CVD法制备铱/氧化铪复合超高温抗氧化涂层的应用基础研究

The performance of the aerospace engines is restricted by the engine operating temperature,and the protective performance of the engine high temperature anti-oxidation coating determines the engine operating temperature. To develop the coatings that able to operate in ultra high temperature oxidative atmospheres represents the development direction in the aerospace and aircraft high temperature coating material in future. Aiming at the frontier of developing the coatings for high temperature applications,Iridium/hafnium dioxide composite coatings and iridium/hafnium dioxide composite/rhenium compound material will be prepared by chemical vapor deposition (CVD) in this project.The CVD dynamics law of hafnium dioxide, the forming law of Iridium/hafnium dioxide composite coating, the interfacial structure of HfO2-Ir-Re, interfacial diffusion, reaction phase structure,the formation and propagation of cracks and the the stress distribution will be explored.Much attention will be paid to research the oxidation behavior of the composite coating and the diffusion and percolationla w of oxygen atom.Through the study, it is emphasized to reveal the nature of iridium/hafnium dioxide composite coating why it appears strong anti-oxidation "synergistic effects" and the key factors of the coating's failure. The objective of this project is to raise the ability to develop new type of the coating for high temperature applications in China, to provide theoretical and technical reference for other precious metal and ceramic composite coatings.

航天发动机的性能受工作温度的制约，而高温抗氧化涂层的防护性能决定了发动机的工作温度，研究使用温度更高、抗氧化性更强的涂层材料代表了航天高温涂层材料的发展方向。本项目瞄准超高温涂层材料研究领域的国际前沿，采用化学气相沉积技术(CVD)制备HfO2/Ir复合涂层及HfO2/Ir/Re复合材料。研究HfO2的CVD沉积动力学及Ir/HfO2复合涂层的CVD成型规律；研究HfO2-Ir-Re复合界面微观组织结构及其演变、界面扩散与反应相结构、裂纹形成与扩展，以及应力分布规律；研究复合涂层的氧化行为和氧原子的渗透扩散规律。通过研究，揭示HfO2/Ir复合涂层出现强抗氧化性"协同效应"产生的本质，并确立涂层失效的关键因素。项目研究旨在提升我国在超高温涂层材料领域的研究水平，并将为航天飞行器用超高温涂层的选材及应用奠定相应的理论与技术基础，同时也可以为其他贵金属与陶瓷复合涂层的研究提供理论与技术借鉴。

高温抗氧化涂层的防护性能决定了航天发动机的工作温度，采用使用温度更高、抗氧化性更强的涂层材料代表了航天高温涂层材料的发展方向。氧化铪的熔点高、导热系数及蒸发率低，具有优良的热障、热相容及热扩散屏障等性能，使其在高温抗氧化涂层领域具有广阔的应用前景。本项目采用自行设计的立式开管气流法冷壁式化学气相沉积设备，在钼基体上沉积氧化铪涂层，氧化铪/铱及氧化铪/铱/铼的复合材料。全面系统的研究了氧化铪涂层的制备工艺、组织结构及力学性能；氧化铪/铱及氧化铪/铱/铼的复合材料的显微组织结构，元素扩散情况及高温抗氧化性能。重要研究结果：（1）获得了氧化铪的沉积速率与沉积温度、氯气流量、氢气流量、二氧化碳流量等参数的关联，建立了氧化铪的CVD动力学规律；（2）沉积温度对氧化铪涂层的沉积效果影响最显著，在其他条件不变时，氧化铪的沉积速率与沉积温度的倒数呈线性关系，符合Arrhenius公式；氧化铪涂层的硬度、密度及相对密度呈先升高后降低的趋势，在沉积温度为1300℃时，均达到最大值；（3）氯气流量氧化铪涂层的沉积效果影响次之，涂层的密度及相对密度和硬度在氯气流量达到 50mL/min 达到最大值；（4）复合涂层制备过程中，氧化铪涂层制备完毕，铱层制备前，必须对氧化铪涂层进行高温的真空的除气处理；（5）氧化铪涂层阻挡了铱与氧的直接接触，可密封铱在氧化烧蚀过程中出现的微孔、裂纹等缺陷，降低了铱的氧化挥发速率，减缓铱的氧化失效；（6）氧化铪涂层充当扩散障，阻挡氧原子及基体元素向铱扩散，降低了铱的失效速率，显著提高了复合材料整体的高温抗氧化性能。.通过本项目的研究，获得了氧化铪及氧化铪/铱/铼优化制备工艺，分析了氧化铪涂层沉积规律，实现了氧化铪/铱复合涂层材料可控生长；实测并分析了复合材料的高温抗氧化性能，为氧化铪及氧化铪/铱/铼材料的实际应用提供了重要基础数据；也为探索制备具有优异高温抗氧化性能的复合涂层及材料提供了科学依据。