一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层及其制备方法。其方法包括：采用化学气相沉积法，在纤维增强的复合材料的表面沉积硅粘结层；采用化学气相沉积法，在粘结层表面沉积中间层；在中间层表面蘸取热障涂层材料后，将纤维增强的复合材料以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至第一预设温度，保温预设时间后，以20℃/min～30℃/min的降温速率降温至第二预设温度，然后将其自然降温至室温，以制备热障层；采用等离子体喷涂的方法在热障涂层表面喷涂硅酸钇粉末，以制备面层。根据本发明专利技术的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层，很好地提高了发动机的抗氧化和隔热性能。

Fiber reinforced composite material surface coating in engine environment and preparation method thereof

The invention relates to a fiber reinforced composite material surface coating in an engine environment and a preparation method thereof. The method includes: by chemical vapor deposition method in fiber reinforced composite material is deposited on the surface of silicon bonding layer; by chemical vapor deposition in the middle layer deposited on the surface of the bonding layer on the surface of the middle layer; dipping from thermal barrier coating material, fiber reinforced composite materials to 10 DEG /min to 20 DEG /min the heating rate of heating to the first preset temperature, heat to 20 degrees after a preset time, the cooling rate at 30 ~ /min /min down to second preset temperature, and then the natural cooling to room temperature, the preparation of thermal barrier coatings; by plasma spraying method in yttrium silicate powder spraying thermal barrier coating surface to surface preparation layer. In accordance with the present invention, a fiber reinforced composite material surface coating in an engine environment greatly improves the oxidation resistance and heat insulation performance of an engine.

【技术实现步骤摘要】
一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料领域，具体地，涉及一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层及其制备方法。
技术介绍
随着航空航天中使用的发动机不断更新换代，发动机将面对更严格的工作环境，从而对发动机部件的长寿命使用提出了越来越高的要求。为了适应复杂的发动机环境，需要开发和研究新的热端部件涂层保护工艺。目前常用的涂层存在的问题是无法在1400℃以上的温度范围内长时间工作，涂层材料单一。而在航空工业领域，最大的趋势是发动机需要越来越高的工作温度，这也对材料提出了更高的要求。目前，最高的工作温度已经超过了合金的极限。利用耐高温低密度的纤维增强的复合材料代替合金极大地提高了熔点温度，可以允许发动机可以在更高的温度下工作。纤维增强的复合材料是具有使其适合用于构成结构元件的机械性质并且具有在高温下保持这些性质的能力的复合材料。这种复合材料材料特别地由碳/碳(C/C)复合材料(碳纤维增强件和碳基体)构成，以及由陶瓷基复合材料构成，例如C/SiC材料(具有碳化硅基体的碳纤维增强材料)、C/C-SiC材料(具有碳与碳化硅混合基体的碳纤维增强材料)或者甚至SiC/SiC材料。纤维增强的复合材料具有优异的高温物理性质，如低密度、高比强、低热膨胀系数、耐热冲击等等，使得它在航空航天领域中应用广泛，例如火箭热防护罩、航天飞机的鼻翼、以及飞行器的一些耐热结构部件。在发动机的环境下，力学破坏并不是其唯一的失效机制。通常，另外两种化学破坏也很普遍。第一种失效机制是失重，是因为持续的氧化使得基体材料生成易挥发的气态物质被高速气流带走。第二种失效机制是在燃气的碱盐环境下发生热腐蚀而生成一系列孔洞。因此，研究一种既能防止氧化，保护基体材料，又具有较好的隔热作用的涂层材料成为航空航天发动机领域的一大热点问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人通过研究发现，传统的热障涂层(YSZ)只能应用于存在大气氧化的环境下，在复杂的水汽发动机环境下无法适用，在1300℃的发动机环境条件下工作时间不足150小时。而目前应用比较多的环境障涂层没有利用隔热作用较好的一些氧化物，虽然可以在发动机环境下应用，但无法适应越来越高的发动机环境要求，在高温环境下不能较好地防护中间层和内层的热应力问题，尤其是1400℃以及更高的工作温度。一般情况下，现在的硅酸钇涂层体系在发动机环境下的开始失效时间在200小时以内。将二者结合在一起，在目前的三层体系中加入热障涂层(YSZ)，起到较好的隔热作用，防止内层和中间层出现热应力失效的问题。然后最外层制备性能较好的硅酸钇涂层，能抵抗复杂的水汽和熔盐的发动机环境，从而保护热障涂层使其能适应于更高温度的条件，不用担心被氧化。最后发动机的性能可以提升到在高温下可以工作接近400小时，较好地解决了目前的发动机不能长时间工作在1400℃及以上环境下的限制。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种既能防止氧化，保护基体材料，又具有较好的隔热作用的涂层材料的制备方法。根据本专利技术实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，包括如下步骤：S101：采用化学气相沉积法，在纤维增强的复合材料的表面沉积硅粘结层；S102：采用化学气相沉积法，在粘结层表面沉积中间层；S103：在中间层表面蘸取热障涂层材料后，在保护气氛下，将纤维增强的复合材料以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至第一预设温度，保温预设时间后，以20℃/min～30℃/min的降温速率降温至第二预设温度，然后将纤维增强的复合材料自然降温至室温，以制备热障层；S104：采用等离子体喷涂的方法在热障涂层表面喷涂硅酸钇粉末，以制备面层。根据本专利技术实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，内层和中间层均采用化学气相沉积工艺制备，可以得到致密的性能较好的涂层，起到防护基体材料不被侵蚀的效果。然后采用料浆刷涂法制备一层热障涂层，起到隔热的效果。并且，缓慢升温和缓慢降温可以减少热应力造成的裂纹导致失效的问题。最外层为硅酸钇涂层，可以抵抗复杂的水氧和熔盐环境。在原有的硅酸钇涂层体系内加入热障涂层，这样硅酸钇涂层可以帮助热障涂层抵抗复杂的水氧和熔盐环境，使其可以在相对较长的时间内在较高的温度环境下工作，使热障涂层能够更好地发挥其隔热的功能，从而可以得到综合性能优异的硅酸钇涂层体系，更加适用于复杂的高温发动机环境。另外，根据本专利技术上述实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，热障涂层材料为ZrO2-Y2O3，其中Y2O3的摩尔分数为5％～8％。进一步地，在S103步骤中，第一预设温度为600℃～700℃，预设时间为2h～4h，第二预设温度为300℃～400℃。进一步地，在S101步骤中，温度为950℃～1150℃，真空度为0.03MPa～0.05MPa。进一步地，在S102步骤中，温度为1000℃～1100℃，真空度为0.06MPa～0.08MPa。进一步地，在S104步骤中，温度为750℃～850℃，真空度为0.004MPa～0.005MPa。进一步地，硅粘结层的厚度为10μm～30μm，中间层的厚度为120μm～150μm，热障层的厚度为120μm～150μm，面层的厚度为150μm～180μm。本专利技术的另一个目的在于提出一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层。根据本专利技术提出的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层，包括：纤维增强的复合材料；采用化学气相沉积法制备的硅粘结层，硅粘结层包覆纤维增强的复合材料；采用化学气相沉积法制备的中间层，中间层包覆硅粘结层；采用料浆刷涂法制备的热障材料涂层，热障材料涂层包覆硅粘结层；采用等离子体喷涂法制备硅酸钇粉末涂层，硅酸钇粉末涂层包覆热障材料涂层。进一步地，所述热障涂层材料为ZrO2-Y2O3，其中所述Y2O3的摩尔分数为5％～8％。进一步地，硅粘结层的厚度为10μm～30μm，中间层的厚度为120μm～150μm，热障材料涂层的厚度为120μm～150μm，硅酸钇粉末涂层的厚度为150μm～180μm。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1是本专利技术实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法流程图；图2是本专利技术实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。如图1所示，根据本专利技术实施例的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，主要包括以下几个步骤。S101：采用化学气相沉积法，在纤维增强的复合材料的表面沉积硅粘结层。一般地，采用SiCl4和H2反应，涉及的反应式为：SiCl4(l)→SiCl4(g)、SiCl4(g)+2H2(g)→Si(s)+4HCl(g)。其中，内层硅的沉积真空度为3×104pa～5×104pa，温度设定在950℃～1150℃，可以保证反应顺利进行并没有杂质参与。SiCl4的流量为2.0×10-5m3/s～3.0×10-5m3/s，H2的流量为4.0×10-5m3/s～6.0×10-5m3/s，以使反应能够充分发生。制备的粘结层厚度约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S101：采用化学气相沉积法，在纤维增强的复合材料的表面沉积硅粘结层；S102：采用化学气相沉积法，在所述粘结层表面沉积中间层；S103：在所述中间层表面蘸取热障涂层材料后，在保护气氛下，将所述纤维增强的复合材料以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至第一预设温度，保温预设时间后，以20℃/min～30℃/min的降温速率降温至第二预设温度，然后将所述纤维增强的复合材料自然降温至室温，以制备热障层；S104：采用等离子体喷涂的方法在所述热障涂层表面喷涂硅酸钇粉末，以制备面层。

【技术特征摘要】
1.一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S101：采用化学气相沉积法，在纤维增强的复合材料的表面沉积硅粘结层；S102：采用化学气相沉积法，在所述粘结层表面沉积中间层；S103：在所述中间层表面蘸取热障涂层材料后，在保护气氛下，将所述纤维增强的复合材料以10℃/min～20℃/min的升温速率加热至第一预设温度，保温预设时间后，以20℃/min～30℃/min的降温速率降温至第二预设温度，然后将所述纤维增强的复合材料自然降温至室温，以制备热障层；S104：采用等离子体喷涂的方法在所述热障涂层表面喷涂硅酸钇粉末，以制备面层。2.根据权利要求1所述的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，所述热障涂层材料为ZrO2-Y2O3，其中所述Y2O3的摩尔分数为5％～8％。3.根据权利要求1所述的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，在所述S103步骤中，所述第一预设温度为600℃～700℃，所述预设时间为2h～4h，所述第二预设温度为300℃～400℃。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，在所述S101步骤中，温度为950℃～1150℃，真空度为0.03MPa～0.05MPa。5.根据权利要求1～3任一项所述的一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层的制备方法，其特征在于，在所述S102步骤中，温度为1000℃～1100℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，宋涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11