ZrB2-SiC 超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能研究

C/C复合材料在450℃的氧化气氛下, 极易氧化并导致材料性能的明显下。目前的解决办法就是在复合材料表面制备抗氧化涂层。SiC常用于C/C复合材料的抗氧化防护涂层。但是，SiC涂层的高温氧化行为将由被动氧化转化为主动氧化, 其氧化产物将由对复合材料具有保护作用的SiO₂转化为气态的SiO，涂层失效进而加速C/C复合材料的氧化失效。ZrB与SiC复合在超高温富氧条件下，可在表面形成SiO₂流体，在一定程度上愈合气体通过涂层向基材扩散的通道，阻止氧化性气体向基体材料内部进一步扩散，具有良好的抗氧化性能。在ZrB₂中加入20wt%~30wt%SiC可以改善其高温抗氧化性且不破坏ZrB₂陶瓷高温稳定性。样品在高速高温气流冲刷条件下考核涂层的抗烧蚀性能。下图为ZrB2-SiC 涂层烧蚀后的微观结构形貌,从中可以看出, 涂层表面由一层液相覆盖, 前期的EDS结果分析表明, 该液相主要元素为Si、Zr、O，由于为无定形态，XRD检测不出, 推测为含有一定ZrO₂或ZrSiO₄的SiO₂流体。ZrB₂-SiC涂层烧蚀截面形貌涂层内部在烧蚀后存在开裂现象, 可观察到少量裂纹, 但涂层保持完整, 未发生开裂或脱落, 表明反应结合SiC层可增加涂层与基体的结合强度。涂层内部裂纹则来源于ZrB₂氧化生成的ZrO₂产生的体积膨胀。ZrB₂的氧化将导致12.8%的体积膨胀。体积膨胀将促使涂层内部出现应力从而产生微裂纹。这种微裂纹的存在对涂层的抗氧化性能是不利的，为O₂的向涂层内部传输提供了扩散通道。SiO₂流体粘度低, 具有较好的流动性, 容易在涂层表面形成一层液态薄膜, 弥补涂层表面被火焰热流侵蚀形成的缺陷, 起到愈合涂层裂纹、抑制进一步氧化的作用。Si的熔点在1450℃左右, 低于氧–丙烷火焰烧蚀温度, 涂层表面残留Si发生熔化, 部分与氧反应生成SiO₂流体, 少量熔融Si与SiO₂流体一起在高速火焰气流带动下被吹走, 一些残留在涂层表面。由此可见, 在氧-丙烷火焰烧蚀条件下,ZrB₂-SiC涂层的烧蚀是热化学烧蚀和机械剥蚀综合作用的结果。

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