[發明專利]一種提高材料抗氧化燒蝕性能的表面微結構制備方法

有效

• 申請號: 201310092562.9
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103145445A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 馮雪;方旭飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B41/80
• 分類號: C04B41/80
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

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制備方法，屬于工程材料、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并廣泛用于高技術領域，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、導彈、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℃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。以碳化硅或碳-碳化硅為基體的材料為例，在溫度達到1700℃及以上，材料表面即會出現燒蝕，發生劇烈反應，生成二氧化硅等液態物，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沖刷流走。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。再以碳化硅-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，必然也為其研制帶來了巨大的瓶頸。

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、因素復雜，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硅或碳-碳化硅為基體的材料抗氧化燒蝕性能的表面結構制備方法，該方法可在結構表面制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制備方法，所述材料以碳化硅或碳-碳化硅為基體，其特征在于該方法包括如下步驟：

1）對碳化硅或碳-碳化硅基體表面進行拋光；

2）將碳化硅纖維或碳化硅纖維束布置、粘接在拋光的基體表面，得到附著有碳化硅纖維或纖維束的基體；

3）將步驟2）中的帶有碳化硅纖維或碳化硅纖維束的基體置于化學氣相沉積沉降室中，對表面進行碳化硅的化學氣相沉積；

4）對步驟3）中得到的材料表面進行激光刻蝕，得到具有不同深寬比槽道的表面微結構。

上述技術方案中，所述的碳化硅纖維束的直徑在100-300μm之間。所述的碳化硅纖維或碳化硅纖維束的布置形式采用平行或豎直布置。

本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：在傳統材料制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、生產制備工藝過程的浪費；在材料表面制備出的微結構槽道能夠盛裝材料由于高溫燒蝕生成的液態反應物，阻止其被高速氣流沖刷流失，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。

附圖說明

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制備方法的工藝流程圖。

圖2a、2b為通過本方法在碳化硅材料表面制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-碳化硅材料表面制備出的微結構效果圖，圖3b是圖3a的局部放大圖。

具體實施方式

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范圍。

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制備方法的工藝流程圖,其具體操作步驟如下：