一種碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法
【專利摘要】一種碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法，其特征是步驟如下：將碳基復(fù)合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮超聲清洗后烘烤，將烘干后的碳基復(fù)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(jié)合偏壓轟擊清洗碳基復(fù)合材料表面；在氬氣環(huán)境，氣壓0.2～2.0Pa，偏壓50～200V，SiC靶功率4～12A/cm2，制備SiC層；以ZrB2-MoSi2粉末為熱噴涂材料，噴涂電壓60～70V，噴涂壓力10～100kPa，噴涂電流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，噴涂距離100～300mm，制備ZrB2-MoSi2涂層。本發(fā)明的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高、抗沖刷性能優(yōu)良、對碳基復(fù)合材料高溫防護(hù)效果顯著的特點。
【專利說明】一種碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法，屬于表面【技術(shù)領(lǐng)域】，特別 涉及一種以真空物理氣相沉積的致密SiC層為中間層，等離子噴涂ZrB2-MoSi2厚涂層為面 層的抗高溫氧化、耐燒蝕涂層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳基復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，如高強(qiáng)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(jié)構(gòu)材料。但是碳基復(fù)合材料在高溫氧化環(huán)境中極易發(fā)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(fā)生 嚴(yán)重的氧化，導(dǎo)致其力學(xué)性能急劇下降。因此，防止碳基復(fù)合材料在高溫下的氧化和燒蝕是 實際應(yīng)用中亟待解決的問題。
[0003] 在碳基復(fù)合材料表面制備抗高溫氧化和抗燒蝕涂層是一種有效的方法，主要有包 埋法、涂敷法等，涂層材料主要有硼化物、硅化物和碳化物等。硼化物主要有11邱 2和2池2，它 們在1000°C下生成黏液態(tài)的B203保護(hù)層，從而具有良好的抗氧化性能。HfB 2因成本很高， 應(yīng)用較少。ZrB2高溫氧化后的產(chǎn)物為Zr02，熔點可以達(dá)到2690°C，可以在2200°C以上的高 溫中使用。硅化物主要有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 愈合能力，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗氧化性能。其中SiC (線膨脹系數(shù)為4. SXIO^T1)的 線膨脹系數(shù)與C/C復(fù)合材料比較接近，有助于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，是較為理想的抗氧化 和耐燒蝕涂層材料。M 〇Si2(線膨脹系數(shù)為8.3ΧΚΤΓ1)也具有良好的抗氧化和耐燒蝕性 能。ZrB 2-M〇Si2涂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 范圍內(nèi)都具有優(yōu)異的抗氧化和耐燒蝕性能，但兩種材料都與碳基復(fù)合材料(線膨脹系數(shù)為 1. 2X ΙΟ^Γ1)的膨脹系數(shù)相差較大，容易引起線膨脹系數(shù)失配問題，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度較 低，抗高溫高速焰流沖刷性能差。利用SiC與碳基復(fù)合材料相近的膨脹系數(shù)，以SiC層作為 中間層，抗高溫氧化和抗燒蝕ZrB 2-MoSi2涂層為面層的復(fù)合在碳基復(fù)合材料的防護(hù)方面具 有明顯的優(yōu)勢。
[0004] CN201410001380. 0公開了"一種ZrB2-SiC/SiC陶瓷涂層的制備方法"，該方法采用 包埋法分別制備中間層SiC和ZrB 2-SiC面層；曾毅等(碳基復(fù)合材料SiC/ZrB2-M〇Si2復(fù)合 涂層的抗氧化機(jī)制，《復(fù)合材料學(xué)報》，2010,27 (3)，50-55)公開了一種利用包埋法和刷涂法 制備SiC/ZrB2-M〇Si 2涂層的方法，該方法使用線膨脹系數(shù)與碳基復(fù)合材料更接近的SiC作 為過渡層，降低了 ZrB2-M〇Si2涂層與基體之間的熱應(yīng)力。然而，利用包埋法制備涂層的工藝 溫度高，導(dǎo)致碳基復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著降低，同時存在均勻性以及涂層厚度不易控制， 且刷涂法制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度低，在高速氣流沖刷下容易剝落，無法實現(xiàn)對碳基有效保護(hù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種碳基復(fù)合材料抗高溫氧化、 耐燒蝕的復(fù)合制備方法，所述方法通過真空鍍膜技術(shù)在碳基復(fù)合材料表面沉積致密的SiC 中間層，然后利用等離子噴涂技術(shù)制備ZrB2-M〇Si2涂層。由于該方法制備涂層的整個過程 都是在低溫下進(jìn)行沉積，不會對碳基復(fù)合材料造成損傷，同時利用SiC中間層低的膨脹系 數(shù)緩解涂層的殘余應(yīng)力和ZrB2-M 〇Si2厚涂層的抗高溫氧化和耐燒蝕性能，具有涂層結(jié)合強(qiáng) 度高、抗沖刷性能優(yōu)良、對碳基復(fù)合材料高溫防護(hù)效果顯著的特點。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法 步驟如下： (1) 碳基復(fù)合材料的前處理：將碳基復(fù)合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗后烘烤，將烘干后的碳基復(fù)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(jié)合偏壓轟擊清洗碳基復(fù)合材料表面； (2) 制備SiC層：在氬氣環(huán)境，氣壓0. 2?2. OPa，偏壓5(T200V，SiC靶功率4?12A/cm2， 在碳基復(fù)合材料表面制備厚度為8~30Mm的SiC層； (3) 制備ZrB2-MoSi2涂層：以噴霧造粒獲得的粒徑為5飛0 μ m的ZrB2-MoSi2粉末為熱 噴涂粉末，噴涂電壓6(T70V，噴涂壓力KTlOOkPa，噴涂電流60(Γ700Α，氬氣流量35?45 1/ min,氫氣流量為5~15 Ι/min,送ZrB2_MoSi2復(fù)合粉末的氦氣流量2~4 Ι/min,送ZrB2_MoSi2 復(fù)合粉末的量5?30g/min，噴涂距離10(T300mm，制備ZrB2-MoSi2涂層厚度為5(Γ300 μ m。
[0007] 所述的ZrB2-MoSi2粉末的質(zhì)量比為：ZrB 2 : MoSi2為20?80 : 80?20。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點： (1) 本發(fā)明通過真空鍍膜和熱噴涂復(fù)合方法分別制備致密的SiC中間層和ZrB2-M〇Si2 面層，涂層制備過程中碳基材料溫度小于200°C，可降低涂層工藝對碳基復(fù)合材料的高溫力 學(xué)性能損傷； (2) 本發(fā)明通過真空鍍膜和熱噴涂復(fù)合方法分別制備致密SiC層和ZrB2-M〇Si2面層， 可以進(jìn)一步提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和抗高溫?zé)g性能； (3) 本發(fā)明的涂層厚度可控，涂層生產(chǎn)不需要進(jìn)行高溫真空熱處理，工藝簡單； (4) 本發(fā)明真空鍍膜所制備的SiC層幾乎無孔隙；等離子噴涂ZrB2-M〇Si2的涂層孔隙 率為:Γ12% ;涂層與碳基復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度大于lOMPa ;碳基復(fù)合材料/涂層在1550°C下 大氣環(huán)境下氧化增重為〇. 01、. 〇2g. cnT2.1Γ1，碳基材料不會發(fā)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涂層的掃描電鏡照片。
[0010] 圖2為實施例2中的SiC/ZrB2-M〇Si2涂層的掃描電鏡照片。
[0011] 1.碳基復(fù)合材料；2. SiC 層；3. ZrB2-MoSi2 涂層。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)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"面層采用低壓等離子噴 涂制備，其厚度為60±10Mm，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ZrB2 60wt%，MoSi2 40wt%。
[0014] (1)碳基復(fù)合材料前處理：將碳基復(fù)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。將烘干后的工件放入真空室，真空抽至低于 5 X 10_3Pa，通入Ar氣至4X K^Pa，用離子源結(jié)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)得到碳基復(fù)合材料表面制備致密的SiC層， 具體參數(shù)為：氬氣環(huán)境，氣壓〇. 5Pa，偏壓50V，SiC靶功率6A/cm2。
[0016] (3)將（2)中得到的碳基復(fù)合材料進(jìn)行低壓等離子噴涂，制備ZrB2 60wt%-MoSi2 40wt%涂層，具體工藝參數(shù)為：噴涂電壓65V，噴涂電流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， 噴涂距離170mm ;噴涂壓力為300kPa。
[0017] 本實施例得到的SiC/ZrB2-MoSi2涂層的形貌照片如圖1所示，采用金相分析法在 SiC層中觀察不到明顯的孔隙；面層ZrB2-M〇Si2涂層的孔隙率4%。
[0018] 本實施例制備的SiC/ZrB2-M〇Si2涂層全包覆碳基復(fù)合材料在1550°C下氧化增重 為0. Ollg. cnT2.1Γ1，碳基復(fù)合材料沒有發(fā)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"面層采用大氣等離子噴 涂制備，其厚度為170±30Mm，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ZrB2 50wt%，MoSi2 50wt%。
[0020] (1)碳基復(fù)合材料前處理：將碳基復(fù)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。將烘干后的工件放入真空室，真空抽至低于 5 X 10_3Pa，通入Ar氣至2 X K^Pa，用離子源結(jié)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)得到碳基復(fù)合材料表面制備致密的SiC層， 具體參數(shù)為：氬氣環(huán)境，氣壓1. 5Pa，偏壓150V，SiC靶功率10A/cm2。
[0022] (3)將（2)中得到的碳基復(fù)合材料進(jìn)行大氣等離子噴涂，制備ZrB2 50wt%-MoSi2 50wt%涂層，具體工藝參數(shù)為：噴涂電壓73V，噴涂電流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， 噴涂距離110mm。
[0023] 本實施例得到的SiC/ZrB2_MoSi2涂層的形貌照片如圖2所示，采用金相分析法在 SiC層中觀察不到明顯的孔隙；面層ZrB2-M〇Si2涂層的孔隙率7%。
[0024] 本實施例制備的SiC/ZrB2_M〇Si2涂層全包覆碳基復(fù)合材料在1550°C下氧化增重 為0. 016g. cnT2.1Γ1，碳基復(fù)合材料沒有發(fā)生任何燒蝕。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法，其特征是步驟如下： (1) 碳基復(fù)合材料的前處理：將碳基復(fù)合材料表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用丙酮 超聲清洗后烘烤，將烘干后的碳基復(fù)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(jié)合偏壓轟擊清洗碳基復(fù)合材料表面； (2) 制備SiC層：在氬氣環(huán)境，氣壓0. 2?2. OPa，偏壓5(T200V，SiC靶功率4?12A/cm2， 在碳基復(fù)合材料表面制備厚度為8~30Mm的SiC層； (3) 制備ZrB2-MoSi2涂層：以噴霧造粒獲得的粒徑為5飛0 μ m的ZrB2-MoSi2粉末，噴 涂電壓60?70V，噴涂壓力KTlOOkPa，噴涂電流60(Γ700Α，氬氣流量35?45 1/min，氫氣流量 為5~15 1/min，送ZrB2-MoSi2復(fù)合粉末的氬氣流量2~4 1/min，送ZrB2-MoSi2復(fù)合粉末的量 5?30g/min，噴涂距離 10(T300mm，制備 ZrB2-MoSi2 涂層厚度為 5(Γ300 μ m。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合材料抗燒蝕涂層的制備方法，其特征是所述的 2沖2-]?〇5"粉末的質(zhì)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】鄧春明, 劉敏, 周克崧, 韋春貝, 毛杰, 鄧暢光, 代明江, 張吉阜, 侯惠君 申請人:廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)