研究涂层的抗热振性能

由于陶瓷涂层与碳基体材料的热膨胀系数的差异，在涂层试样的升降温过程中，因热应力的作用，涂层不可避免会出现微裂纹，氧气通过裂纹渗过涂层，与基材发生反应而导致基体材料被氧化。因此对于要求多次使用的碳基体材料，必须尽量弥合其涂层裂纹，这就要求涂层具有好的抗热振性能。

图3-8所示为石墨和C_f/C复合材料在高温（驻留3min）和室温（驻留2min）之间循环50次试样的氧化失重曲线。从图中可以看出，涂层试样的氧化失重随热振循环次数的积累而增大，但并非线性关系，氧化失重率也随热振温度升高而增大，700℃、800℃热振循环50次时，涂层试样仍然均表现为增重；900℃抗热振循环30次时，涂层试样出现失重，经50次热振循环后，石墨总的氧化失重的质量分数为0.19%，C_f/C复合材料氧化失重的质量分数为0.28%；1000℃抗热振循环20次时，涂层试样出现失重，涂层试样经过50次热振循环后，石墨总的氧化失重的质量分数为5.43%，C_f/C复合材料氧化失重的质量分数为7.14%。

图3-9所示为C_f/C复合材料抗热振试验后涂层试样表面的微观形貌。从图中看出涂层在700℃、800℃、900℃和1000℃抗热振时，均产生由高温到低温过程中因涂层与基体材料热膨胀系数不同而产生的热裂纹，热振温度越高，涂层产生的裂纹越多，但整体涂层并没有产生剥落现象，说明涂层具有良好的抗热振性能。良好的抗热振性能是由于涂层中硼化物等组分与C_f/C复合材料的热膨胀系数虽然存在差异，但是差异较小，经过高低温的循环热冲击，不会由于热膨胀系数差异而造成涂层与C_f/C复合材料结合的界面破坏而脱落；同时，涂层在高温形成的熔融态B₂O₃缓和了由于瞬间温差造成的热应力，并能快速愈合涂层与C_f/C复合材料间由于热膨胀系数微小差异而产生的热裂纹^[20]。因此涂层的裂纹在整个热震试验过程中由玻璃相陶瓷快速熔融流动填封而愈合，防止基体被氧化。但当抗热振试验温度较高如达到900℃时，因愈合物挥发和热应力积累而使涂层出现边角效应、裂纹和孔洞等缺陷，从而导致多次热振循环后涂层抗氧化保护性能降低。

图3-8 涂层抗热振氧化曲线(www.xing528.com)

a）石墨基体 b）C_f/C复合材料基体

图3-9 C_f/C复合材料涂层在不同温度下抗热振后表面形貌（SEM）

a）700℃ b）800℃ c）900℃ d）1000℃