超低气氛下的高能高速等离子射流沉积SiC涂层及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料加工、机械制造领域，具体涉及一种超低气氛下的高能高速等离子射流沉积SiC涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

碳化硅(SiC)具有硬度高、高温强度高、抗高温氧化性能与热稳定性优越的特点，而且热传导率高、禁带宽度高、抗中子辐射损伤性能优越，已经作为常温耐磨材料、高温结构材料、加热器件材料、以及大功率半导体器件材料得到广泛应用，而且，也以单一成分的耐磨损与功能涂层、与其他材料构成的复合涂层的形式得到了应用。近年来，随着核能技术的发展以及对其安全性要求的进一步提高，采用表面涂层对核反应堆包壳的保护受到关注，其中SiC即为一种有效的包壳保护涂层材料。由于SiC加热至高温时直接发生分解，采用常用热喷涂、激光熔覆等将材料加热熔化后制备涂层的方法不能适用于SiC涂层的制备。通常以气态的先驱体为原料采用化学气相沉积的方法沉积制备SiC涂层，此方法制备涂层具有传统化学气相沉积方法的特点，即沉积速度慢，且存在环境污染的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超低气氛下的高能高速等离子射流沉积SiC涂层及其制备方法和应用，该方法以价格低廉的SiC粉体为沉积源物质，沉积源物质来源便利，能够快速气相沉积得到致密的SiC涂层。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种超低气氛下的高能高速等离子射流沉积SiC涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)以固态SiC颗粒为原料，采用超低压气氛下的高能等离子射流作为热源，快速加热固态SiC颗粒使其分解成能够气相沉积的气态先驱体，形成含有气态先驱体的高速等离子气体流；

2)将高速等离子气体流对着处于一定温度范围的基体表面喷射，使高速等离子气体流中的先驱体元素在等离子气体能够达到的基体表面沉积而形成SiC涂层。

所述固态SiC颗粒为颗粒尺寸分布在0.1～50μm之间的固态粉末材料。

超低压气氛是指在SiC沉积过程中，沉积腔室压力为50～1000Pa的压力范围内的任意压力。

基体在沉积过程中处于600～1500℃范围内的任意温度。

高能等离子射流由压缩电弧产生，能够在功率为40kW～150kW下，作为热源能将固态SiC颗粒充分加热至部分分解气化、或完全分解气化的高温等离子体。

基体采用金属合金材料、无机陶瓷材料、C/C复合材料或C/SiC复合材料制成。

基体表面的几何形状为平面、圆柱面、圆锥面，或是变曲率的其它曲面的表面。

本发明还公开了采用上述的制备方法制得的SiC涂层。

本发明还公开了上述的SiC涂层作为耐磨损涂层、耐冲刷涂层、耐腐蚀涂层、耐辐射涂层、辐照损伤保护涂层或导电涂层的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法利用高能等离子射流快速将粉末颗粒状材料加热至高温状态，直接将SiC粉末送入高能等离子射流中使其受热发生分解气化为原子态的Si与C，并在等离子中进一步加热处于激活，或活化的离子态，与高速等离子射流一起喷向基体表面，在表面发生沉积形成SiC涂层。该方法不存在化学气相沉积中的环境污染问题，没有气化的颗粒以固态存在而不发生沉积将随等离子射流排出，不影响SiC的沉积；可以通过控制SiC颗粒的尺寸保留部分小颗粒固态SiC，对沉积涂层表面产生冲击喷丸效应，有利于增强涂层的致密性。

经本发明制得的SiC涂层可用作耐磨损涂层、耐冲刷涂层、耐冲蚀涂层、耐腐蚀涂层、耐中子辐射等核电环境下的辐照损伤保护涂层、或导电等涂层。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的涂层断面组织形貌图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

采用TGV等离子喷涂系统，以45L/min的Ar为主要的等离子发生气体，并添加6.3％的氢气，在压力为150Pa的Ar填充的低压腔室内，以40kW电弧功率下产生等离子射流，在将粉末颗粒尺寸5-30μm的碳化硅(SiC)为原料送入等离子射流中加热分解气化，在将Al₂O₃基体表面预热到约650～1200℃，制备SiC涂层。如图1所示的涂层断面组织，可以看出，制备的涂层厚度均匀，致密。SiC涂层均匀覆盖于基体表面。分析表明涂层中含有部分Si。当随等离子气流中的H₂流量降低，Si含量降低，获得纯Si涂层。

实施例2

采用高能等离子喷涂系统，以45L/min的Ar、与以50L/minHe为等离子发生气体，在压力为250Pa的Ar填充的低压腔室内，在150kW电弧功率下产生等离子射流，在将粉末颗粒尺寸2-15μm的碳化硅(SiC)为原料送入等离子射流中加热分解气化，在表面预热到约800～1000℃的Zr基体上，制备出SiC涂层。

实施例3

采用高能等离子喷涂系统，以60L/min的Ar、与以40L/minHe为等离子发生气体，在压力为300Pa的Ar填充的低压腔室内，在120kW电弧功率下产生等离子射流，在将粉末颗粒尺寸0.2-1μm的碳化硅(SiC)为原料送入等离子射流中加热分解气化，在表面预热到约800～1000℃的碳纤维增强的碳化硅基(C/SiC)复合材料基体上制备了厚度均匀的致密的SiC涂层。

实施例4

采用高能等离子喷涂系统，以40L/min的Ar、与以50L/minHe为等离子发生气体，在压力为150Pa的Ar填充的低压腔室内，产生80kW的等离子射流，采用颗粒尺寸0.2-1μm的碳化硅(SiC)粉末，送入等离子射流中加热分解气化，在表面预热到约800～1000℃的C/C复合材料基体上制备了厚度均匀的致密的SiC涂层。

综上所述，本发明方法利用SiC加热后不具熔化态而直接分解气化的特点，利用高能等离子直接将粉末状的SiC加热形成沉积SiC的先驱体：原子态的Si与C，或离子态的Si与C，随等离子射流喷射向基体材料表面，使其在表面再发生沉积形成SiC涂层。该制备方法需要在确保分解后的Si与C的先驱体不放生任意成分损失的条件下进行，即在无氧化的气氛中，且采用不含与C发生反应的等离子成分的等离子加热条件下进行。