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Comparative analysis of oxidation resistance at 1700 ?°C for HfB₂-SiC-MoSi₂ coatings on curved C/C composites prepared via gaseous and liquid silicon infiltration

氣相與液相滲硅制備曲面C/C復合材料表面HfB₂-SiC-MoSi₂涂層在1700℃下的

抗氧化性能對比研究

作者信息：

Shubo Zhang, Zhiqiang Liu, Shuo Zhang, Xiaoxuan Su, Qiangang Fu

Shanxi Key Laboratory of Fiber Reinforced Light Composite Materials, Science and Technology on Thermostructural Composite Materials Laboratory, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100011

文章介紹：

隨著對材料性能要求的日益嚴苛，渦輪葉片等曲面構(gòu)件需在1700℃高溫氧化環(huán)境及冷熱交變條件下長期服役。碳/碳(C/C)復合材料憑借高比強度/模量、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異力學穩(wěn)定性，成為極具前景的高溫防護材料。然而當溫度超過370℃時，碳纖維與基體會發(fā)生快速氧化，嚴重制約其在航空航天領域的應用。

將C/C復合材料與超高溫陶瓷(UHTCs)結(jié)合是解決其氧化敏感性的有效方案。其中HfB?基涂層因高熔點和優(yōu)異阻氧性能被廣泛應用，但1150℃以上B?O?的快速揮發(fā)會形成多孔HfO?氧化層。引入SiC不僅能調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)，其氧化產(chǎn)物SiO?良好的流動性還可及時修復缺陷，與HfO?反應生成的HfSiO?更能提升氧化膜穩(wěn)定性。然而1600℃以上低氧分壓會導致SiO?活性氧化生成SiO(g)[25]，為此添加MoSi?可提供硅源并減少硅損失，使HfB?-SiC-MoSi?涂層有望實現(xiàn)1700℃長效防護。

目前涂層制備主要采用漿料涂刷結(jié)合高溫燒結(jié)或滲硅工藝。漿料涂刷雖便于曲面構(gòu)件涂覆，但顆粒堆積形成的多孔結(jié)構(gòu)易成為氧擴散通道。高溫燒結(jié)雖能局部致密化，但會殘留孔洞。相比之下，滲硅技術(shù)通過物理填充與化學反應的雙重作用，可實現(xiàn)涂層整體致密化。前期研究通過漿料涂刷結(jié)合氣相滲硅已成功制備SiC-Si、ZrB?-SiC-Si/SiC-Si及HfB?-SiC-Si/SiC-Si等系列涂層，展現(xiàn)出優(yōu)異防護潛力。

目前針對曲面C/C構(gòu)件在1700℃氧化環(huán)境下，氣相與液相滲硅工藝差異的研究仍屬空白。考慮到構(gòu)件形狀特征與制備工藝對材料性能的顯著影響，本研究通過料漿涂覆結(jié)合氣相/液相滲硅技術(shù)，在C/C復合材料表面制備具有雙層結(jié)構(gòu)的HfB?-SiC-MoSi?-Si/SiC-Si涂層。系統(tǒng)研究了凸/凹曲面區(qū)域涂層的成分結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，對比分析了1700℃等溫氧化與熱震行為及其防護機制，為曲面碳基構(gòu)件高溫抗氧化涂層的工藝選擇提供理論指導。

中文摘要：

為探究氣相與液相滲硅對曲面樣品致密化效果及抗氧化性的影響，本研究分別采用氣相滲硅（G-HSM）和液相滲硅（L-HSM）工藝制備了HfB2-SiC-MoSi2-Si/SiC-Si涂層C/C復合材料。實驗結(jié)果表明：

（1）經(jīng)歷1700℃至室溫的熱震測試后，G-HSM和L-HSM的質(zhì)量變化率分別為-2.52%和0.07%；

（2）在1700℃等溫氧化200小時后，L-HSM的質(zhì)量變化率為-0.12%，而G-HSM僅124小時即達-0.60%；

（3）L-HSM中高含量的HfB2和MoSi2提升了涂層穩(wěn)定性，有效避免了熔滴脫落現(xiàn)象；

（4）更低的表面粗糙度和更窄的原始裂紋減少了L-HSM在氧化過程中的氧吸附位點與擴散通道。

因此，L-HSM展現(xiàn)出比G-HSM更優(yōu)異的熱震抗性和抗氧化性能。本研究為1700℃以上曲面構(gòu)件的涂層設計提供了新策略。