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

气相与液相渗硅制备曲面C/C复合材料表面HfB₂-SiC-MoSi₂涂层在1700℃下的

抗氧化性能对比研究

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

文章介绍：

随着对材料性能要求的日益严苛，涡轮叶片等曲面构件需在1700℃高温氧化环境及冷热交变条件下长期服役。碳/碳(C/C)复合材料凭借高比强度/模量、低热膨胀系数和优异力学稳定性，成为极具前景的高温防护材料。然而当温度超过370℃时，碳纤维与基体会发生快速氧化，严重制约其在航空航天领域的应用。

将C/C复合材料与超高温陶瓷(UHTCs)结合是解决其氧化敏感性的有效方案。其中HfB₂基涂层因高熔点和优异阻氧性能被广泛应用，但1150℃以上B₂O₃的快速挥发会形成多孔HfO₂氧化层。引入SiC不仅能调节热膨胀系数，其氧化产物SiO₂良好的流动性还可及时修复缺陷，与HfO₂反应生成的HfSiO₄更能提升氧化膜稳定性。然而1600℃以上低氧分压会导致SiO₂活性氧化生成SiO(g)[25]，为此添加MoSi₂可提供硅源并减少硅损失，使HfB₂-SiC-MoSi₂涂层有望实现1700℃长效防护。

目前涂层制备主要采用浆料涂刷结合高温烧结或渗硅工艺。浆料涂刷虽便于曲面构件涂覆，但颗粒堆积形成的多孔结构易成为氧扩散通道。高温烧结虽能局部致密化，但会残留孔洞。相比之下，渗硅技术通过物理填充与化学反应的双重作用，可实现涂层整体致密化。前期研究通过浆料涂刷结合气相渗硅已成功制备SiC-Si、ZrB₂-SiC-Si/SiC-Si及HfB₂-SiC-Si/SiC-Si等系列涂层，展现出优异防护潜力。

目前针对曲面C/C构件在1700℃氧化环境下，气相与液相渗硅工艺差异的研究仍属空白。考虑到构件形状特征与制备工艺对材料性能的显著影响，本研究通过料浆涂覆结合气相/液相渗硅技术，在C/C复合材料表面制备具有双层结构的HfB₂-SiC-MoSi₂-Si/SiC-Si涂层。系统研究了凸/凹曲面区域涂层的成分结构演变规律，对比分析了1700℃等温氧化与热震行为及其防护机制，为曲面碳基构件高温抗氧化涂层的工艺选择提供理论指导。

中文摘要：

为探究气相与液相渗硅对曲面样品致密化效果及抗氧化性的影响，本研究分别采用气相渗硅（G-HSM）和液相渗硅（L-HSM）工艺制备了HfB2-SiC-MoSi2-Si/SiC-Si涂层C/C复合材料。实验结果表明：

（1）经历1700℃至室温的热震测试后，G-HSM和L-HSM的质量变化率分别为-2.52%和0.07%；

（2）在1700℃等温氧化200小时后，L-HSM的质量变化率为-0.12%，而G-HSM仅124小时即达-0.60%；

（3）L-HSM中高含量的HfB2和MoSi2提升了涂层稳定性，有效避免了熔滴脱落现象；

（4）更低的表面粗糙度和更窄的原始裂纹减少了L-HSM在氧化过程中的氧吸附位点与扩散通道。

因此，L-HSM展现出比G-HSM更优异的热震抗性和抗氧化性能。本研究为1700℃以上曲面构件的涂层设计提供了新策略。