热防护系统用碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层研究进展
周帆, 田志林, 李斌
无机材料学报
2025, 40 ( 1):
1-16.
DOI:10.15541/jim20240317
碳化物超高温陶瓷具有高熔点(>3000 ℃)、高硬度、低热导率、优异的耐高温性和良好的化学稳定性等优点, 是高超声速飞行器热防护系统的理想涂层材料。本文概述了碳化物超高温陶瓷(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)的结构与性质, 总结了化学气相沉积法、等离子喷涂法和固相反应法制备碳化物超高温陶瓷涂层的研究进展, 分析了涂层微观结构、组分、结构设计以及热流密度对烧蚀行为的影响。研究表明, 添加第二相形成多元复合涂层和采用多层结构设计, 可以有效提升碳化物超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。添加第二相形成复杂氧化物, 可使烧蚀后的氧化层适度烧结, 从而获得良好的结构完整性和阻氧性能。采用梯度分层和多层功能结构设计, 有效缓解了涂层热应力, 抑制了裂纹扩展, 并促进了不同层间的协同增强作用。最后, 结合研究现状, 对碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层发展面临的挑战与机遇进行了展望。
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图3
不同温度下沉积的TaC涂层的表面形貌[103]
正文中引用本图/表的段落
沉积温度和过饱和度是两个关键的工艺参数, 显著影响沉积物的微观结构。过饱和度是指输入气相中前驱体的分压与平衡分压的比率[101]。研究表明, 随着沉积温度升高和过饱和度降低, 碳化物UHTCs的微观结构会依次经历细晶、柱状晶和枝状晶的转变[102]。Chen等[103]研究表明, TaC涂层的晶体结构与沉积温度密切相关。如图3所示, 800 ℃沉积涂层表面由细小的球状晶粒组成; 而1200 ℃沉积涂层表面呈现尖锐的金字塔形。Kong等[104]通过不断提高沉积温度, 制备了四种具有不同截面微观结构(纳米针状晶、针状晶、柱状晶和枝状晶)的TaC涂层, 并观察到涂层的孔隙率随着截面微观结构从纳米针状晶到枝状晶的演变而逐渐增加。Ma等[105]发现ZrC涂层的微观结构随沉积时间延长而发生变化。在沉积初期, 由于快速形核作用, 涂层呈现细晶结构; 而随着沉积时间延长, 晶粒生长逐渐占据主导地位, 涂层最终演变为柱状晶结构。
(a) 800 ℃; (b) 1200 ℃ ... Ablation behavior of CVD-TaC coatings with different crystal structures for C/C composites under oxyacetylene flame 2 2022 ... 沉积温度和过饱和度是两个关键的工艺参数, 显著影响沉积物的微观结构.过饱和度是指输入气相中前驱体的分压与平衡分压的比率[101].研究表明, 随着沉积温度升高和过饱和度降低, 碳化物UHTCs的微观结构会依次经历细晶、柱状晶和枝状晶的转变[102].Chen等[103]研究表明, TaC涂层的晶体结构与沉积温度密切相关.如图3所示, 800 ℃沉积涂层表面由细小的球状晶粒组成; 而1200 ℃沉积涂层表面呈现尖锐的金字塔形.Kong等[104]通过不断提高沉积温度, 制备了四种具有不同截面微观结构(纳米针状晶、针状晶、柱状晶和枝状晶)的TaC涂层, 并观察到涂层的孔隙率随着截面微观结构从纳米针状晶到枝状晶的演变而逐渐增加.Ma等[105]发现ZrC涂层的微观结构随沉积时间延长而发生变化.在沉积初期, 由于快速形核作用, 涂层呈现细晶结构; 而随着沉积时间延长, 晶粒生长逐渐占据主导地位, 涂层最终演变为柱状晶结构. ...
本文的其它图/表
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图1
过渡金属碳化物的岩盐晶体结构
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图2
过渡金属碳化物硬度随C含量变化趋势[32]
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表1
碳化物超高温陶瓷的性质[23⇓⇓⇓⇓⇓-29,36⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓ -65]
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图4
(a)等离子喷涂系统示意图[121], (b)等离子喷涂涂层微观结构示意图[123], (c)等离子喷涂TiC涂层的表面形貌[125]和(d)等离子喷涂HfC涂层的截面微观结构[126]
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图5
(a)大气等离子喷涂(APS)和(b)真空等离子喷涂(VPS)ZrC涂层断口形貌对比[131]
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图6
涂层烧蚀后的截面微观结构[127,156 -157]
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图7
在4.2 MW/m2的热流密度条件下烧蚀30 s后ZrC-Zr6Ta2O17涂层中心区域的横截面BSE图像[147]
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图8
烧蚀不同时间后多层涂层的截面SEM照片[148]
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表2
不同类型涂层的烧蚀率
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图9
不同类型涂层的烧蚀率[74,78,113⇓ -115,127,135,141,148,153,155,169⇓⇓⇓⇓ -174]
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