一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法
2023-05-23 02:09:36 1
專利名稱：一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法
技術領域：
本發明涉及一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法，屬於工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。
背景技術：
材料是人類物質文明的基礎，它支撐著其它新技術的前進，航天航空、海洋工程、生命科學和系統工程等國民經濟生產領域都需要各類結構和功能材料。隨著科學技術的發展以及某些極端條件的實現，各種新型材料迅速發展並廣泛用於高技術領域，對其使用的材料的可靠性、使用性能等要求更加嚴格。航空、航天、核能發電、飛彈、核武器、近海井架、化學反應容器和汽輪機組葉片等所使用的關鍵材料和構件工作條件苛刻，如高溫、低溫、高壓、水氣、腐蝕介質，輻射及承受多軸應力等，一旦失效就有可能造成巨大災難。特別地，以航空領域的結構材料為例，發動機燃燒室的結構材料一般的工作溫度都在1600°C以上，在這樣的高溫工作環境中，材料的抗燒蝕性能對發動機的結構穩定性，使用安全、壽命等影響極大。 目前航空領域內的材料性能(特別是抗高溫氧化等性能)從材料自身的物理化學性質來講，已經基本被挖掘到極限情況。以碳化矽或碳-碳化矽為基體的材料為例，在溫度達到1700°C及以上，材料表面即會出現燒蝕，發生劇烈反應，生成二氧化矽等液態物，在缺乏有效的調控手段的條件下，生成物會因工作環境中的高速氣流而被衝刷流走。如果能夠在表面進行微結構改造，改變材料表面結構，影響材料表面的流-固-熱耦合效應，對生成液態物進行有效駐留，就能夠充分利用該層玻璃態氧化層對材料基體進行保護，同時駐留的液體的揮發也會吸收大量的熱量，降低材料表面溫度。再以碳化矽-碳化鉿體系的高溫熱防護材料為例，目前也有相應的工作開展，但是考慮到鉿的儲量非常少，進口又十分受限，原料價格居高不下，必然也為其研製帶來了巨大的瓶頸。發動機是飛行器的核心部件，是飛行器機動性、航程、可靠性、經濟性及環境影響的決定性因素之一。航空發動機服役環境惡劣、因素複雜，其燃燒室的結構材料對環境的響應存在流-固-熱耦合效應，而不是單一環境作用結果的疊加。為此，各國在相應的重大材料研究計劃中，都將提高材料的高溫抗氧化耐燒蝕性能作為重要內容。我們嘗試通過充分利用材料表面的演化機理改變材料表面結構，對材料表面的燃燒、燒蝕特性進行有效控制，進而影響其流-固-熱耦合效應，從而達到材料抗氧化燒蝕的目的，提高材料服役性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種提高以碳化矽或碳-碳化矽為基體的材料抗氧化燒蝕性能的表面結構製備方法，該方法可在結構表面製備出不同深寬比的槽道微結構，可提高材料的高溫抗氧化燒蝕性能，從而提高材料結構件的高溫服役時間及高溫服役性能。本發明的技術方案如下:一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法，所述材料以碳化矽或碳-碳化矽為基體，其特徵在於該方法包括如下步驟:
I)對碳化娃或碳-碳化娃基體表面進行拋光；2)將碳化矽纖維或碳化矽纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化矽纖維或纖維束的基體；3)將步驟2)中的帶有碳化矽纖維或碳化矽纖維束的基體置於化學氣相沉積沉降室中，對表面進行碳化娃的化學氣相沉積；4)對步驟3)中得到的材料表面進行雷射刻蝕，得到具有不同深寬比槽道的表面微結構。上述技術方案中，所述的碳化矽纖維束的直徑在100-300 i! m之間。所述的碳化矽纖維或碳化矽纖維束的布置形式採用平行或豎直布置。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果:在傳統材料製備工藝的基礎上進行微結構改造，成本低廉，避免了材料設計、生產製備工藝過程的浪費；在材料表面製備出的微結構槽道能夠盛裝材料由於高溫燒蝕生成的液態反應物，阻止其被高速氣流衝刷流失，從而阻隔燃氣、氧氣進一步向基體內部擴散，為提高材料的氧化燒蝕性能提供了一個新的方法和思路。
圖1為本發明提供的一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法的工藝流程圖。圖2a、2b為通過本方法在碳化矽材料表面製備出的微結構效果圖，圖2b是圖2a的局部放大圖。圖3a、3b為通過本方法在碳-碳化矽材料表面製備出的微結構效果圖，圖3b是圖3a的局部放大圖。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施方式
，但不應以此限制本發明的保護範圍。圖1為本發明提供的一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法的工藝流程圖，其具體操作步驟如下:a.對碳化娃或碳-碳化娃基體表面進行拋光,提高材料表面的光潔度,具體拋光程度需要達到便於將碳化矽纖維或碳化矽纖維束更緊密地布置、粘接在基體材料的表面即可，保證步驟b的順利進行；b.將碳化矽纖維或碳化矽纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化矽纖維或碳化矽纖維束的基體；根據具體的材料性質確定不同的纖維直徑，碳化矽纖維束的直徑在100-300i!m之間；碳化矽纖維或碳化矽纖維束可以平行或者豎直布置，但並不僅限於此。c.將步驟b中的帶有碳化矽纖維或碳化矽纖維束的基體置於化學氣相沉積室中，對表面進行碳化矽的化學氣相沉積。碳化矽纖維或碳化矽纖維束的不同排布會導致最終通過化學氣相沉積(CVD)形成不同的表面微結構形貌，可根據具體的碳化矽纖維或碳化矽纖維束排布形式需要根據不同材料的不同實驗結果來設置。
d.對步驟c中得到的材料表面進行雷射刻蝕，調節不同的雷射刻蝕能量密度，得到具有不同深寬比槽道的表面微結構。具體的微結構槽道深寬比需要根據不同材料基體的不同性質以及液體生成物的性質的來設置；e.檢查校驗質量，試件製作完成。下面通過兩個具體實施例來進一步理解本發明。實施例1:a.對一種碳化矽基體表面進行拋光，達到便於將碳化矽纖維或碳化矽纖維束更緊密地布置、粘接在基體材料的表面；b.將碳化矽纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化矽纖維束的基體，本例中碳化矽纖維束的直徑為200 之間，矽纖維束布置方式採用平行布置；c.將步驟b中的帶有碳化矽纖維束的基體置於化學氣相沉積室中，對表面進行碳化矽的化學氣相沉積，沉積厚度為300 m ;d.對步驟c中得到的材料表面進行雷射刻蝕，雷射刻蝕能量密度為2500mJ/s，刻蝕速度為10mm/s，得到的微結構槽道深度為IOOiim,寬度為IOOiim,深寬比為1:1 ;e.檢查校驗質量，試件製作完成。圖2a和圖2b為在碳化矽材料表面製備出的微結構效果圖。實施例2: a.對一種碳-碳化娃基體表面進行拋光,達到便於將碳化娃纖維或碳化娃纖維束更緊密地布置、粘接在基體材料的表面，保證步驟b的順利進行；b.將碳化矽纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化矽纖維束的基體，本例中碳化矽纖維束的直徑為100 之間，矽纖維束布置方式採用豎直布置；c.將步驟b中的帶有碳化矽纖維束的基體置於化學氣相沉積室中，對表面進行碳化矽的化學氣相沉積，沉積厚度為150 m ;d.對步驟c中得到的材料表面進行雷射刻蝕，雷射刻蝕能量密度為2800mJ/s，刻蝕速度為8mm/s，得到的微結構槽道深度為150iim，寬度為100 ym，深寬比為1.5:1 ;e.檢查校驗質量，試件製作完成。圖3a和圖3b為在碳-碳化矽材料表面製備出的微結構製備效果圖。
權利要求
1.一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法，所述材料以碳化矽或碳-碳化矽為基體，其特徵在於該方法包括如下步驟: 1)對碳化娃或碳-碳化娃基體表面進行拋光； 2)將碳化矽纖維或碳化矽纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化矽纖維或碳化矽纖維束的基體； 3)將步驟2)中的帶有碳化矽纖維或碳化矽纖維束的基體置於化學氣相沉積室中，對表面進行碳化矽的化學氣相沉積； 4)對步驟3)中得到的材料表面進行雷射刻蝕，得到具有不同深寬比槽道的表面微結構。
2.按照權利要求1所述的一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法，其特徵在於:在步驟2)中所述的碳化矽纖維束的直徑在100-300 u m之間。
3.按照權利要求1所述的一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面結構製備方法，其特徵在於:在步驟2)中碳化矽纖 維或碳化矽纖維束的布置形式採用平行或豎直布置。
全文摘要
一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構製備方法，屬於工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。本發明的技術特點是通過在拋光的材料基體表面附著一定尺寸的碳化矽纖維或碳化矽纖維束，通過化學沉澱後用雷射刻蝕方法在材料表面製備出微結構圖樣。通過控制碳化矽纖維或碳化矽纖維束的尺寸以及雷射刻蝕功率，可以得到不同深寬比的表面微結構槽道。該槽道在高溫燒蝕條件下能盛裝材料表面生成的液態反應物，阻止其被高速氣流衝刷流失，進而阻隔燃氣、氧氣向基體內部擴散，從而提高材料的高溫抗氧化燒蝕性能。該發明是基於具體實驗分析結果得到，可通過增強材料的高溫抗氧化燒蝕性能來提高材料結構件的高溫服役時間及高溫服役性能。
文檔編號C04B41/80GK103145445SQ20131009256
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者馮雪, 方旭飛 申請人:清華大學