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]
正文中引用本图/表的段落
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异。在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化。Hong等[125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%。在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO2和t-ZrO2, HfC涂层中也有少量的m-HfO2和t-HfO2氧化物[127-128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta2O5、NbO和NbO2等氧化物[129-130]。Hu等[131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%。如图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm。此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta2C和Nb2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[132-133]。
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ... A perspective on plasma spray technology 1 2015 ... 如图4(a)所示, 在典型的等离子喷涂过程中, 粉末原料被注入等离子射流中, 高能等离子体将粉末迅速加热至熔融或半熔融状态[121].同时这些高温粒子以高速撞击基材表面后, 迅速冷却凝固, 形成由熔融和未充分熔融的颗粒呈片层状堆叠而成的涂层(图4(b))[122-123].等离子喷涂碳化物UHTCs涂层的厚度通常在20 μm到几毫米之间, 具有层状微观结构, 并伴有孔隙和裂纹[124], 如图4(c, d)所示[125-126].涂层的性能很大程度上取决于粉末原料的原始粒径、喷涂方式、飞行粒子的速度和温度, 以及粒子与等离子体射流的相互作用机制[121,123].这些因素共同影响着涂层的成分和微观结构, 从而决定了多次喷涂后涂层的最终性能. ... Thermal sprayed coatings used against corrosion and corrosive wear//JAZI H S 4 2012 ... 如图4(a)所示, 在典型的等离子喷涂过程中, 粉末原料被注入等离子射流中, 高能等离子体将粉末迅速加热至熔融或半熔融状态[121].同时这些高温粒子以高速撞击基材表面后, 迅速冷却凝固, 形成由熔融和未充分熔融的颗粒呈片层状堆叠而成的涂层(图4(b))[122-123].等离子喷涂碳化物UHTCs涂层的厚度通常在20 μm到几毫米之间, 具有层状微观结构, 并伴有孔隙和裂纹[124], 如图4(c, d)所示[125-126].涂层的性能很大程度上取决于粉末原料的原始粒径、喷涂方式、飞行粒子的速度和温度, 以及粒子与等离子体射流的相互作用机制[121,123].这些因素共同影响着涂层的成分和微观结构, 从而决定了多次喷涂后涂层的最终性能. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ... Plasma spray-physical vapor deposition toward advanced thermal barrier coatings: a review 1 2020 ... 如图4(a)所示, 在典型的等离子喷涂过程中, 粉末原料被注入等离子射流中, 高能等离子体将粉末迅速加热至熔融或半熔融状态[121].同时这些高温粒子以高速撞击基材表面后, 迅速冷却凝固, 形成由熔融和未充分熔融的颗粒呈片层状堆叠而成的涂层(图4(b))[122-123].等离子喷涂碳化物UHTCs涂层的厚度通常在20 μm到几毫米之间, 具有层状微观结构, 并伴有孔隙和裂纹[124], 如图4(c, d)所示[125-126].涂层的性能很大程度上取决于粉末原料的原始粒径、喷涂方式、飞行粒子的速度和温度, 以及粒子与等离子体射流的相互作用机制[121,123].这些因素共同影响着涂层的成分和微观结构, 从而决定了多次喷涂后涂层的最终性能. ... Comparison of microstructure and tribological properties of plasma-sprayed TiN, TiC and TiB2 coatings 4 2019 ... 如图4(a)所示, 在典型的等离子喷涂过程中, 粉末原料被注入等离子射流中, 高能等离子体将粉末迅速加热至熔融或半熔融状态[121].同时这些高温粒子以高速撞击基材表面后, 迅速冷却凝固, 形成由熔融和未充分熔融的颗粒呈片层状堆叠而成的涂层(图4(b))[122-123].等离子喷涂碳化物UHTCs涂层的厚度通常在20 μm到几毫米之间, 具有层状微观结构, 并伴有孔隙和裂纹[124], 如图4(c, d)所示[125-126].涂层的性能很大程度上取决于粉末原料的原始粒径、喷涂方式、飞行粒子的速度和温度, 以及粒子与等离子体射流的相互作用机制[121,123].这些因素共同影响着涂层的成分和微观结构, 从而决定了多次喷涂后涂层的最终性能. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ...
APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[ 125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO 2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO 2和t-ZrO 2, HfC涂层中也有少量的m-HfO 2和t-HfO 2氧化物[ 127- 128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta 2O 5、NbO和NbO 2等氧化物[ 129- 130].Hu等[ 131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如 图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta 2C和Nb 2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[ 132- 133]. ... Ablation behavior of ZrC and ZrO2 coatings on SiC coated C/C composites under oxyacetylene torch with different heat fluxes 7 2021 ... APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO2和t-ZrO2, HfC涂层中也有少量的m-HfO2和t-HfO2氧化物[127-128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta2O5、NbO和NbO2等氧化物[129-130].Hu等[131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta2C和Nb2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[132-133]. ...
碳化物UHTCs涂层具有优异的高温力学性能和化学稳定性, 是高超声速飞行器热防护系统的理想材料.近年来, 研究人员采用化学气相沉积、等离子喷涂和固相反应法等工艺在C/C复合材料表面制备了单一组分涂层、多元复合涂层和多层复合涂层等多种防护涂层.涂层的微观结构、组分和层间结构设计显著影响其抗烧蚀性能.目前, 碳化物UHTCs抗烧蚀涂层的研究还面临诸多挑战和机遇. ... Ablation resistance of TaC-modified HfC coating prepared by supersonic plasma spraying for SiC-coated carbon/carbon composites 3 2019 ... APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO2和t-ZrO2, HfC涂层中也有少量的m-HfO2和t-HfO2氧化物[127-128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta2O5、NbO和NbO2等氧化物[129-130].Hu等[131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta2C和Nb2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[132-133]. ...
与CVD相比, 利用等离子喷涂工艺可以更方便地制备多元复合涂层.这种工艺不仅可以制备二元和三元碳化物复合涂层, 还可以向涂层中添加多种硅化物和氧化物.常用作第二相的材料主要有碳化物MeC(Me = Si、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta)[ 134???- 138]、硅化物(如ZrSi 2、MoSi 2等)[ 139- 140]和氧化物(如HfO 2、ZrO 2、Al 2O 3、La 2O 3、Yb 2O 3、Hf 6Ta 2O 17、Zr 6Ta 2O 17等)[ 141?????- 147].此外, 等离子喷涂工艺还可以便捷地制备多层复合涂层.例如, Li等[ 148]采用等离子喷涂工艺在具有SiC过渡层的C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC/ZrC-Al 2O 3/ZrC-MoSi 2/ZrC多层复合涂层. ... Microstructure and properties of niobium carbide composite coatings prepared by plasma spraying 1 2021 ... APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO2和t-ZrO2, HfC涂层中也有少量的m-HfO2和t-HfO2氧化物[127-128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta2O5、NbO和NbO2等氧化物[129-130].Hu等[131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta2C和Nb2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[132-133]. ... Ablation of vacuum plasma sprayed TaC-based composite coatings 1 2015 ... APS和LPPS/VPS制备的碳化物UHTCs涂层物相组成和微观结构存在显著差异.在APS过程中, 碳化物UHTCs粉末容易发生部分氧化, 而LPPS/VPS则可以有效减少氧化.Hong等[125]通过APS工艺制备了TiC涂层, 粉末原料在喷涂过程中发生了一定程度的氧化, 最终的涂层由质量分数87% TiC、4% TiO和9% TiO2组成, 具有均匀的层状微观结构, 但存在一些微裂纹和气孔, 孔隙率约为8%.在APS制备的ZrC涂层中存在少量的m-ZrO2和t-ZrO2, HfC涂层中也有少量的m-HfO2和t-HfO2氧化物[127-128], 而TaC和NbC涂层中还存在Ta2O5、NbO和NbO2等氧化物[129-130].Hu等[131]分别采用APS和VPS工艺在涂覆SiC涂层的石墨基底上制备ZrC涂层, 发现APS-ZrC涂层中氧的质量分数为3.3%, 而VPS-ZrC涂层中仅为0.7%.如图5所示, APS-ZrC涂层的微观结构疏松, 孔隙率为12.1%, 表面粗糙度为12.1 μm; 相比之下, VPS-ZrC涂层更致密, 孔隙率仅为3.3%, 表面粗糙度为3.3 μm.此外, 在LPPS/VPS过程中, 较高的温度会导致TaC和NbC脱碳, 生成Ta2C和Nb2C, 而在TiC、ZrC和HfC的喷涂过程中并未发生类似的脱碳现象[132-133]. ... Solubility, crystal growth, and film-formation mechanism of NbC-modified ZrC coating under oxyacetylene flame 1 2023 ... 与CVD相比, 利用等离子喷涂工艺可以更方便地制备多元复合涂层.这种工艺不仅可以制备二元和三元碳化物复合涂层, 还可以向涂层中添加多种硅化物和氧化物.常用作第二相的材料主要有碳化物MeC(Me = Si、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta)[134???-138]、硅化物(如ZrSi2、MoSi2等)[139-140]和氧化物(如HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Yb2O3、Hf6Ta2O17、Zr6Ta2O17等)[141?????-147].此外, 等离子喷涂工艺还可以便捷地制备多层复合涂层.例如, Li等[148]采用等离子喷涂工艺在具有SiC过渡层的C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC/ZrC-Al2O3/ZrC-MoSi2/ZrC多层复合涂层. ... Sealing role of Ti-rich phase in HfC-ZrC-TiC coating for C/C composites during ablation above 2100 ℃ 5 2022 ... 与CVD相比, 利用等离子喷涂工艺可以更方便地制备多元复合涂层.这种工艺不仅可以制备二元和三元碳化物复合涂层, 还可以向涂层中添加多种硅化物和氧化物.常用作第二相的材料主要有碳化物MeC(Me = Si、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta)[134???-138]、硅化物(如ZrSi2、MoSi2等)[139-140]和氧化物(如HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Yb2O3、Hf6Ta2O17、Zr6Ta2O17等)[141?????-147].此外, 等离子喷涂工艺还可以便捷地制备多层复合涂层.例如, Li等[148]采用等离子喷涂工艺在具有SiC过渡层的C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC/ZrC-Al2O3/ZrC-MoSi2/ZrC多层复合涂层. ...
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3
不同温度下沉积的TaC涂层的表面形貌[103]
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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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