ZrC涂层及其复合涂层的制备和性能研究

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为了进一步提高炭/炭(C/C)复合材料的抗冲刷耐烧蚀性能,本研究在C/C复合材料表面制备了ZrC或者ZrC/SiC复合涂层作为防护涂层。采用ZrCl4-CH4-H2-Ar反应体系,冷态输送ZrCl4粉末化学气相沉积(CVD)制备ZrC涂层。通过热力学计算,结合实验结果,分析了低压冷态输送ZrCl4化学气相沉积ZrC涂层的特点,选用X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)和扫描电镜(SEM)等现代测试手段研究了工艺参数(温度、氢气流量、碳锆比、沉积压力、沉积位置等因素)对ZrC涂层的物相组成、表面形貌和断面结构的影响,从而优化了制备工艺。利用纳米压痕和DR6130氧乙炔焰烧蚀实验分别研究了不同结构涂层的力学性能和烧蚀性能。利用SiC过渡涂层缓解ZrC涂层和C/C复合材料之间的热匹配问题。研究结果表明:冷态输送ZrCl4粉末大幅度降低了ZrC的化学气相沉积温度,且容易获得大面积、结构均匀的ZrC涂层。随着温度的升高、氢气流量的增加、C/Zr比和压力的减小,炭含量减少,涂层(200)晶面择优生长增强,致密度增加,硬度和弹性模量分别增加了11.67和6.32倍,线烧蚀率和质量烧蚀率大幅度减低。而沉积速率则随着温度的升高、C/Zr比的增加而增大,随着氢气流量的逐渐增加先变大后变小。初步认定制备ZrC涂层最佳工艺参数为:温度为1450~1600℃;C/Zr为1:1;C/H≤1/15;压力为3-5KPa。复合涂层的线烧蚀率相对于单一ZrC涂层的没有太大变化,但质量烧蚀率却减小了73%,并且,烧蚀裂纹变小。可知,SiC过渡层在一定程度上缓解了ZrC涂层与C/C复合材料的界面处的内应力。
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