一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法

2023-06-14 05:07:56

一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法
【專利摘要】一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法，其特徵是步驟如下：將碳基複合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮超聲清洗後烘烤，將烘乾後的碳基複合材料放入真空室，壓力＜5×10-3Pa，通入Ar氣至2～4×10-1Pa，用離子源結合偏壓轟擊清洗碳基複合材料表面；在氬氣環境，氣壓0.2～2.0Pa，偏壓50～200V，SiC靶功率4～12A/cm2，製備SiC層；以ZrB2-MoSi2粉末為熱噴塗材料，噴塗電壓60～70V，噴塗壓力10～100kPa，噴塗電流600～700A，氬氣流量35～45l/min，氫氣流量為5～15l/min，送粉末的氬氣流量2～4l/min，粉末流量5～30g/min，噴塗距離100～300mm，製備ZrB2-MoSi2塗層。本發明的塗層具有結合強度高、抗衝刷性能優良、對碳基複合材料高溫防護效果顯著的特點。
【專利說明】一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法，屬於表面【技術領域】，特別 涉及一種以真空物理氣相沉積的緻密SiC層為中間層，等離子噴塗ZrB2-MoSi2厚塗層為面 層的抗高溫氧化、耐燒蝕塗層的製備方法。

【背景技術】
[0002] 碳基複合材料具有優異的高溫力學性能，如高強度、高比模量、良好的斷裂韌性和 耐磨性能，是理想的耐高溫結構材料。但是碳基複合材料在高溫氧化環境中極易發生氧化， 例如：碳在370°C以上的空氣中；在650°C以上的水蒸汽中；在750°C以上的C0 2中都會發生 嚴重的氧化，導致其力學性能急劇下降。因此，防止碳基複合材料在高溫下的氧化和燒蝕是 實際應用中亟待解決的問題。
[0003] 在碳基複合材料表面製備抗高溫氧化和抗燒蝕塗層是一種有效的方法，主要有包 埋法、塗敷法等，塗層材料主要有硼化物、矽化物和碳化物等。硼化物主要有11邱 2和2池2，它 們在1000°C下生成黏液態的B203保護層，從而具有良好的抗氧化性能。HfB 2因成本很高， 應用較少。ZrB2高溫氧化後的產物為Zr02，熔點可以達到2690°C，可以在2200°C以上的高 溫中使用。矽化物主要有SiC和M 〇Si2，利用其在高溫下氧化會生成Si02而具有良好的自 癒合能力，從而表現出優異的高溫抗氧化性能。其中SiC (線膨脹係數為4. SXIO^T1)的 線膨脹係數與C/C複合材料比較接近，有助於提高塗層的結合強度，是較為理想的抗氧化 和耐燒蝕塗層材料。M 〇Si2(線膨脹係數為8.3ΧΚΤΓ1)也具有良好的抗氧化和耐燒蝕性 能。ZrB 2-M〇Si2塗層具有良好的抗高溫氧化和耐燒蝕性能，可在1800°C，甚至更高的全溫度 範圍內都具有優異的抗氧化和耐燒蝕性能，但兩種材料都與碳基複合材料(線膨脹係數為 1. 2X ΙΟ^Γ1)的膨脹係數相差較大，容易引起線膨脹係數失配問題，導致塗層的結合強度較 低，抗高溫高速焰流衝刷性能差。利用SiC與碳基複合材料相近的膨脹係數，以SiC層作為 中間層，抗高溫氧化和抗燒蝕ZrB 2-MoSi2塗層為面層的複合在碳基複合材料的防護方面具 有明顯的優勢。
[0004] CN201410001380. 0公開了"一種ZrB2-SiC/SiC陶瓷塗層的製備方法"，該方法採用 包埋法分別製備中間層SiC和ZrB 2-SiC面層；曾毅等(碳基複合材料SiC/ZrB2-M〇Si2複合 塗層的抗氧化機制，《複合材料學報》，2010,27 (3)，50-55)公開了一種利用包埋法和刷塗法 製備SiC/ZrB2-M〇Si 2塗層的方法，該方法使用線膨脹係數與碳基複合材料更接近的SiC作 為過渡層，降低了 ZrB2-M〇Si2塗層與基體之間的熱應力。然而，利用包埋法製備塗層的工藝 溫度高，導致碳基複合材料的力學性能顯著降低，同時存在均勻性以及塗層厚度不易控制， 且刷塗法製備的塗層結合強度低，在高速氣流衝刷下容易剝落，無法實現對碳基有效保護。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的為了克服現有技術的不足，提出了一種碳基複合材料抗高溫氧化、 耐燒蝕的複合製備方法，所述方法通過真空鍍膜技術在碳基複合材料表面沉積緻密的SiC 中間層，然後利用等離子噴塗技術製備ZrB2-M〇Si2塗層。由於該方法製備塗層的整個過程 都是在低溫下進行沉積，不會對碳基複合材料造成損傷，同時利用SiC中間層低的膨脹系 數緩解塗層的殘餘應力和ZrB2-M 〇Si2厚塗層的抗高溫氧化和耐燒蝕性能，具有塗層結合強 度高、抗衝刷性能優良、對碳基複合材料高溫防護效果顯著的特點。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法 步驟如下： (1) 碳基複合材料的前處理：將碳基複合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗後烘烤，將烘乾後的碳基複合材料放入真空室，壓力< 5 X l(T3Pa，通入Ar氣至 2~4 X K^Pa，用離子源結合偏壓轟擊清洗碳基複合材料表面； (2) 製備SiC層：在氬氣環境，氣壓0. 2?2. OPa，偏壓5(T200V，SiC靶功率4?12A/cm2， 在碳基複合材料表面製備厚度為8~30Mm的SiC層； (3) 製備ZrB2-MoSi2塗層：以噴霧造粒獲得的粒徑為5飛0 μ m的ZrB2-MoSi2粉末為熱 噴塗粉末，噴塗電壓6(T70V，噴塗壓力KTlOOkPa，噴塗電流60(Γ700Α，氬氣流量35?45 1/ min,氫氣流量為5~15 Ι/min,送ZrB2_MoSi2複合粉末的氦氣流量2~4 Ι/min,送ZrB2_MoSi2 複合粉末的量5?30g/min，噴塗距離10(T300mm，製備ZrB2-MoSi2塗層厚度為5(Γ300 μ m。
[0007] 所述的ZrB2-MoSi2粉末的質量比為：ZrB 2 : MoSi2為20?80 : 80?20。
[0008] 本發明的優點： (1) 本發明通過真空鍍膜和熱噴塗複合方法分別製備緻密的SiC中間層和ZrB2-M〇Si2 面層，塗層製備過程中碳基材料溫度小於200°C，可降低塗層工藝對碳基複合材料的高溫力 學性能損傷； (2) 本發明通過真空鍍膜和熱噴塗複合方法分別製備緻密SiC層和ZrB2-M〇Si2面層， 可以進一步提高塗層的結合強度和抗高溫燒蝕性能； (3) 本發明的塗層厚度可控，塗層生產不需要進行高溫真空熱處理，工藝簡單； (4) 本發明真空鍍膜所製備的SiC層幾乎無孔隙；等離子噴塗ZrB2-M〇Si2的塗層孔隙 率為:Γ12% ;塗層與碳基複合材料的結合強度大於lOMPa ;碳基複合材料/塗層在1550°C下 大氣環境下氧化增重為〇. 01、. 〇2g. cnT2.1Γ1，碳基材料不會發生燒蝕。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為實施例1中的SiC/ZrB2-M〇Si2塗層的掃描電鏡照片。
[0010] 圖2為實施例2中的SiC/ZrB2-M〇Si2塗層的掃描電鏡照片。
[0011] 1.碳基複合材料；2. SiC 層；3. ZrB2-MoSi2 塗層。

【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0013] 實施例1 本實施例的真空鍍膜SiC中間層的厚度為12±2Mm ;2池2,〇5"面層採用低壓等離子噴 塗製備，其厚度為60±10Mm，由以下質量百分比的成分組成：ZrB2 60wt%，MoSi2 40wt%。
[0014] (1)碳基複合材料前處理：將碳基複合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗0. 5h，放入烘箱中150°C烘烤1小時。將烘乾後的工件放入真空室，真空抽至低於 5 X 10_3Pa，通入Ar氣至4X K^Pa，用離子源結合偏壓轟擊清洗碳基材料表面。
[0015] (2)利用非平衡磁控濺射的方法在（1)得到碳基複合材料表面製備緻密的SiC層， 具體參數為：氬氣環境，氣壓〇. 5Pa，偏壓50V，SiC靶功率6A/cm2。
[0016] (3)將（2)中得到的碳基複合材料進行低壓等離子噴塗，製備ZrB2 60wt%-MoSi2 40wt%塗層，具體工藝參數為：噴塗電壓65V，噴塗電流680A，氬氣流量為40 1/min，氫氣流 量為10 Ι/min,送2池2-]\1〇3;[2粉末的氦氣流量1. 5 Ι/min,送2池2-]\1〇3;[2粉末的量20g/min， 噴塗距離170mm ;噴塗壓力為300kPa。
[0017] 本實施例得到的SiC/ZrB2-MoSi2塗層的形貌照片如圖1所示，採用金相分析法在 SiC層中觀察不到明顯的孔隙；面層ZrB2-M〇Si2塗層的孔隙率4%。
[0018] 本實施例製備的SiC/ZrB2-M〇Si2塗層全包覆碳基複合材料在1550°C下氧化增重 為0. Ollg. cnT2.1Γ1，碳基複合材料沒有發生任何燒蝕。
[0019] 實施例2 本實施例的真空鍍膜SiC中間層的厚度為15±2Mm ;2池2,〇5"面層採用大氣等離子噴 塗製備，其厚度為170±30Mm，由以下質量百分比的成分組成：ZrB2 50wt%，MoSi2 50wt%。
[0020] (1)碳基複合材料前處理：將碳基複合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗0. 5h，放入烘箱中120°C烘烤1小時。將烘乾後的工件放入真空室，真空抽至低於 5 X 10_3Pa，通入Ar氣至2 X K^Pa，用離子源結合偏壓轟擊清洗碳基材料表面。
[0021] (2)利用非平衡磁控濺射的方法在（1)得到碳基複合材料表面製備緻密的SiC層， 具體參數為：氬氣環境，氣壓1. 5Pa，偏壓150V，SiC靶功率10A/cm2。
[0022] (3)將（2)中得到的碳基複合材料進行大氣等離子噴塗，製備ZrB2 50wt%-MoSi2 50wt%塗層，具體工藝參數為：噴塗電壓73V，噴塗電流700A，氬氣流量為40 1/min，氫氣流 量為11 Ι/min,送2池2-]\1〇3;[2粉末的氦氣流量4 Ι/min,送2池2-]\1〇3;[2粉末的量20g/min， 噴塗距離110mm。
[0023] 本實施例得到的SiC/ZrB2_MoSi2塗層的形貌照片如圖2所示，採用金相分析法在 SiC層中觀察不到明顯的孔隙；面層ZrB2-M〇Si2塗層的孔隙率7%。
[0024] 本實施例製備的SiC/ZrB2_M〇Si2塗層全包覆碳基複合材料在1550°C下氧化增重 為0. 016g. cnT2.1Γ1，碳基複合材料沒有發生任何燒蝕。
【權利要求】
1. 一種碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法，其特徵是步驟如下： (1) 碳基複合材料的前處理：將碳基複合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗後烘烤，將烘乾後的碳基複合材料放入真空室，壓力< 5 X l(T3Pa，通入Ar氣至 2~4 X K^Pa，用離子源結合偏壓轟擊清洗碳基複合材料表面； (2) 製備SiC層：在氬氣環境，氣壓0. 2?2. OPa，偏壓5(T200V，SiC靶功率4?12A/cm2， 在碳基複合材料表面製備厚度為8~30Mm的SiC層； (3) 製備ZrB2-MoSi2塗層：以噴霧造粒獲得的粒徑為5飛0 μ m的ZrB2-MoSi2粉末，噴 塗電壓60?70V，噴塗壓力KTlOOkPa，噴塗電流60(Γ700Α，氬氣流量35?45 1/min，氫氣流量 為5~15 1/min，送ZrB2-MoSi2複合粉末的氬氣流量2~4 1/min，送ZrB2-MoSi2複合粉末的量 5?30g/min，噴塗距離 10(T300mm，製備 ZrB2-MoSi2 塗層厚度為 5(Γ300 μ m。
2. 根據權利要求1所述的碳基複合材料抗燒蝕塗層的製備方法，其特徵是所述的 2沖2-]?〇5"粉末的質量比為：ZrB 2 : MoSi2S20?80 : 80?20。
【文檔編號】C23C28/04GK104087936SQ201410332681
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】鄧春明, 劉敏, 周克崧, 韋春貝, 毛傑, 鄧暢光, 代明江, 張吉阜, 侯惠君 申請人:廣東省工業技術研究院(廣州有色金屬研究院)