炭/炭复合材料耐烧蚀W涂层

作者:周哲;葛毅成;汪沅;龚洁明;易茂中 刊名:《中国有色金属学报》 上传者:刘光辉

【摘要】采用等离子喷涂技术成功在坯体密度为1.8 g/cm^3炭/炭复合材料上面制备厚度为1.2 mm与基体结合良好的较致密的W涂层的试样。利用氧乙炔焰分别测试其在30 s、60 s、90 s和120 s下的烧蚀性能。结果表明:试样的质量烧蚀率和线烧蚀率均随时间的增加而增加。其中,最大质量烧蚀率和线烧蚀率分别为7.8μg/s和3.5μm/s。XRD、SEM分析表明:在烧蚀中心区,涂层试样的烧蚀以升华分解为主,同时,还伴有氧化烧蚀和微区机械剥蚀;在烧蚀过渡区,涂层的烧蚀机制以热氧化和燃气冲刷为主;而在烧蚀边缘区,涂层的烧蚀则主要表现为弱氧化烧蚀。

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冲压发动机的性能直接决定对应飞行器的性能。其中,喉衬是发动机中烧蚀最严重的部位,需在无冷却条件下承受高温(>3000)、高速(>1000m/s)固体粒子和气流的冲刷及剧烈温升(>2000/s)的恶劣环境[1-3]。因此,喉衬需要选择比热大、导热系数低、烧蚀速度小、密度低、在高温下保持稳定的物理和化学性能的材料[4-5]。目前,炭/炭复合材料以其低密度、高比强度、耐烧蚀和耐热冲击等性能优异已成为冲压发动机喷管喉衬的首选材料之一[6],但炭/炭复合材料在空气中400以上开始氧化[7],材料的结构稳定性被破坏,低抗氧化性限了炭/炭复合材料在高温下的应用[8]。因此,纯炭/炭复合材料难以长时间在非真空环境中承受高温、高速粒子流的冲刷。钨是早期的喉衬材料,目前采用类似钨渗Cu的工艺对炭/炭复合材料渗Cu制成含Cu炭/炭耐烧蚀涂层喉衬材料烧蚀率较纯炭/炭材料的成倍降低[9-10]。实验表明,SiC、ZrC、ZrB2、TaC和HfC等超高温陶瓷掺杂改性炭/炭复合材料可在保持其原有优异的高温力学性能前提下,显著提高炭/炭复合材料的高温抗氧化性和耐烧蚀性[11-14]。但其工艺相对复杂,周期长,且部分涂层氧化后的氧化物熔点低而不耐烧蚀。W在所有金属中熔点最高(3410)、蒸汽压最低(1.310-7Pa@Tmelt)并且具有良好的热导率、高温强度和耐烧蚀性能[15-16]。另外,由于其原子量较大,W具有较高的物理溅射阈值、低溅射产额[17],曾是导弹发动机喉衬使用的主要材料,其耐烧蚀性高于纯炭/炭复合材料[18-19]。在目前的技术下,钨的成形制备是国际上公认的难题,传统的方法包括熔盐电镀法[20-21],爆炸喷涂法[22],化学气相沉积法(CVD)[23-24],自蔓延高温合成(SHS)[25-26]、粉末冶金(PM)[27-28],等离子喷涂法等。然而,熔盐电镀法中的所用的卤化物体系中都要加入毒性物质(KF),而且该体系一般要求进行严格的物质净化,过程复杂且较难控制,爆炸喷涂法设备噪音大(高达180dB)和喷涂粉末污染等问题,在一定程度上限制了此方法的应用,CVD和SHS方法生产周期长、成形效率低。此外,钨加工脆性大、熔点高,对粉末冶金烧结设备要求高,生产成本昂贵,不宜大规模生产。因此,W涂层的制备迫切需要新的成形与加工手段。等离子喷涂技术因其喷射温度高达10000,喷射速度达300~400m/s[29],集高温熔化、快速凝固和近净成形等优势于一体,已在钨及钨基难熔金属的成形方面得到应用。吴子健等[30]、WANG等[31-32]和闵小兵等[33-34]采用等离子喷涂成形制备出了大尺寸难熔金属薄壁和复杂形状构件。因此,采用等离子喷涂技术在炭/炭材料表面制备合适厚度钨涂层可以保证材料整体质量增量小高温抗氧化性高,是提高冲压发动机喷管喉衬部耐烧蚀性能突破点[35-36]。本文作者采用等离子喷涂成形在炭/炭复合材料表层制备纯钨涂层并深入分析涂层烧蚀产物、烧蚀形貌及烧蚀机理。1实验1.1试样制备以聚丙烯腈基炭纤维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡为增强坯体,通过化学气相渗透(CVI)增密到1.8g/cm3炭/炭复合坯体。实验等离子喷涂所用的钨粉为不规则的多角形颗粒,粒度为150~75m,纯度为99.95%(质量分数)。为防止喷涂过程中粉末堵塞送粉软管,需先将其置于干燥箱中100下干燥1h。采用DH-1080型等离子喷涂设备(最大功率80kW)进行等离子喷涂成形,喷涂系统参数如表1所列。表1W涂层等离子喷涂参数Table1SprayingparametersofWcoatingP

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