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C/C复合材料表面CVD sic/tac梯度复合涂层制备工艺与抗烧蚀性能研究

C/C复合材料表面CVD SiC/TaC梯度复合涂层制备工艺与抗烧蚀性能研...

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作者：曹凯南昌大学

学位级别：硕士

C/C复合材料因其轻质、高强度和优异的热稳定性在航空航天领域得到了广泛应用,成为制造火箭发动机喷管的理想材料。但因其在370℃以上容易氧化的缺陷限制了在高温有氧环境下的使用。表面抗氧化烧蚀涂层技术是解决该问题的有效手段。sic... 详细信息

C/C复合材料因其轻质、高强度和优异的热稳定性在航空航天领域得到了广泛应用,成为制造火箭发动机喷管的理想材料。但因其在370℃以上容易氧化的缺陷限制了在高温有氧环境下的使用。表面抗氧化烧蚀涂层技术是解决该问题的有效手段。sic、tac因其高熔点和良好的高温稳定性,成为C/C复合材料表面抗氧化、抗烧蚀涂层的理想材料,特别是sic/tac梯度复合涂层。而化学气相沉积（CVD）工艺是制备sic、tac及sic/tac梯度复合涂层的首选工艺,但这些CVD涂层的组织、结构和性能受CVD涂层工艺及CVD设备关键部件（如反应器内分气孔板等）结构影响显著。本文以提高某型号火箭发动C/C复合材料机喷管内腔气体流道表面抗氧化和抗烧蚀能力为研究应用背景,采用化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备梯度sic/tac高温防护涂层。论文第一部分首先采用计算流体力学（CFD）方法,通过数值模拟,指导并优化了CVD反应器结构,然后利用该结构优化了的CVD反应器内分气孔板实现了对C/C复合材料表面sic涂层的均匀涂覆,并系统研究了沉积工艺参数对sic涂层组织形貌、成分和性能的影响规律,制备了梯度sic涂层;论文第二部分采用两步CVD法制备了梯度sic/tac涂层,并结合扫描电镜、能谱分析、XRD分析、XPS分析、结合强度测试、氧-乙炔烧蚀测试等分析测试方法,对涂层的微观结构和烧蚀性能进行研究。研究结果表明:通过优化CVD反应器布气装置能够加快喷管内腔壁面的气体流速,而且使前驱体分布更加均匀,从而提高沉积速率,获得更加均匀的sic涂层;温度升高,化学气相沉积反应速率加快;涂层的生长方式发生改变;从而引起涂层生长速率增加;温度过高会导致涂层生长方式改变,涂层生长速率和致密度下降。沉积温度为1250℃时,涂层生长由晶体生长控制,晶粒尺寸较大,生长均匀,无明显缝隙,致密度好;随着H2/MTS摩尔比的增加,sic涂层沉积速率先增加后减小,游离碳含量减少,晶粒（111）取向增强,界面结合处缺陷增加;当H2/MTS摩尔比为4时,涂层均匀、致密且C/Si比接近1;通过调整CVD过程中的H2/MTS摩尔比,可以制备出具有成分变化的梯度sic涂层,涂层结合强度为7.27±0.05 MPa。此外,本论文研究结果还表明:在1800℃氧-乙炔烧蚀温度下,sic/tac复合涂层表现出了良好的抗烧蚀性能,样品表面形成了连续致密的α-Ta2O5和β-Ta2O5氧化层,其氧化物涂层保持完整,虽然出现了少量鼓泡和裂纹,但氧化物涂层的结构依然可以为基体提供保护,梯度sic/tac复合涂层相比于无梯度sic/tac复合涂层穿透性裂纹减少,抗烧蚀性能提高;在2000℃氧-乙炔烧蚀温度下,sic/tac复合涂层中心烧蚀区域氧化物在氧-乙炔火焰的高温和高速气流强烈冲刷作用下,被吹向试样的边缘区域,形成白色有一定透明度的玻璃状Ta2O5-Si O2熔融相物质,这种物质有效封填了涂层裂纹,从而有效延缓sic/tac涂层的烧蚀氧化过程;梯度结构通过优化涂层的热膨胀和热应力分布,能有效减少基底表面氧化物涂层的微裂纹的出现,从而提高了涂层的抗氧化烧蚀性能。

关键词：化学气相沉积 sic涂层 sic/tac涂层抗氧化抗烧蚀

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