ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能研究

为了提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,采用浆料浸涂与原位反应复合工艺在材料表面制备了ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层,利用氧-丙烷火焰测试了涂层的抗烧蚀性能。结果表明:采用复合工艺所制备的ZrB2-SiC超高温陶瓷涂层与基材具有较高的结合强度;在氧-丙烷火焰冲刷条件下,涂层具有良好的抗烧蚀性能,涂层经1500℃下烧蚀600 s,ZrB2-SiC涂层无明显烧蚀,C/C复合材料保持完好。微观结构观察表明:烧蚀测试后,涂层中存在ZrO2和大量超高温陶瓷相,涂层抗烧蚀形式主要表现为热化学烧蚀和机械剥蚀。

C_f/SiC复合材料的ZrB_2-SiC/SiC超高温陶瓷涂层研究

采用两步包埋法在Cf/SiC复合材料表面制备了Zr B_2-SiC/SiC超高温陶瓷涂层。借助SEM、XRD对涂层的微观结构及物相组成进行了分析研究,并进行了高温静态氧化和热震测试。研究表明,1500°C氧化5 h后,涂层表面覆盖有平整的玻璃相氧化层,氧化失重率为6.4%;热震测试10次后涂层的氧化失重率为14%。Zr B_2-SiC/SiC涂层能有效提高Cf/SiC复合材料的高温抗氧化性能。

C/C复合材料ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层的研究进展

ZrB_(2)基超高温陶瓷因其优异的高温抗氧化和烧蚀等性能,成为C/C复合材料理想的热防护涂层材料。本文从以下几个方面对C/C复合材料表面用ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层的研究现状进行了综述:介绍了ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层体系的主要制备技术,并对比了其制备的涂层抗氧化性和抗烧蚀性,总结了各制备方法的优点与不足;从单元、双元、三元材料掺杂改性的角度,详述了ZrB_(2)基复合涂层常见的材料体系,总结了其改性思路;介绍了ZrB_(2)基涂层在多层结构设计与开发方面的研究现状。最后简要展望了ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层未来的研究方向。

大气等离子喷涂ZrB2/SiC/TaSi2超高温陶瓷涂层及其性能研究

高超声速飞行器在飞行过程中面临强烈的气动加热,而C/C复合材料因其优异的高温热稳定性而受到了航天领域的广泛关注,但也存在高温抗氧化能力不足的问题。本文以硼化锆、碳化硅、二硅化钽为原料制备了复合粉体材料,通过大气等离子喷涂(APS)工艺在C/C基体表面制备了高温抗氧化陶瓷涂层;采用SEM、EDS等检测手段对喷雾干燥粉末和涂层的相和微观结构进行了表征,并选用氧乙炔火焰在1800℃下对涂层样品进行了300s烧蚀考核。研究结果表明,TaSi2的加入可以降低复合粉体的共熔温度,在喷涂时粉末可以产生更多的共熔共晶组织,提高粉末沉积效率;采用大气等离子喷涂制备得到的ZrB2/SiC/TaSi2复合陶瓷涂层表现出了优异的高温抗氧化性能,涂层无明显剥落破碎等现象;烧蚀过程中TaSi2可以促进稳定的共晶氧化物的形成以及补充挥发的玻璃相,涂层表面形成了致密的Zr-Ta-O共晶氧化物,起到阻氧屏障的作用,从而使涂层具有更好的抗烧蚀性能。

超高温陶瓷涂层的研究进展

综述了近年来超高温陶瓷涂层的研究现状及其在航空航天领域的应用,归纳了常用的硅化物涂层、碳化物涂层、硼化物涂层、氧化物涂层以及复合涂层的研究进展。从其结构、性能及作用机理等方面进行了阐释,并对超高温陶瓷涂层的发展方向进行了展望。

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。

C/SiC喷管及其超高温抗氧化涂层烧蚀行为模拟研究

目的提高C/SiC材料发动机喷管的高温抗烧蚀性能。方法基于质量、能量守恒和物性方程建立发动机喷管内燃气湍流模型,应用数值模拟方法计算喷管基体和各涂层的线烧蚀速率,并验证模型的准确性。通过比较不同种类涂层的抗烧蚀性能及涂层间匹配性,建立多元复合涂层体系,分析体系烧蚀行为及烧蚀机理,对HfO2-ZrC-SiC-C/SiC四元体系在不同温度下的线烧蚀速率进行计算。结果 Hf系、Zr系涂层抗氧化烧蚀性能优异,最大线烧蚀速率皆处于0.3~1.2μm/s之间。HfO2具有良好的抗烧蚀性能和自身稳定性。相较其他体系,HfO2-ZrC-SiC-C/SiC体系喷管的喉部及扩散段线烧蚀率更低。体系在7 MPa下,分别在1700、2100、2500、2900K计算了线烧蚀速率,最大线烧蚀速率区域产生了迁移现象,各温度梯度线烧蚀速率分别提高了174%、20.22%、18.04%。结论 HfO2能够有效地降低喷管收敛段的烧蚀速率,且适合作为复合涂层体系最外层。温度升高明显加剧了化学反应烧蚀和机械剥蚀,高温度下机械剥蚀是烧蚀的主要因素。

C/C-SiC-ZrB2复合材料表面SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层的制备及抗氧化烧蚀性能研究

目的研究C/C-SiC-ZrB2复合材料表面SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层的制备、抗氧化烧蚀性能与机理。方法选择ZrB2和SiC改性的C/C复合材料为基体,通过包埋-刷涂法在C/C-SiC-ZrB2复合材料表面制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC多重抗氧化涂层,并对复合材料的微结构、抗氧化烧蚀性能与机理进行分析和研究。结果制备了一种三层结构的SiC/ZrB2-SiC/SiC超高温陶瓷复合涂层,获得了风洞考核试验下的复合材料微结构变化、线烧蚀率等试验数据,并得到了C/C-SiC-ZrB2复合材料的氧化烧蚀机理。结论SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层对C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗氧化和耐烧蚀性能具有明显提升,有效提高了C/C-SiC-ZrB2复合材料的综合热防护性能。

浆料-烧结法制备ZrB2-SiC-B4C涂层及性能研究

通过浆料刷涂-烧结法在Cf/SiC复合材料表面制备了ZrB2-SiC-B4C超高温陶瓷涂层,研究了浆料中粉末填料、稀释剂的质量分数及高温烧结温度对涂层形貌、成分和相组成的影响。结果表明:当粉末填料与树脂质量比为1∶1、稀释剂与树脂质量比为1∶2、高温烧结温度为1500℃时,在Cf/SiC表面可形成致密、结合力强的ZrB2-SiC-B4C涂层。涂层内部相组织均匀,Ra<1μm,孔隙率约为4.2%,平均拉伸剪切强度约为5.4 MPa。1500℃等温氧化30 h后,有涂层Cf/SiC复合材料的失重率约为10.7%,涂层表面形成了完整的含有ZrO2-SiO2的复合氧化膜,为基体提供了有效的氧化防护。这说明Cf/SiC复合材料表面涂覆ZrB2-SiC-B4C涂层有望满足高温燃流环境的使用要求。

热障涂层陶瓷层材料研究进展

热障涂层是一个复杂的热防护系统,包括陶瓷顶层、粘结层以及在使用过程中形成的热生长氧化物层,其主要作用是降低高温结构材料的表面温度,提高基体材料的耐用性和安全性。其中陶瓷顶层材料直接与高温环境接触,工作环境恶劣,容易发生开裂和剥落,是制约热障涂层发展的主要原因。本文系统地总结热障涂层的制备方法、新型超高温热障涂层材料以及材料计算模拟在热障涂层材料的设计应用三个方面的研究进展。在此基础上,指出热障涂层陶瓷材料未来的发展方向。

Effect of nano-size nickel particles on wear resistance and high temperature oxidation resistance of ultrafine ceramic coating

In order to improve the wear resistance and high temperature oxidation resistance of titanium and titanium alloy, the high temperature ultra fine ceramic coating containing nano-size nickel particles was prepared by flow coat method on the surface of industrially pure titanium TB1-0. The effects of nano-size nickel particles on the wear resistance and high temperature oxidation resistance of coating substrate system were investigated through oxidation kinetics experiment and wear resistance test. The morphologies of the specimens were examined by means of optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The results show that the high temperature ultra fine ceramic coating has notable protection effect on industrially pure titanium TB1-0 from oxidation. The oxidation and wear resistance properties of the coating can be effectively improved by adding nano-size nickel particles. The oxidative mass gain of the specimen decreases from 11.33 mg·cm-2 to 5.25 mg·cm-2 and the friction coefficient decreases from 1.1 to 0.6 by adding nano-size nickel particles, and the coating containing 10% （mass fraction） nano-size nickel shows the optimum properties.

热震对包覆ZrB_(2)-SiC-La_(2)O_(3)/SiC涂层渗硅石墨力学性能的影响

采用涂刷法和包埋法在渗硅石墨基体表面制备了双层结构的ZrB_(2)-SiC-La_(2)O_(3)/SiC防护涂层,与表面无包覆涂层的渗硅石墨作对比,采用三点弯曲实验方法研究了热震对其力学性能的影响。结果表明,1500℃到室温之间循环热震10次后,表面无包覆涂层的样品单位面积氧化失重为52.1 mg/cm^(2),弯曲强度保持率仅为52.0%;而包覆涂层样品单位面积氧化增重为5.6 mg/cm^(2),弯曲强度保持率达78.5%,包覆ZrB2-SiC-La2O3/SiC涂层的样品热震后能保持良好的力学性能。在热震过程中ZrB_(2)-SiC-La_(2)O_(3)/SiC涂层氧化生成的氧化层可有效地保护石墨基体不被氧化,避免了样品内部各种缺陷的产生,从而提高了其弯曲强度。