方法，包括： 根據(jù)所述碳化鉭復合涂層的組成，分別稱取碳化鉭粉體、碳化硅粉體，均勻混合后，得 到原料粉體； 采用真空等離子體噴涂工藝，將原料粉體噴涂到基材上，形成所述碳化鉭復合涂層。
[0008] 較佳地，采用的TaC粉體粒徑為5~80ym、純度大于98.Owt. %;采用的SiC粉體 粒徑為5~60ym、純度大于98.Owt. %。
[0009] 較佳地，真空等離子體噴涂工藝的參數(shù)包括：等離子體氣體Ar:30~40slpm;粉 末載氣Ar:2~lOslpm;等離子體氣體H2:2~20slpm，優(yōu)選7_20slpm;噴涂距離：120~ 350mm;噴涂功率：30~52kW，優(yōu)選32-52kW;送粉速率：5~30r/min;噴涂壓力：100~ 800mbar。
[0010] 較佳地，所述基材經(jīng)過表面預處理。
[0011] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明提出采用真空等離子體噴涂技術，以TaC-SiC粉體為原料，制備TaC-SiC復合涂 層，該涂層材料在高溫火焰、氣流沖刷的苛刻環(huán)境中具有較低的燒蝕質量損失率，顯示良好 的抗燒蝕性能，顯著提高TaC涂層的抗燒蝕性能。
【附圖說明】
[0012] 圖1為實施例1中制備的TaC-SiC復合涂層截面形貌圖； 圖2為實施例1中制備的TaC-25vol. %SiC復合涂層截面形貌圖（左圖）及其Si元 素面掃描圖（右圖）； 圖3為實施例1中制備的TaC-25vol. %SiC復合涂層原始表面宏觀照片（a)、采用高溫 等離子體火焰燒蝕60秒（b)和300秒（c)后TaC-25vol. %SiC復合涂層表面宏觀照片； 圖4為實施例2中制備的TaC-15vol. %SiC復合涂層原始表面宏觀照片（a)、采用高 溫等離子體火焰燒蝕60秒（b)和300秒（c)后TaC-15vol. %SiC復合涂層表面宏觀照片。
【具體實施方式】
[0013] 以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，附圖及下述實施方式 僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0014] 本發(fā)明涉及一種耐高溫抗燒蝕涂層材料，特別提供了 一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復 合涂層及其制備方法。碳化鉭復合涂層特征在于由碳化鉭主相和碳化硅第二相組成，復合 涂層中SiC的含量為5~30vol. %，涂層厚度為30~150ym。
[0015] 碳化硅的添加能夠顯著提高碳化鉭涂層的抗燒蝕性能，降低燒蝕質量損失率，在 高溫有氧、氣流沖刷的苛刻環(huán)境中能夠長時間地保護基體材料。本發(fā)明同時具有工藝簡單、 效率高、可重復性好等優(yōu)點。
[0016] 本發(fā)明要解決的另一個技術問題是提供一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復合涂層的制 備方法，即采用真空等離子體噴涂技術，具體的說，是在低于大氣壓的密閉空間里，原料粉 體被送入高溫高速的等離子體火焰中，加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，連續(xù)高速撞擊基體表面， 形成涂層。
[0017] 涂層制備的步驟如下： (1)基體經(jīng)過噴砂（噴砂壓強為0. 1~IMPa)后，在無水乙醇溶液中超聲1~2次，每 次5~20分鐘，在80~120°C烘干2~12小時，備用； ⑵選擇粒徑5~80ym、純度大于98.Owt. %的TaC粉體和粒徑5~60ym、純度大于 98.Owt. %的SiC粉體，按照一定體積比進行配料，以乙醇為介質在球磨機上機械混合2~ 12小時，在80~120°C烘干5~24或12-36小時，制成SiC含量5~30vol. %的復合粉 體； (3)采用真空等離子體噴涂技術將TaC-SiC復合粉體噴涂在基體表面，噴涂工藝參數(shù) 見表1，所述TaC-SiC復合涂層厚度為30~150ym。
[0018] 表1真空等離子體噴涂TaC-SiC復合涂層工藝參數(shù)
【主權項】
1. 一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復合涂層，其特征在于，所述碳化鉭復合涂層由TaC主相 和SiC第二相組成，其中SiC第二相的含量為5-30vol. %。
2. 根據(jù)權利要求1所述的碳化鉭復合涂層，其特征在于，所述碳化鉭復合涂層的厚度 為 30_15〇Mm。
3. -種權利要求1或2所述碳化鉭復合涂層的制備方法，其特征在于，包括： 根據(jù)所述碳化鉭復合涂層的組成，分別稱取碳化鉭粉體、碳化硅粉體，均勻混合后，得 到原料粉體； 采用真空等離子體噴涂工藝，將原料粉體噴涂到基材上，形成所述碳化鉭復合涂層。
4. 根據(jù)權利要求3所述的碳化鉭復合涂層的制備方法，其特征在于，采用的TaC粉體粒 徑為5-8〇Mm、純度大于98. Owt. % ;采用的SiC粉體粒徑為5-6〇Mm、純度大于98. Owt. %。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，真空等離子體噴涂工藝的參數(shù) 包括：等離子體氣體Ar :30-40 slpm ;粉末載氣Ar :2-10 slpm ;等離子體氣體H2:2-20 slpm，優(yōu)選7-20slpm;噴涂距離：120-350 mm;噴涂功率：30-52 kw，優(yōu)選32-52kW;送粉速 率：5-30 r/分鐘；噴涂壓力：100-800 mbar。
6. 根據(jù)權利要求3-5中任一所述的制備方法，其特征在于，所述基材經(jīng)過表面預處理。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種耐高溫抗燒蝕碳化鉭復合涂層及其制備方法，所述碳化鉭復合涂層由TaC主相和SiC第二相組成，其中SiC第二相的含量為5~30vol.%。該涂層材料在高溫火焰、氣流沖刷的苛刻環(huán)境中具有較低的燒蝕質量損失率，顯示良好的抗燒蝕性能，顯著提高TaC涂層的抗燒蝕性能。
【IPC分類】C23C4-10, C23C4-12
【公開號】CN104651771
【申請?zhí)枴緾N201510097131
【發(fā)明人】普慧, 牛亞然, 蘇運娟, 趙君, 黃利平, 季珩, 鄭學斌
【申請人】中國科學院上海硅酸鹽研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年3月4日