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。

涂层的烧蚀主要分为机械剥蚀、热物理烧蚀和热化学烧蚀[31-32,36]。机械剥蚀指在高温火焰流作用下去除烧蚀产物, 热化学烧蚀涉及氧化产物的生成, 而热物理烧蚀是低熔点产物的熔化或挥发而造成的重量损失过程。图12展示了两种涂层的烧蚀行为。由于两种涂层的烧蚀温度均超过SiO₂的熔点(图9(a)),并且存在氧乙炔火焰的机械剥蚀作用, SiC氧化产生的部分熔融态SiO₂在烧蚀过程中被冲刷脱离, 使得两种涂层厚度均减小(图9(b))。对于P-S涂层试样, 结合热震测试结果(图5(d)), 可以发现烧蚀过程中涂层自身的缺陷及SiO₂损耗导致的孔洞可以为氧气进入涂层提供渗透通道, 从而造成基体氧化, 并使基体/涂层界面退化, 结合强度下降。在火焰的机械剥蚀作用下, 表面氧化层被剥落,失去防护能力, 导致内部碳纤维被氧化。对于G-S涂层试样, 结合热震测试结果(图5(h)), 可以得出由于涂层自身缺陷较少, 且在烧蚀过程中Si能够迅速氧化生成更多的SiO₂(反应(7)的吉布斯自由能较低, 见图6(b)), 从而修复缺陷并抑制氧气渗透, 避免对基体造成损伤, 涂层与基体之间保持良好的结合强度。虽然部分SiO₂损耗, 但仍有部分覆盖在基体表面, 有效保护基体抵抗火焰的侵蚀。