ZrN/TaN微叠层涂层的制备及其抗超高温氧化机理的研究

Applying high-performance protective external coatings is one of the important methods for improving the oxidation resistance of C/C composites at ultra-high temperatures (above 1600℃). In this project, a multilayer coating system, composed of a SiC inner layer and alternating ZrN and TaN outer layers, is proposed. Pack cementation and multi-arc ion plating techniques will be used for the preparation of the SiC inner layer and the transition metal nitride outer layers, respectively. Emphatically, the optimal arc ion plating of the ZrN/TaN laminated outer layers with different alternating structures and thicknesses will be investigated, the effects of the layer structures and the alternating thickness of ZrN and TaN sub-layer, on the ultra-high temperature oxidation resistance and thermal shock resistance of C/C composites will be studied using oxyacetylene torch (high gas flow) and induction heating (low gas flow) techniques. By scanning electron microscope (SEM) observations of the microstructure evolution and finite element analysis (FEA) of the thermal stress and cracking behavior, the oxidation and degradation mechanisms of the as-prepared coatings can be explored profoundly. In this way, the relationship between the microstructure of the coating system and its oxidation and thermal shock resistance can be well established, which is of great importance for the design of new desirable coating systems for C/C composites.

施加高性能防护涂层是改善C/C复合材料的抗超高温氧化性能（>1600℃）进而促进其应用的重要途径。提出在C/C复合材料上采用包埋法制备SiC底层，再采用电弧离子镀交替沉积制备 ZrN/TaN微叠层复合涂层的设计理念。明确兼具抗氧化和热冲击性能的微叠层结构、ZrN和TaN亚层厚度范围及多弧离子镀制备工艺。研究复合涂层抗超高温氧化行为及抗热冲击性能，重点研究ZrN/TaN微叠层复合涂层微观结构，特别是ZrN和TaN亚层厚度和厚度比对C/C复合材料抗超高温氧化行为的作用机制，明了复合涂层微观结构的高温演变规律以及性能退化机理。利用有限元方法分析涂层在受热应力条件下裂纹的产生与扩展过程，优化涂层微结构设计，确定微叠层复合涂层的微观结构与抗热震性能的内在关联性。研究可深化对微叠层复合涂层的超高温氧化机理及受热应力破坏行为的认识，同时对发展新型高性能防护涂层体系具有指导意义

碳/碳复合材料材料是一类优异的高温结构和热防护材料，它具有低密度、低热膨胀系数以及理想的耐高温性的优点，然而它的这种性能优势只有在不被氧化的前提下才能发挥，施加高性能防护涂层是改善C/C复合材料的抗超高温氧化性能（>1600oC）进而促进其应用的重要途径。通过有限元模拟计算优化了两类微叠层涂层ZrN/TaN和ZrC/MoSi2的调制周期、层厚比和不同曲率半径以实现微叠层涂层与基体好的热匹配，从而大大改善涂层的抗剥落和抗热冲击能力；有限元模拟优化的结果表明ZrN/TaN微叠层涂层的层厚比为3，而ZrC/MoSi2的层厚比为4，两类微叠层涂层的最优调制周期在10-12为最优。通过包埋渗硅工艺在C/C复合材料表面制备了SiC过渡层，优化后的渗硅工艺使得制备涂层的厚度在100-150微米，且涂层致密、无裂纹缺陷；SiC涂层形成动力学表明在C/C复合材料中基体石墨形成SiC的速率要比增强相碳纤维形成SiC的速率快，其主要原因是液态硅对纤维与基体石墨润湿性的不同以及石墨基体的多孔隙率。依据有限元计算结果，采用物理气相沉积法在以SiC层为过渡层的C/C复合材料基体上制备了ZrN/TaN和ZrC/MoSi2微叠层涂层，XRD和SEM结果表明微叠层的各个亚层均为结晶良好的单相，未检测到裂纹等缺陷，亚层之间结合良好，涂层与基体结合较好，结合强度为22.6-40 MPa。ZrN/TaN微叠层涂层在1800oC空气中的氧化结果表明涂层在短时间内具有良好的抗氧化能力，但是长时间氧化（>30min）后由于形成TaZr2.75O8的复合氧化物破坏了叠层的结构，导致过渡层的活性氧化从而使得涂层失效、剥落。ZrC/MoSi2微叠层涂层在1800oC空气中的氧化动力学符合抛物线规律，好的抗氧化性能源于氧化形成致密的氧化层以及低氧扩散系数的ZrCxOy内层。通过本项目的实施深化了对微叠层复合涂层的设计、制备以及超高温氧化机理及受热应力破坏行为的认识，同时对发展新型高性能防护涂层体系具有指导意义。