[發明專利]一種提高炭/炭復合材料耐高溫氧化性能的方法

有效

• 申請號: 201610027347.4
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105669254B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 于盛旺;高潔;唐可;劉小萍;曹晉瑋;黑鴻君;賀志勇;周兵;吳艷霞
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C04B41/90
• 分類號: C04B41/90
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101
• 代理人: 申艷玲

技術領域

本發明涉及一種提高炭/炭復合材料耐高溫氧化性能的方法，屬于高溫防護涂層技術領域。

背景技術

炭/炭復合材料密度低(理論密度為 2.2g/cm³)，且具有無可比擬的超高溫力學性能、高比強度、優異的抗燒蝕性能及高溫下強度保持率高等特點，在航空、航天及軍事領域具有廣泛的應用前景。然而，在超過 370 ℃的氧化氣氛下，炭/炭復合材料就會開始發生氧化反應，而且反應速度隨著氧化溫度的升高而迅速增大，導致其力學性能大幅降低，所以這種材料不能夠在氧化氣氛下長時間應用。提高炭/炭復合材料抗氧化性能的方法主要有基體材料改性和涂覆耐氧化涂層兩種。基體材料改性一般用于1000℃以下或 2500~3100℃短時間防氧化，高溫長時間防氧化必須依賴于表面涂覆性能優良的耐氧化涂層。

目前，人們使用的耐氧化涂層主要有玻璃涂層、貴金屬涂層和陶瓷涂層三種。其中玻璃涂層能夠對涂層中的裂紋起到自愈合作用，但是其在高溫下的流動性和揮發性限制了其在高溫下的應用，所以主要應用于低于800℃的情況；貴金屬涂層主要是包含貴金屬Ir的Ir-Al-Si、Ir-Si涂層等，這種涂層可以應用于炭/炭復合材料1500℃左右時的防氧化，但是成本高，并且與基體結合強度較差。Si基陶瓷涂層是目前研究最為深入的高溫防氧化涂層，其原理是利用高溫下Si與O₂反應生成致密的SiO₂來阻擋氧原子向基體中擴散。Si基陶瓷涂層主要包括SiC陶瓷涂層和MoSi₂、WSi₂等金屬Si化物陶瓷涂層。采用SiC陶瓷作為炭/炭復合材料的防氧化涂層時，由于涂層與O₂反應生成SiO₂過程中會生成氣體，氣體在逸出時會在涂層中形成孔洞，O₂容易沿這些孔洞向涂層和基體內部擴散，造成基體材料的氧化。金屬Si化物陶瓷涂層與O₂反應生成SiO₂時不會產生氣體，但是這種涂層與炭/炭復合材料之間的熱膨脹系數存在較大的差異，單獨作為涂層使用時，這種差異會使涂層與基體結合強度較低，容易剝落。另一方面，較高的應力作用會導致涂層中形成微裂紋，而這些微裂紋也為氧氣向炭/炭復合材料表面的擴散提供了路徑，導致炭/炭復合材料基體被氧化。

Si的熱膨脹系數與炭/炭復合材料相差較小，且氧化反應不會生成氣體，但是Si涂層脆性大、機械性能較差。與此同時，Si是強碳化物形成元素，在炭/炭復合材料表面制備Si涂層時，Si元素會與碳反應生成碳化硅，而難以獲得單質Si的涂層。

發明內容

本發明旨在提供一種提高炭/炭復合材料耐高溫氧化性能的方法，使用雙輝等離子表面冶金技術制備與炭/炭復合材料基體呈冶金結合的耐高溫氧化金屬與Si的復合涂層。解決了Si和Si基耐高溫氧化涂層與基體結合強度低、脆性高以及在氧化過程中因氣體排出形成孔洞等問題。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種提高炭/炭復合材料耐高溫氧化性能的方法，該方法使用雙輝等離子表面冶金技術，先在炭/炭復合材料工件上制備Al滲層，然后滲入Ti和Nb在工件中形成Al-Ti-Nb合金涂層，最后再以耐高溫氧化金屬Zr、Ta或Cr中的一種作為靶材，通入硅烷作為反應氣體，在工件表面制備包含金屬和硅的多層梯度復合涂層。

所述的提高炭/炭復合材料耐高溫氧化性能的方法，包括以下步驟：

（1）Al滲層制備工藝如下：將炭/炭復合材料工件放入雙輝等離子表面冶金裝置內，以Al金屬作為靶材，調整靶材與工件間距為16-20mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性氣體Ar，其流量為60-80sccm，開啟源極和工件極電源，控制源極電壓在300-500V，工件極電壓在150-200V，工件溫度為350-400℃，時間為0.5-2h，進行Al滲層的制備；

（2）Al-Ti-Nb合金涂層制備工藝如下：上述Al滲層制備結束后，使用由Ti絲和Nb絲固定在純鈦板上制作的復合靶更換鋁靶，調整絲材下端到工件上表面間距為16-18mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性氣體Ar，其流量為60-80sccm，開啟源極和工件極電源，控制源極電壓在500-800V，工件極電壓在350-500V，控制工件溫度為500-600℃，時間為2-4h，進行Ti和Nb的沉積，高溫下Ti、Nb和Al之間互擴散形成Al-Ti-Nb高溫合金涂層；