SiC基材的抗氧化腐蚀涂层的研究现状与方向.PDF

SiC 基材的抗氧化腐蚀涂层的研究现状与方向 潘 牧 南策文 摘 要 总结了近年来SiC 基材的抗氧化腐蚀涂层的研究现状 讨论了影响涂层热震性能和 抗氧化腐蚀性能的因素 提出了等离子喷涂层中的亚稳结构在服役过程中向热力学稳定结构 转变产生的相变应力是影响涂层热震性能的关键因素 涂层的抗热震性能直接关系到涂层对 氧化腐蚀环境的防护作用 展望了该领域内的研究方向 关键词 SiC 基材 涂层 氧化 腐蚀 1 前 言 碳化硅材料具有优异的高温力学性能 如比金属和金属间化合物好的高温强度和抗蠕变 性能 比氧化物陶瓷好的热导率和抗热震性能 因而它们得到了广泛的应用 如用作热交换 器 结合氮化硅可作窑具用材在高炉 高速烧嘴套管 铝熔炼炉等场合下应用 陶瓷基复合 材料特别是耐火纤维增强的SiC 材料可在航天器上应用 航天器上使用的C C 复合材料高 温氧化问题 采用CVD 沉积碳化硅涂层表面用玻璃密封剂即可解决 碳化硅的这些应用都处 于高温恶劣环境 因此提高其抗高温侵蚀性能是目前研究的重点之一 所采取的有效措施之 一是在碳化硅材料表面涂覆抗氧化腐蚀涂层 这些涂层必须具备 (1)与基体结合良好 (2)抗热震性能好 (3)化学稳定性好 (4)高温热稳定性好 在高温长时间工作中结构和性能不发生变化 (5)涂层致密 能起腐蚀介质与SiC 基体间的屏蔽层作用 近年来 国外 如美国的橡树岭国家实验室 1 太阳燃气轮机股份公司 2 美国航天 局路易斯研究中心 3 德国航天研究院 4 澳大利亚Monash 大学 6 7 都对SiC 基材的抗 氧化腐蚀涂层进行了大量的研究 国内 如武汉工业大学等也开展了这方面的研究 8 本 文总结了近年来SiC 基材的抗氧化腐蚀涂层研究的概况 并分析其进展和存在的问题 1 2 涂层制备方法 碳化硅材料表面的陶瓷涂层首先必须满足抗氧化腐蚀性能的要求 因此氧化物陶瓷涂层 是首选对象 氧化物涂层的制备方法有等离子喷涂法 Sol-Gel 法 涂覆涂料法和CVD 法等 1 11 实际上采用涂覆涂料法改进耐火材料的抗氧化腐蚀性能已经应用多年 如以 Al O -V O -SiO -RO 构成的涂料保护马弗式隧道窑中碳化硅质燃烧室 寿命提高1 2 倍 7 2 2 2 5 2 2 涂覆涂料法就是将涂层材料制成料浆 涂覆在SiC 基材表面 烘干 这种方法工艺简单 成 本低廉 但涂层与基体结合不牢 涂层中含有大量玻璃质相 高温结构不稳定 抗热震性能 差等缺点 限制了它在许多场合中的应用 等离子喷涂 Sol-Gel CVD 等新技术近10 年来已被用于SiC 基材表面陶瓷涂层的制备 研究 相对而言 等离子喷涂技术由于工艺性好 可工业化生产 更得到了青睐 等离子焰 流温度可达20 000 特别适合制备氧化物涂层 但其涂层含有5% 15%孔隙率 影响它 的抗氧化腐蚀性能等 因此还有许多关键问题有待研究 Sol-Gel 和CVD 法都可以在SiC 基 材表面制备氧化物陶瓷涂层 但工艺复杂 多用于小尺寸的SiC 基材表面 如在SiC 基材晶 须表面涂覆氧化物 10 但用这类方法制备涂层的技术还不成熟 必须对涂层的结构和性能 进行大量的研究 如用CVD 制备的莫来石涂层是非化学计量的热力学不稳定的亚稳莫来石 13 3 等离子喷涂层 3.1 界面结合与净化 等离子喷涂层与基体的结合主要依靠涂层与基体的镶嵌铆合的机械力 而不是化学键 因此基体表面要求粗糙 干净 活性好 普通金属材料一般采用喷砂处理即可 但SiC 基材 非常坚硬 喷砂很难达到粗糙表面的目的 化学腐蚀预处理是常用的研究方法 可以得到高粗糙度(R 为6 m 而喷砂相对低一 a 些 R