專利名稱：炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鉬-硅-鋁涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工材料的制備方法，特別是涉及一種適用于炭/炭(C/C)復(fù)合材料涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
C/C復(fù)合材料是目前唯一能在1650°C以上使用的結(jié)構(gòu)材料，其在航宇工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但C/C復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境O 450°C)下易氧化，是其應(yīng)用于高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件的瓶頸問題，而涂層技術(shù)是解決該材料高溫易氧化問題的有效措施。MoSi2具有1800°C氧化氣氛下的高溫穩(wěn)定性，能夠在1650°C的空氣中連續(xù)使用2000小時以上，并具有優(yōu)良的自愈合性能，已被廣泛用于高溫合金、難熔金屬以及C/C復(fù)合材料的防氧化涂層。但是，MoSi2具有室溫脆性、高溫抗蠕變性差以及氧化后氧化膜易揮發(fā)與脫落等問題，這些 缺陷導(dǎo)致MoSi2涂層在氧化防護過程中容易失效。文獻 I “Thermal properties of MoSi2 with minor aluminum substitutions,T. Dasgupta, A. M. Umari. Intermetallics 15 (2007) 128-132” 公開了一種自蔓延高溫合成的Mo (Si, AD2,并研究了其熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率。該材料由Cllb和C40相組成，具有與純MoSi2相近的K/ α (熱傳導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)之比，是決定材料抗熱震性能的主要因素)值及比其更高的抗氧化性，因此是一種很有希望的高溫抗熱震涂層。文獻2 “Oxidation behavior of a Mo (Si, Al) 2 based composite at 1500°C,L. Ingemarsson, K. H el I Strom, L. G. Johansson. Intermetallics 19(2011) 1319-1329，，研究了皿0(3;[，41)2在1500°C下的氧化。氧化時該材料形成了連續(xù)的Al2O3保護膜,隨著氧化時間(I-IOOOh)的延長，最外層保護膜轉(zhuǎn)變?yōu)锳l203、Si02和莫來石的混合物，使其具有更高的防氧化性能。文獻3 “High temperature oxidation and pesting of Mo (Si, Al) 2,Toshio Maruyama, Katsuyuki Yanagihara. Materials Science and EngineeringA239-240 (1997) 828-841”研究了 C40 Mo (Si，Al) 2的氧化行為。在低于1868K的高溫環(huán)境下Mo (Si，Al)2生成Al2O3保護膜。高于1868K時，生成液相SiO2-Al2O3，在降溫過程中，這種超共晶液相抑制了 β -方石英的生成，最終形成粘結(jié)良好的均質(zhì)保護膜。均質(zhì)的Mo-Si-Al-O層包覆了基體自身的孔洞和裂紋，而且具有比MoSi2氧化生成的Mo-Si-O層更好的塑性。Mo (Si, Α1)2具有比MoSi2更加優(yōu)異的性能，是一種有潛力的高溫抗氧化材料。因此采用包埋技術(shù)制備C/C復(fù)合材料SiC/Mo (Si, Al)2涂層，以實現(xiàn)對C/C復(fù)合材料的高溫長時間防氧化保護。但是Mo (Si, Al)2材料作為C/C復(fù)合材料抗氧化涂層的研究卻未見有報道，本發(fā)明利用Mo (Si, Al)2材料較好的塑性特性，達到提高C/C復(fù)合材料抗氧化性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題，即本發(fā)明的目的，是為了提供一種適用于C/C復(fù)合材料的SiC/Mo(Si，Al)2涂層。該發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的，MoSi2*層在高溫氧化防護中的失效問題。一種炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于涂層為雙層涂層，內(nèi)涂層為SiC，外層為Mo (Si, Al)，具體步驟如下
步驟I、將炭/炭復(fù)合材料打磨拋光，在無水乙醇中超聲波清洗，放入烘箱中烘干備用;步驟2、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是a.按質(zhì)量分數(shù)稱取60 80%的Si粉、10 20%C粉及0 20%的Al2O3粉，加入球磨罐中球磨了 f3h制成包埋粉料；b.取所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，放入經(jīng)步驟I處理的炭/炭復(fù)合材料，再放入另一半包埋料覆蓋在炭/炭復(fù)合材料之上，加上石墨坩堝蓋；c.將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到_0.09MPa，然后保真空30min以上，然后通入流量為50(T600ml/min的保護性氣體氬氣，以5 12°C /min的速度將爐溫升至200(Γ2300 ，保溫I 3h，隨后以5 11°C /min的降溫速度將爐溫降至1000 1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，形成有SiC內(nèi)涂層的炭/炭復(fù)合材料；步驟3、制備Mo (Si, AD2外涂層,具體過程是a.將50 85wt. %Si粉、0 30wt. %Mo (Si, Al)2粉及10 20wt· %C粉在球磨機中球磨混合，得到包埋原料；將包埋原料和步驟c所得SiC-C/C炭/炭復(fù)合材料一起裝入石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-O. 09MPa,然后保真空30min以上，然后通入流量為50(T600ml/min的保護性氣體氬氣，以5 12°C /min的升溫速度將爐溫升至200(Γ2300 ，保溫I 3h，隨后以5 11°C /min的降溫速度將爐溫降至100(Γ 200 ，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出外涂層為Mo(Si，AD2的具有雙層涂層的炭/炭復(fù)合材料。所述步驟I中的打磨拋光分別用160號、400號砂紙打磨拋光。所述步驟I中的超聲波清洗時間為2(T30min，超聲波功率為8(Tl50W。所述步驟I中的烘干溫度為7(T90°C。本發(fā)明的炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，利用包埋法制備SiC內(nèi)涂層，降低包埋Mo (Si, Al) 2外涂層與C/C復(fù)合材料的熱應(yīng)力，緩解熱膨脹系數(shù)的不匹配；本發(fā)明的SiC/Mo(Si，Al)2涂層制備方法簡便，適用于C/C復(fù)合材料。從圖I可以看出SiC/Mo (Si, Al) 2涂層試樣表面致密連續(xù)，涂層中的晶體顆粒也相對較小。本發(fā)明所提出的SiC/Mo (Si，Al) 2涂層體系，可有效利用Mo (Si，Al) 2的高溫抗氧化性能，提高C/C復(fù)合材料的使用溫度，并使其能在高溫下長時間使用。


圖I是本發(fā)明利用包埋法制備的SiC/Mo(Si，Al)2涂層試樣的表面掃描電鏡照片。可以看出涂層致密連續(xù)，而且涂層中的晶體顆粒也較小。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo(Si，Al)2涂層，包括內(nèi)涂層和外涂層。所述的內(nèi)涂層為SiC,其原料包括60 80wt. %的Si，10 20wt. %的C和0 20wt. %的Al2O30外層是舭(3丨，41)2涂層，制備原料包括50 85￥七.%Si、0 30wt. %Mo (Si, Al)2及l(fā)(T20wt. %C。所述的原料均為粉料。本實施例還提出了一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo (Si, Al) 2涂層的制備方法,其具體過程是步驟一、將C/C復(fù)合材料分別用160號、400號砂紙打磨拋光后，再清洗C/C復(fù)合材料試樣。將打磨拋光后的C/C復(fù)合材料用無水乙醇超聲波清洗30min，放入烘箱中烘干備用；烘干溫度為85°C ;超聲波功率為100W。步驟二、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是I)按質(zhì)量分數(shù)分別稱取77%的Si粉、15%的C粉及8%的Al2O3粉，加入球磨罐中混合、球磨2h制成包埋粉料； 2)將所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，再放入C/C復(fù)合材料試樣，隨后用另一半包埋料覆蓋C/C復(fù)合材料試樣，最后加上石墨坩堝蓋；3)將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以7V /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后形成SiC內(nèi)涂層。步驟二、制備Mo (Si, Al) 2外涂層，具體過程是I)將質(zhì)量分數(shù)60wt. %Si粉、25wt. %Mo (Si, Al)2粉和15wt. %C粉按一定比例球磨混合，得到包埋原料；2)將包埋原料和SiC-C/C復(fù)合材料試樣一起裝進石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出Mo (Si, Al)2外涂層。經(jīng)上述所有步驟，制備出了 SiC/Mo (Si, Al)2涂層C/C復(fù)合材料試樣。實施例二 本實施例是一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo(Si，Al)2涂層，包括內(nèi)涂層和外涂層。所述的內(nèi)涂層為SiC,其原料包括60 80wt. %的Si，10 20wt. %的C和0 20wt. %的Al2O30外層是舭(3丨，41)2涂層，制備原料包括50 85￥七.% Si、0 30wt. % Mo (Si, Al) 2及l(fā)(T20wt. %C。所述的原料均為粉料。本實施例還提出了一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo (Si, Al) 2涂層的制備方法,其具體過程是步驟一、將C/C復(fù)合材料分別用160號、400號砂紙打磨拋光后，再清洗C/C復(fù)合材料試樣。將打磨拋光后的C/C復(fù)合材料用無水乙醇超聲波清洗30min，放入烘箱中烘干備用；烘干溫度為85°C ;超聲波功率為100W。步驟二、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是I)按質(zhì)量分數(shù)分別稱取77%的Si粉、15%的C粉及8%的Al2O3粉，加入球磨罐中混合、球磨2h制成包埋粉料；
2)將所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，再放入C/C復(fù)合材料試樣，隨后用另一半包埋料覆蓋C/C復(fù)合材料試樣，最后加上石墨坩堝蓋；3)將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以7V /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后形成SiC內(nèi)涂層。步驟二、制備Mo (Si, Al) 2外涂層,具體過程是I)將質(zhì)量分數(shù)75wt. %Si粉、8wt. % Mo (Si, Al) 2粉和17wt. %C粉按一定比例球磨混合，得到包埋原料；2)將包埋原料和SiC-C/C復(fù)合材料試樣一起裝進石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系 統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出Mo (Si, Al)2外涂層。經(jīng)上述所有步驟，制備出了 SiC/Mo (Si, AV2涂層C/C復(fù)合材料試樣。所制備的涂層致密連續(xù)，可對C/C復(fù)合材料提供更好的保護。實施例三本實施例是一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo(Si，Al)2涂層，包括內(nèi)涂層和外涂層。所述的內(nèi)涂層為SiC,其原料包括60 80wt. %的Si，10 20wt. %的C和0 20wt. %的Al2O30外層是舭(3丨，41)2涂層，制備原料包括50 85￥七.% Si、0 30wt. % Mo (Si, Al) 2及l(fā)(T20wt. %C。所述的原料均為粉料。本實施例還提出了一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo (Si, Al) 2涂層的制備方法,其具體過程是步驟一、將C/C復(fù)合材料分別用160號、400號砂紙打磨拋光后，再清洗C/C復(fù)合材料試樣。將打磨拋光后的C/C復(fù)合材料用無水乙醇超聲波清洗30min，放入烘箱中烘干備用；烘干溫度為85°C ;超聲波功率為100W。步驟二、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是I)按質(zhì)量分數(shù)分別稱取77%的Si粉、15%的C粉及8%的Al2O3粉，加入球磨罐中混合、球磨2h制成包埋粉料；2)將所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，再放入C/C復(fù)合材料試樣，隨后用另一半包埋料覆蓋C/C復(fù)合材料試樣，最后加上石墨坩堝蓋；3)將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以7V /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后形成SiC內(nèi)涂層。步驟三、制備Mo (Si, Al) 2外涂層,具體過程是I)將質(zhì)量分數(shù)75wt. %Si粉、15wt. % Mo (Si, Al)2粉和IOwt. %C粉按一定比例球磨混合，得到包埋原料；2)將包埋原料和SiC-C/C復(fù)合材料試樣一起裝進石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出Mo (Si, Al)2外涂層。實施例四本實施例是一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo(Si，Al)2涂層，包括內(nèi)涂層和外涂層。所述的內(nèi)涂層為SiC,其原料包括60 80wt. %的Si，10 20wt. %的C和0 20wt. %的Al2O30外層是舭(3丨，41)2涂層，制備原料包括50 85￥七.% Si、0 30wt. % Mo (Si, Al) 2及l(fā)(T20wt. %C。所述的原料均為粉料。本實施例還提出了一種炭/炭復(fù)合材料SiC/Mo (Si, Al) 2涂層的制備方法,其具體 過程是步驟一、將C/C復(fù)合材料分別用160號、400號砂紙打磨拋光后，再清洗C/C復(fù)合材料試樣。將打磨拋光后的C/C復(fù)合材料用無水乙醇超聲波清洗30min，放入烘箱中烘干備用；烘干溫度為85°C ;超聲波功率為100W。步驟二、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是4)按質(zhì)量分數(shù)分別稱取77%的Si粉、15%的C粉及8%的Al2O3粉，加入球磨罐中混合、球磨2h制成包埋粉料；5)將所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，再放入C/C復(fù)合材料試樣，隨后用另一半包埋料覆蓋C/C復(fù)合材料試樣，最后加上石墨坩堝蓋；6)將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以7V /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后形成SiC內(nèi)涂層。步驟三、制備Mo (Si，Al)2外涂層，具體過程是3)將質(zhì)量分數(shù)60wt. %Si粉、30wt. % Mo (Si, Al)2粉和IOwt. %C粉按一定比例球磨混合，得到包埋原料；4)將包埋原料和SiC-C/C復(fù)合材料試樣一起裝進石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，當(dāng)真空度無變化時證明系統(tǒng)密封完好。然后通入流量為600ml/min的保護性氣體氬氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升至2100°C，保溫2h，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出Mo (Si, Al)2外涂層。經(jīng)上述所有步驟，制備出了 SiC/Mo (Si，Al)2涂層C/C復(fù)合材料試樣。所制備的SiC/Mo (Si, Al) 2涂層可對C/C復(fù)合材料提供良好的保護。
權(quán)利要求
1.一種炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于涂層為雙層涂層， 內(nèi)涂層為SiC，外層為Mo (Si, Al)，具體步驟如下 步驟I、將炭/炭復(fù)合材料打磨拋光，在無水乙醇中超聲波清洗，放入烘箱中烘干備用； 步驟2、制備SiC內(nèi)涂層，具體過程是 a.按質(zhì)量分數(shù)稱取60 80%的Si粉、10 20%C粉及0 20%的Al2O3粉，加入球磨罐中球磨了 3h制成包埋粉料； b.取所制包埋粉料的一半放入石墨坩堝，放入經(jīng)步驟I處理的炭/炭復(fù)合材料，再放入另一半包埋料覆蓋在炭/炭復(fù)合材料之上，加上石墨坩堝蓋； c.將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空使真空度達到_0.09MPa，然后保真空30min以上，然后通入流量為50(T600ml/min的保護性氣體氬氣，以5 12°C /min的速度將爐溫升至2000 23001，保溫I 3h，隨后以5 11°C /min的降溫速度將爐溫降至1000 1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，形成有SiC內(nèi)涂層的炭/炭復(fù)合材料； 步驟3、制備Mo (Si, Al) 2外涂層，具體過程是 a.將50 85wt.%Si粉、0 30wt. %Mo (Si, Al)2粉及10 20wt. %C粉在球磨機中球磨混合，得到包埋原料； b.將包埋原料和步驟c所得SiC-C/C炭/炭復(fù)合材料一起裝入石墨坩堝，再將石墨坩堝放入真空爐內(nèi)，抽真空使真空度達到-0. 09MPa，然后保真空30min以上，然后通入流量為50(T600ml/min的保護性氣體氬氣，以5 12°C /min的升溫速度將爐溫升至200(T2300°C，保溫l 3h，隨后以5 11°C /min的降溫速度將爐溫降至1000 1200°C，關(guān)閉電源自然降溫至室溫，最后制備出外涂層為Mo (Si, Al) 2的具有雙層涂層的炭/炭復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于所述步驟I中的打磨拋光分別用160號、400號砂紙打磨拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于所述步驟I中的超聲波清洗時間為2(T30min，超聲波功率為8(Tl50W。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鑰-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于所述步驟I中的烘干溫度為7(T90°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種炭/炭復(fù)合材料碳化硅/鉬-硅-鋁涂層的制備方法，其特征在于涂層為雙層涂層，內(nèi)涂層為SiC，外層為Mo(Si,Al)，具體步驟將2D C/C復(fù)合材料烘干備用；利用液相滲硅的方法制備SiC內(nèi)涂層；利用包埋技術(shù)制備Mo(Si,Al)2外涂層。本發(fā)明利用包埋法制備SiC內(nèi)涂層，降低包埋Mo(Si,Al)2外涂層與C/C復(fù)合材料的熱應(yīng)力，緩解熱膨脹系數(shù)的不匹配；本發(fā)明的SiC/Mo(Si,Al)2涂層制備方法簡便，適用于C/C復(fù)合材料。SiC/Mo(Si,Al)2涂層試樣表面致密連續(xù)，涂層中的晶體顆粒也相對較小。的涂層致密連續(xù)，且涂層中晶體顆粒也相對較小。
文檔編號C04B41/90GK102757261SQ201210269398
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者史小紅, 李婷, 李賀軍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)