本發(fā)明屬于陶瓷復(fù)合涂層的制備領(lǐng)域，涉及一種zrb2-sic基復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，特別涉及一種zrc陶瓷復(fù)合材料表面zrb2-sic基復(fù)合陶瓷涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

碳化鋯陶瓷(zrc)具有超高的熔點(3420℃)和硬度(25.5gpa)，良好的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)性以及耐輻射性能，在超高溫材料、核燃料顆粒涂層、發(fā)射器外殼涂層以及熱光電輻射器涂層等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。然而，zrc陶瓷材料在極端氣動加熱和核能產(chǎn)生環(huán)境中的快速氧化和裂解行為是制約高溫極端領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素。

由于工件的氧化幾乎都是從表面開始的，表面的失效是整個零件破壞的重要原因。因此，涂層改性是解決zrc陶瓷材料抗高溫防護更為直接有效的方法。近年來，制備表面涂層的方法層出不窮，等離子噴涂技術(shù)由于沉積效率高、對基體的熱影響小、幾乎適用于所有難熔材料的噴涂，在制備高溫涂層中應(yīng)用最廣。該技術(shù)已在鋁、鎂和鋼鐵等金屬材料表面涂層的制備中成功應(yīng)用。

zrb2-sic復(fù)合陶瓷作為一種典型的超高溫陶瓷，在氧乙炔火焰、電弧或等離子弧為熱源的長時間加載過程中，均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化燒蝕能力。該復(fù)合陶瓷在有氧的高溫氣氛中，隨著溫度的升高，zrb2和sic陶瓷氧化后提供b2o3、sio2、zrsio4等玻璃相和液相共晶，有效阻擋氧的入侵。鑒于zrb2-sic基陶瓷材料優(yōu)異的高溫性能，且與zrc材料有良好的化學(xué)相容性，在zrc復(fù)相陶瓷表面制備zrb2-sic基復(fù)合陶瓷涂層，來改善zrc材料的超高溫防護性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決zrc超高溫陶瓷高溫防護性能差的問題，提出一種在zrc復(fù)相陶瓷表面制備zrb2-sic基超高溫涂層的思路，從而提供一種zrc陶瓷材料表面zrb2-sic復(fù)合涂層的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種zrc復(fù)相陶瓷表面的zrb2-sic基涂層的制備方法，包括以下步驟：

一、按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368稱取鋯粉、碳化硼粉和硅粉進行球磨濕混，混合后獲得漿料；

二、將漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，經(jīng)研磨，得混合粉料；

三、將混合粉料置于真空熱壓燒結(jié)爐中，在惰性氣體保護下進行熱壓燒結(jié)，隨爐冷卻后取出，即得zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷坯體材料；

四、將步驟三中得到的陶瓷坯體進行破碎，研磨和過篩，得到zrb2、sic和zrc混合噴涂粉末；

五、將zrc-sic復(fù)相陶瓷基體進行表面預(yù)處理，得到預(yù)處理后的zrc-sic基體；

六、采用等離子噴涂技術(shù)制備涂層，將步驟四得到的zrb2、sic和zrc混合噴涂粉末裝入等離子噴槍中，在步驟五得到的預(yù)處理后的zrc-sic基體上進行噴涂，得到zrc-sic材料表面zrb2-sic-zrc高溫防護涂層。

本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明以低成本的zr、si和b4c作為原料，利用zr、si和b4c體系的shs反應(yīng)，采用分段加熱的氣氛保護熱壓燒結(jié)制備多孔的zrb2-sic-zrc燒結(jié)坯體，再將多孔的zrb2-sic-zrc陶瓷坯體經(jīng)破碎，研磨和過篩制備zrb2、sic和zrc噴涂粉末，噴涂粉末通過等離子噴涂技術(shù)在zrc陶瓷表面制備zrb2-sic-zrc復(fù)合陶瓷涂層。采用的zrb2-sic基陶瓷在高溫環(huán)境中應(yīng)用優(yōu)勢明顯，其熱膨脹系數(shù)與zrc陶瓷相當，有效解決了涂層與基體因熱膨脹不匹配，產(chǎn)生熱應(yīng)力而使涂層產(chǎn)生裂紋甚至剝落的問題；同時，zrb2與zrc具有良好的化學(xué)相容性，憑借等離子射流加熱下形成的熔滴撞擊zrc基體時，在基體表面充分鋪展開，與基體相互熔合，提高兩者界面結(jié)合，省去涂層與基體界面處引入過渡層。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，所采用的等離子噴涂技術(shù)可將高熔點陶瓷材料熔化，噴涂過程中對基體材料損害較小。本發(fā)明制備的zrb2-sic-zrc復(fù)合高溫防護涂層與基體結(jié)合良好，成本低，制備周期短。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌圖片。

圖2是本發(fā)明實施例2制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌圖片。

圖3是本發(fā)明實施例3制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌圖片。

圖4是本發(fā)明實施例4制備得到的zrb2-sic-zrc涂層界面的微觀形貌圖片。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式包括以下步驟：

一、按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368稱取鋯粉、碳化硼粉和硅粉進行球磨濕混，混合后獲得漿料；

二、將漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，經(jīng)研磨，得混合粉料；

三、將混合粉料置于真空熱壓燒結(jié)爐中，在惰性氣體保護下進行熱壓燒結(jié)，隨爐冷卻后取出，即得zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷坯體材料；

四、將步驟三中得到的陶瓷坯體進行破碎，研磨和過篩，得到zrb2、sic和zrc混合噴涂粉末；

五、將zrc-sic復(fù)相陶瓷基體進行表面預(yù)處理，得到預(yù)處理后的zrc-sic基體；

六、采用等離子噴涂技術(shù)制備涂層，將步驟四得到的zrb2、sic和zrc混合噴涂粉末裝入等離子噴槍中，在步驟五得到的預(yù)處理后的zrc-sic基體上進行噴涂，得到zrc-sic材料表面zrb2-sic-zrc高溫防護涂層。

步驟一中所述的鋯粉、碳化硼粉和硅粉均為現(xiàn)有市售粉末材料，鋯粉的體積純度大于99.9％，平均粒徑約為38μm；碳化硼粉的體積純度大于94.2％，平均粒徑約為7μm；硅粉的體積純度大于99.9％，粒徑為75μm。

步驟一中所述的粉末混合的方法是：以無水乙醇為分散劑，以zro2球為球磨介質(zhì)，采用行星式球磨機在球磨轉(zhuǎn)速為300～400r/min的條件下球磨混合14小時。

步驟二中所述的漿料蒸發(fā)烘干的方法是：干燥的轉(zhuǎn)速為60～90r/min，干燥的溫度為60～90℃。

步驟二中所述的研磨采用瑪瑙研缽反復(fù)研磨。

步驟三中所述的燒結(jié)方法是：將經(jīng)烘干處理后所得的混合粉料裝入石墨模具中，在氬氣氣氛下，首先以8℃/min的速率升溫到800℃，保溫60min；然后以4℃/min的速率升溫到1000℃，保溫60min；再以4℃/min的速率升溫到1250℃，保溫60min；最后以4℃/min的速率升溫到1500℃，保溫60min；壓力為2mpa。

步驟三中所述的硼化鋯-碳化硅-碳化鋯超高溫陶瓷坯體材料緊實度為50％。

步驟五中所述的預(yù)處理過程為：將zrc-sic基體表面用剛玉砂進行噴砂處理，然后將zrc-sic基體用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗，烘干后得到預(yù)處理后的zrc-sic基體。

步驟六中所述的等離子噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電流500～650a，噴涂距離為70～150mm，等離子氣體為氬氣(ar2)和氫氣(h2)，其中氬氣的氣體流量為35l/min，氫氣的氣體流量為12l/min，送粉氣氬氣流量為1.5～2.2l/min。

步驟六中制得的zrb2-sic-zrc高溫防護涂層厚度為200～500μm。

實施例1：

選用市售的鋯粉，碳化硼粉和硅粉作為制備zrb2、sic和zrc噴涂粉末的原料粉，將鋯粉、碳化硼粉和硅粉原料粉按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368進行稱取，然后將其裝入球磨罐中，以無水乙醇為分散劑，以zro2球為球磨介質(zhì)，在行星式球磨機上以350r/min的轉(zhuǎn)速，濕法球磨混合14小時。球磨混合均勻后的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上采用轉(zhuǎn)速為75r/min和溫度為80℃的干燥條件進行烘干，然后經(jīng)研磨得混合粉料。將混合粉料裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以8℃/min的速率升溫到800℃，保溫60min；以4℃/min的速率升溫到1000℃，保溫60min；再以4℃/min的速率升溫到1250℃，保溫60min；最后以4℃/min的速率升溫到1500℃，保溫60min；壓力為2mpa，然后隨爐冷卻至室溫得到zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷復(fù)合材料坯塊。將所得具有多孔的zrb2-sic-zrc燒結(jié)坯塊進行破碎，研磨和振動篩分，選取50μm～120μm的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末作為等離子噴涂粉末。將zrc-sic基體表面用剛玉砂進行噴砂處理，然后將其用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗，烘干后備用。將所得的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末裝入送粉器中，噴涂所用的等離子氣體為氬氣(ar2)和氫氣(h2)，其中氬氣的氣體流量為35l/min，氫氣的氣體流量為12l/min，送粉氣的氣體為氬氣，其氣體流量為2.0l/min，噴涂電流控制在500a，噴涂距離控制在100mm，噴涂結(jié)束后自然冷卻到室溫，即在zrc-sic復(fù)相陶瓷表面噴涂制得zrb2-sic-zrc超高溫復(fù)合涂層。

實施例2：

選用市售的鋯粉，碳化硼粉和硅粉作為制備zrb2、sic和zrc噴涂粉末的原料粉，將鋯粉，碳化硼粉和硅粉原料粉按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368進行稱取，然后將其裝入球磨罐中，以無水乙醇為分散劑，以zro2球為球磨介質(zhì)，在行星式球磨機上以350r/min的轉(zhuǎn)速，濕法球磨混合14小時。球磨混合均勻后的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上采用轉(zhuǎn)速為75r/min和溫度為80℃的干燥條件進行烘干，然后經(jīng)研磨得混合粉料。將混合粉料裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以8℃/min的速率升溫到800℃，保溫60min；以4℃/min的速率升溫到1000℃，保溫60min；再以4℃/min的速率升溫到1250℃，保溫60min；最后以4℃/min的速率升溫到1500℃，保溫60min；壓力為2mpa，然后隨爐冷卻至室溫得到zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷復(fù)合材料坯塊。將所得具有多孔的zrb2-sic-zrc燒結(jié)坯塊進行破碎，研磨和振動篩分，選取50μm～120μm的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末作為等離子噴涂粉末。將zrc-sic基體表面用剛玉砂進行噴砂處理，然后將其用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗，烘干后備用。將所得的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末裝入送粉器中，噴涂所用的等離子氣體為氬氣(ar2)和氫氣(h2)，其中氬氣的氣體流量為35l/min，氫氣的氣體流量為12l/min，送粉氣的氣體為氬氣，其氣體流量為2.0l/min，噴涂電流控制在600a，噴涂距離控制在100mm，噴涂結(jié)束后自然冷卻到室溫，即在zrc-sic復(fù)相陶瓷表面噴涂制得zrb2-sic-zrc超高溫復(fù)合涂層。

實施例3：

選用市售的鋯粉，碳化硼粉和硅粉作為制備zrb2、sic和zrc噴涂粉末的原料粉，將鋯粉，碳化硼粉和硅粉原料粉按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368進行稱取，然后將其裝入球磨罐中，以無水乙醇為分散劑，以zro2球為球磨介質(zhì)，在行星式球磨機上以350r/min的轉(zhuǎn)速，濕法球磨混合14小時。球磨混合均勻后的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上采用轉(zhuǎn)速為75r/min和溫度為80℃的干燥條件進行烘干，然后經(jīng)研磨得混合粉料。將混合粉料裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以8℃/min的速率升溫到800℃，保溫60min；以4℃/min的速率升溫到1000℃，保溫60min；再以4℃/min的速率升溫到1250℃，保溫60min；最后以4℃/min的速率升溫到1500℃，保溫60min；壓力為2mpa，然后隨爐冷卻至室溫得到zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷復(fù)合材料坯塊。將所得具有多孔的zrb2-sic-zrc燒結(jié)坯塊進行破碎，研磨和振動篩分，選取50μm～120μm的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末作為等離子噴涂粉末。將zrc-sic基體表面用剛玉砂進行噴砂處理，然后將其用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗，烘干后備用。將所得的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末裝入送粉器中，噴涂所用的等離子氣體為氬氣(ar2)和氫氣(h2)，其中氬氣的氣體流量為35l/min，氫氣的氣體流量為12l/min，送粉氣的氣體為氬氣，其氣體流量為2.0l/min，噴涂電流控制在550a，噴涂距離控制在120mm，噴涂結(jié)束后自然冷卻到室溫，即在zrc-sic復(fù)相陶瓷表面噴涂制得zrb2-sic-zrc超高溫復(fù)合涂層。

實施例4：

選用市售的鋯粉，碳化硼粉和硅粉作為制備zrb2、sic和zrc噴涂粉末的原料粉，將鋯粉，碳化硼粉和硅粉原料粉按摩爾百分比為zr：b4c：si＝1：0.456：0.368進行稱取，然后將其裝入球磨罐中，以無水乙醇為分散劑，以zro2球為球磨介質(zhì)，在行星式球磨機上以350r/min的轉(zhuǎn)速，濕法球磨混合14小時。球磨混合均勻后的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上采用轉(zhuǎn)速為75r/min和溫度為80℃的干燥條件進行烘干，然后經(jīng)研磨得混合粉料。將混合粉料裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以8℃/min的速率升溫到800℃，保溫60min；以4℃/min的速率升溫到1000℃，保溫60min；再以4℃/min的速率升溫到1250℃，保溫60min；最后以4℃/min的速率升溫到1500℃，保溫60min；壓力為2mpa，然后隨爐冷卻至室溫得到zrb2-sic-zrc超高溫陶瓷復(fù)合材料坯塊。將所得具有多孔的zrb2-sic-zrc燒結(jié)坯塊進行破碎，研磨和振動篩分，選取50μm～120μm的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末作為等離子噴涂粉末。將zrc-sic基體表面用剛玉砂進行噴砂處理，然后將其用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗，烘干后備用。將所得的zrb2，sic和zrc復(fù)合粉末裝入送粉器中，噴涂所用的等離子氣體為氬氣(ar2)和氫氣(h2)，其中氬氣的氣體流量為35l/min，氫氣的氣體流量為12l/min，送粉氣的氣體為氬氣，其氣體流量為2.0l/min，噴涂電流控制在550a，噴涂距離控制在80mm，噴涂結(jié)束后自然冷卻到室溫，即在zrc-sic復(fù)相陶瓷表面噴涂制得zrb2-sic-zrc超高溫復(fù)合涂層。

圖1是本發(fā)明實施例1制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌。圖2是本發(fā)明實施例2制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌。圖3是本發(fā)明實施例3制備得到的zrb2-sic-zrc涂層截面的微觀形貌。圖4是本發(fā)明實施例4制備得到的zrb2-sic-zrc涂層界面的微觀形貌。由圖1和圖2可以看出，zrb2-sic-zrc涂層與zrc-sic基體之間的結(jié)合良好，整個結(jié)合界面均無裂紋和孔洞出現(xiàn)，涂層厚度約為250μm。由圖3和圖4可以看出，zrb2-sic-zrc涂層與zrc-sic基體之間的結(jié)合良好，界面處均無明顯裂紋和孔洞出現(xiàn)，涂層厚度約為400μm。本發(fā)明的基體組成為zrc-20vol％sic復(fù)相陶瓷，復(fù)合涂層的組成為zrb2-20vol％sic-6.015vol％zrc，涂層與基體為近同類物質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)相當，可減少在高溫下產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力使涂層產(chǎn)生裂紋甚至剝落的傾向；同時zrb2與zrc具有良好的化學(xué)相容性，可以提高涂層與基體材料的表面潤濕性能、化學(xué)相容性等特性。因此本發(fā)明所制備的涂層與基體具有很好的界面結(jié)合，涂層整體較為致密。