AlPO4 抗氧化涂层的水热电泳电弧放电沉积新技术、性能和失效机理研究

陶瓷涂层碳/碳复合材料是非常重要的航空航天用高温结构材料，但传统的陶瓷涂层碳/碳材料在超过1600℃后通过微裂纹的氧化需要用玻璃密封层来保护，而常用的硼酸盐系玻璃密封层的高温高蒸汽压会导致涂层快速挥发和气体逸出产生孔隙而失效。本研究拟采用水热电泳电弧放电沉积新工艺在预涂SiC内层的碳/碳表面制备磷酸铝外涂层，利用磷酸铝的高温熔体特性和低蒸汽压有效防止涂层的高温快速挥发和裂纹、孔隙等缺陷的产生，实现涂层对碳/碳的长时间保护。同时利用水热电泳过程中电弧放电烧结效应获得致密而结合良好的涂层。研究涂层沉积过程中工艺因素的影响和相关物理化学变化，构建涂层的沉积动力学模型，探索形成致密磷酸铝涂层的同时提高涂层结合力的最优动力学条件。研究所制备的SiC/AlPO4复合涂层在高温静态和动态条件下对碳/碳的保护和失效机制。为进一步提高碳/碳在燃气冲刷气氛下的抗氧化性能和拓展其应用提供新的思路和理论基础。

碳/碳复合材料(C/C)是一种能在超高温条件下工作的高温结构材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，C/C复合材料在超过450℃的有氧环境下就会被氧化，限制了其在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决C/C复合材料的高温氧化问题对扩展其在高温有氧气氛下的应用是非常重要的。. 本项目以碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的关键基础科学问题为核心，采用包埋法制备SiC内涂层，对粉料中硅含量、催化剂种类、催化剂含量、制备温度、保温时间等工艺因素对涂层结构和性能的影响规律进行了系统研究。采用水热电泳沉积法制备c-AlPO4涂层，研究了c-AlPO4粉体在悬浮介质中的荷电机理，考察了c-AlPO4粉体在有机悬浮液中的分散稳定性。研究了水热电泳沉积温度、电压和悬浮液固含量对c-AlPO4涂层显微结构的影响，通过正交试验优化获得了c-AlPO4涂层沉积的最佳工艺参数。特别研究了AlPO4晶型对复合涂层显微结构的影响，表明采用c-AlPO4晶相粉体可以制备出致密、均匀的涂层，该涂层与基体间无明显的裂纹及其它缺陷。研究了水热电泳沉积法制备SiC/ c-AlPO4复合涂层的沉积动力学，证明了c-AlPO4带电颗粒在悬浮液中向阴极基体的扩散迁移为涂层沉积过程的控制步骤，经计算得出了涂层的沉积活化能为21.88 kJ/mol。. 采用脉冲电弧放电沉积法在SiC-C/C试样表面上制备了均匀致密的c-AlPO4外涂层。系统地研究了脉冲电弧放电沉积法制备c-AlPO4外涂层的工艺因素对涂层的影响规律，获得了最佳抗氧化性能的涂层工艺参数。优化工艺参数下所制备的c-AlPO4/SiC-C/C涂层试样，在1773 K的静态空气中氧化160 h后， 涂层试样单位面积的氧化失重为1.82×10-3 g•cm-2，对应的平均氧化失重速率为1.14×10-5 g•cm-2•h-1。. 对涂层试样的氧化动力学进行研究,结果表明：涂层试样在氧化平稳阶段的温度范围内（1573-1773 K）氧化激活能为119.2 kJ/mol，高温下氧气在光滑致密玻璃层中的扩散渗透控制了复合涂层试样的氧化过程。最终涂层的氧化失效是由于玻璃层在长时间高温氧化过程的流失产生不可愈合的氧化孔洞、裂纹等缺陷，从而使得氧气迅速进入C/C基体并与其反应所导致的。