侯佳琪, 陈睿聪, 曾耀莹, 周磊, 张佳平, 付前刚

无机材料学报 2025, 40 (2): 168-176. DOI:10.15541/jim20240287

摘要（286）

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涂层的完整和致密性直接影响其性能。对于存在缺陷或者受到损伤的涂层, 报废并重新制备不仅浪费原材料, 还会延长制备周期。因此, 经济有效的解决方法是修复涂层, 以恢复其防护能力。本研究采用经济实用的气相渗硅法修复一次包埋法制备的多孔SiC涂层缺陷, 并对比研究了修复前后涂层的抗热震及烧蚀性能。结果表明, 修复后的包埋SiC涂层在室温~1773 K热震15次后, 其与基体之间结合良好, 失重率降低了97.05%。在氧乙炔火焰下烧蚀30 s后, 修复后的涂层中心烧蚀区域的碳纤维被SiO₂所包覆, 未出现裸露或损伤。与修复前相比, 其质量损失率和厚度损失率分别降低了97.02%和67.99%。抗热震和烧蚀性能改善归因于修复后涂层致密度提高, 缺陷减少, 并且渗硅过程引入的单质Si在高温下更容易氧化生成SiO₂, 有效愈合缺陷和阻挡氧气渗透, 从而防止了基体氧化损伤。本研究提出的新型涂层修复策略具有经济可行性, 为涂层缺陷及损伤修复和稳定服役提供了新途径。

涂层的抗热震性能主要由其致密性和氧化产物的愈合效果决定[24,27]。在热震过程中, P-S涂层试样因表面缺陷和致密性差, 未被SiO₂及时愈合的缺陷为氧气向涂层内部扩散提供了通道, 导致涂层内部及基体氧化、失重(图7)。涂层内部的氧气较少, 氧分压较低, 因此内部涂层更容易氧化产生SiO、CO等气体产物, 而外层涂层则主要氧化形成SiO₂玻璃相, 覆盖在涂层表面。内部涂层或基体氧化所产生的气体产物向外挥发受到SiO₂玻璃层的阻挡, 形成气泡。当气泡内部压力超过大气压时, 气泡破裂, 从而在P-S涂层表面产生凹坑和气孔[29], 进一步削弱涂层的阻氧能力, 最终导致涂层失效, 基体严重氧化, 且基体与涂层之间出现裂缝。

由图6(b)可见, 在1773 K时, 所有氧化反应的吉布斯自由能(ΔG)均为负值, 表明反应均可以自发进行, 其中反应(7)的ΔG最小, 说明该反应最容易发生, 即单质Si在1773 K时更容易氧化生成SiO₂。由此可知, G-S涂层在热震过程中更容易氧化生成SiO₂玻璃相, 从而愈合涂层中的缺陷, 并起到阻氧作用(图7)。与P-S涂层相比, G-S涂层更致密, 具有更好的抗热震性能。此外, 单质Si能够缓解SiC涂层与C/C基体之间的热失配, 降低涂层在热循环过程中的开裂倾向, 有助于避免裂纹的生成。