一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料表面处理的技术领域，具体涉及一种在碳/碳复合材料表面制备高温抗氧化涂层技术领域。
【背景技术】
[0002]C/C复合材料是航天航空领域理想超高温热结构材料，其密度小、比强度大、热导率高、抗热震、抗蠕变、耐烧蚀、耐磨性能好，尤其在1000?2300°C时强度随温度升高反而升高，已广泛应用于航天飞机鼻锥帽、火箭发动机喷管、飞机刹车盘等。但C/C复合材料在500°C以上迅速氧化，导致材料毁灭性破坏，抗氧化涂层是C/C复合材料应用在高温有氧环境的重要途径。
[0003]中国黄剑锋等制备的SiC/硅酸钇/玻璃复合涂层能在1600°C下对C/C复合材料有效保护达202h，涂层试样的氧化失重小于0.7%。来忠红、朱景川等人开发了 SiC/MoSi2-Si/Si3N4多层抗氧化涂层，该涂层可以在1400?1450°C有效保护C/C复合材料。成来飞等用液态渗硅法制备SiC作为过渡层，用化学气相沉积法制备SiC作为阻挡层，用液相反应生成法制备高温玻璃作为封填层，制备出的涂层可在1600°C工作168h以上。
[0004]发明专利《一种炭/炭复合材料长时间高温抗氧化娃基复合涂层及制备和应用方法》，CN 102432345B，公开了一种在炭/炭复合材料长时间高温抗氧化娃基复合涂层的制备方法，是在炭/炭复合材料表面上由里到外依次制备连接层和陶瓷涂层；所述的连接层为包埋法制备的SiC层，所述的陶瓷涂层为刷涂法与气相反应法制备的MoSi2-Si2N20-CrSi2的陶瓷层；所述的包埋法制备连接层的具体步骤如下:按照质量配比为:Si40-75%、A12032-13%、C8-20%、SiClO-38%称取 Si 粉、A1203 粉、C 粉，SiC 粉，加入分散剂，球磨充分混匀后取出干燥后待用；最后，将炭/炭复合材料置于石墨坩祸中，并用混匀的粉末将其完全埋住，后将坩祸放入高温炉中，在1700°C -2000°C下保温1.5-3h ;所述的刷涂法与气相反应法制备MoSi2-Si2N20-CrSi2陶瓷层的具体步骤如下:按重量比为MoSi2:Cr:Si:C:A1203 = 20-50:6-20:30-50:3-11:2-10混合，选用去离子水为溶剂，聚乙烯醇为粘结剂，固相混合粉末与粘结剂配比为l-3g:20-30mL ;聚乙烯醇质量浓度为2?5%;配制浆料，将配好的浆料刷涂在清洗干净并干燥好的带有SiC连接层的炭/炭复合材料上，干燥，重复刷涂干燥3-4次，最后是将刷涂并烘干后的试样放入真空碳管烧结炉中，在氮气气氛下，12000C -1600°C保温15?80min ;烧结过程中引入N2和S1，利用气相反应法制备Si2N20 ；所述的浆料的具体配置过程为:用超声波清洗器在无水乙醇中清洗烧杯，磁力搅拌器备用；干燥烧杯及固体原料；按照设定好的配比称取各种原料粉末倒入烧杯中，在磁力搅拌器上搅拌至少4h，直至粉料混合均匀。本发明通过改进制备方法，用激光束对预涂层在基材表面进行熔覆来获得高温抗氧化涂层。
【发明内容】
[0005]本发明公开一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化涂层，其特征在于:涂层由20?50%硅粉、5?15%碳粉、2?10%氧化铝粉、5?10%碳化硅晶须和10%?45%碳化硅粉组成，粉末置于行星式球磨机中充分混匀，粘结剂为酒精和玻璃水组成，混合料与粘结剂配比为1:1?1.5，配置的I?5_厚度的浆料涂覆在复合材料基体表面，在惰性气氛保护下通过高能束激光垂直方向熔覆烧结浆料，熔覆形成一层高温抗氧化涂层。
[0006]本发明还公开了一种在碳/碳复合材料表面制备高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
[0007]A:称取20?50%硅粉、5?15%碳粉、2?10%氧化铝粉、5?10%碳化硅晶须和10%?45%碳化硅粉组成，粉末置于行星式球磨机中充分混匀，粘结剂为酒精和玻璃水组成，混合料与粘结剂配比为1:1?1.5，均匀搅拌形成浆料；
[0008]B:将样品放入带有进气口和出气口的封闭容器内，激光器与样品保持垂直，且保持间距，随后通入惰性气体；
[0009]C:开启电源，激光束直径2?5_，激光器与样品间距5?50_，电流300?500A，脉冲频率5?1Hz运行速度100?1000mm/s，往复运行的激光束重复率约5?10%，冷却一段时间后即可取出碳/碳复合材料表面熔覆形成的涂层。
[0010]本发明的优点在于:(I)本项目产品制备方法新、工艺技术好、运行成本低；(2)不仅节约成本，还开创了一条新的道路；(3)容易对涂层的组分进行控制，可以制备多种硅酸盐涂层，适应不同温度段涂层需要；(4) C/C复合材料表面激光熔覆制备的SiC涂层强度高，且掺杂了少量的SiC晶须来改善涂层与C/C基体之间的热膨胀差异，形成致密的高温抗氧化SiC涂层。
【具体实施方式】
[0011]实施例1
[0012]配置高温抗氧化涂层样品:涂层由40g硅粉、12g碳粉、Sg氧化铝粉、1g碳化硅晶须和30g碳化硅粉组成，粉末置于行星式球磨机中充分混匀，粘结剂120g为酒精和玻璃水组成，配置的3_厚度的浆料涂覆在复合材料基体表面。由于C/C复合材料与SiC涂层之间的热膨胀系数有差异，可通过SiC同相晶须改善SiC涂层的致密性，提高其高温抗氧化性能。将样品放入带有进气口和出气口的封闭容器内，激光器与样品保持垂直，且保持间距，随后通入惰性气体；开启电源，激光束直径3mm，激光器与样品间距30mm，电流400A，脉冲频率8Hz运行速度600mm/s，往复运行的激光束重复率约8 %，冷却一段事件后即可取出碳/碳复合材料表面熔覆形成的涂层。所制得的涂层具有较好的致密性和良好的高温抗氧化性會K。
【主权项】
1.一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化涂层，其特征在于涂层由20?50%硅粉、5?15%碳粉、2?10%氧化铝粉、5?10%碳化硅晶须和10%?45%碳化硅粉组成，粉末置于行星式球磨机中充分混匀，粘结剂为酒精和玻璃水组成，混合料与粘结剂配比为1:1?1.5，配置的I?5mm厚度的浆料涂覆在复合材料基体表面，在惰性气氛保护下通过高能束激光垂直方向熔覆烧结浆料，熔覆形成一层高温抗氧化涂层。2.一种在碳/碳复合材料表面制备高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)称取20?50%硅粉、5?15%碳粉、2?10%氧化铝粉、5?10%碳化硅晶须和10%?45%碳化硅粉组成，粉末置于行星式球磨机中充分混匀，粘结剂为酒精和玻璃水组成，混合料与粘结剂配比为1:1?1.5，均匀搅拌形成浆料； (2)将样品放入带有进气口和出气口的封闭容器内，激光器与样品保持垂直，且保持间距，随后通入惰性气体； (3)开启电源，激光束直径2?5mm，激光器与样品间距5?50mm，电流300?500A，脉冲频率5?1Hz运行速度100?1000mm/s，往复运行的激光束重复率约5?10%，冷却一段时间后即可取出碳/碳复合材料表面熔覆形成的涂层。
【专利摘要】本发明公开一种碳/碳复合材料表面高温抗氧化涂层，其特征在于：涂层由20～50％硅粉、5～15％碳粉、2～10％氧化铝粉、5～10％碳化硅晶须和10％～45％碳化硅粉组成，粉末置于球磨机中充分混匀，粘结剂为酒精和玻璃水组成，混合料与粘结剂配比为1:1～1.5，配置的1～5mm厚度的浆料涂覆在复合材料基体表面，放入带有进气口和出气口的封闭容器内，激光器与样品保持垂直，且保持间距，随后通入惰性气体，开启电源，激光束直径2～5mm，激光器与样品间距5～50mm，电流300～500A，脉冲频率5～10Hz运行速度100～1000mm/s，往复运行的激光束重复率约5～10％，冷却一段时间后即可取出碳/碳复合材料表面熔覆形成的涂层。
【IPC分类】C04B41/50
【公开号】CN105036801
【申请号】CN201510422881
【发明人】王晓杰, 吴王平, 王辉
【申请人】常州大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月17日