激光熔覆的电泳Zr基陶瓷复合涂层的结构表征及烧蚀机制

弹箭技术的飞速发展要求热防护材料需稳定运行于超高温（2000 ℃以上）烧蚀环境。采用Zr基超高温陶瓷（如ZrB2、ZrC）对常规热防护材料（碳-碳复合材料、难熔金属等）进行改性可获得抗烧蚀性能更佳的新型热防护材料。连续Zr基陶瓷改性层的获得有助于氧化生成的多孔ZrO2通过再结晶或熔融形成致密保护层，有效阻碍氧化介质侵蚀基体，降低烧蚀速率。前期工作中，申请者采用电泳复合激光熔覆新技术，在难熔Ta-10W合金表面成功制备了连续、致密并与基体冶金结合良好的ZrB2陶瓷涂层。本项目将进一步针对不同陶瓷（ZrB2、ZrC）和难熔基体材料（W、Ta-10W合金），系统研究陶瓷与基体的热物性差异对熔覆层组成结构的影响，及其对电泳和激光熔覆条件的依赖关系。揭示组成结构变化对熔覆层烧蚀行为（烧蚀率、热震性能等）的影响机制，建立"电泳和激光熔覆条件-熔覆层组成结构-烧蚀行为"之间的内在关系。

Zr基超高温陶瓷（ZrB2、ZrC）的抗烧蚀性能优异，是作为抗烧蚀防护涂层的优选材料。这除了决定于其本身高熔点、高硬度的物理特性，还取决于其在超高温烧蚀环境中可生成ZrO2层。ZrO2不仅是一种很好的隔热材料，在超高温环境下，连续的ZrO2层还能有效抑制氧向内的渗透。连续ZrO2层的生成取决于能否获得均匀、致密的Zr基陶瓷层。本课题将电泳沉积技术和激光熔覆技术的优势相结合，提出“两步法”制备Zr基陶瓷涂层，开辟了超高温陶瓷涂层制备的新途径。在ZrB2/Ta-W体系中，采用电泳沉积+连续波CO2激光熔覆的“两步法”制备ZrB2涂层。系统研究了激光功率、束斑尺寸和激光扫描速度等激光工艺参数对ZrB2陶瓷熔覆层致密性、均匀性的影响规律。结合有限元数值模拟预测分析和实验结果发现，激光功率和束斑尺寸决定了预置层熔化区域的大小及温度场的分布，是影响熔覆层质量的主要因素。激光扫描速度主要影响激光熔池的寿命。降低激光扫描速度有利于熔融态的ZrB2愈合电泳涂层中的孔洞，进而提高熔覆层致密性和均匀性。通过优化上述激光工艺参数在Ta-W合金表面获得了致密、均匀的ZrB2陶瓷涂层。经2000 oC空气中的超高温氧化测试发现，ZrB2涂层可快速生成ZrO2层，有效抑制了Ta-W合金剧烈外氧化和深处的颗粒状内氧化。另外，与ZrO2不同的是，Ta-W合金的氧化物在2000 oC以上的温度中呈现熔融态，在烧蚀环境中极易因挥发和气流冲刷造成严重的质量损失，抗烧蚀性能较差。因此，与无涂层的合金基体相比，熔覆ZrB2陶瓷涂层的合金会具有更好的抗烧蚀性能。在ZrC/W体系中，采用电泳沉积+脉冲激光熔覆的“两步法”制备ZrC涂层。系统研究了脉冲电流、脉冲宽度、脉冲频率及扫描速度等工艺参数对熔覆层质量的影响。通过优化上述激光工艺参数在金属W表面获得了致密、均匀的ZrC陶瓷涂层。经2000 oC空气中的超高温氧化测试发现，连续ZrC熔覆层可有效抑制了金属W严重的沿晶界氧化现象。