热结构复合材料高温抗氧化复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及热结构复合材料高温抗氧化复合涂层及其制备方法。根据本发明专利技术的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，包括如下步骤：将热结构复合材料在第一预设温度下，保温第一预设时间，进行预氧化后，将其自然冷却至室温；在保护气氛下，将热结构复合材料埋入包埋粉料中，在第二预设温度下，保温第二预设时间，得到具有SiC涂层的热结构复合材料；采用等离子体喷涂法在预设电压和预设电流下将喷涂粉料喷涂到具有SiC涂层的热结构复合材料上，制得Si‑Yb2Si2O7‑ZrB2涂层。根据本发明专利技术的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，制备工艺简单，操作方便，原料易得，制备成本较低。

High temperature oxidation resistant composite coating of thermal structure composite material and preparation method thereof

The invention relates to a heat structure composite material high-temperature oxidation resistant composite coating and a preparation method thereof. According to the preparation method of high temperature oxidation thermal structure of composite coating of the invention, which includes the following steps: the composite thermal structure in the first preset temperature, holding the first preset time, pre oxidation, the natural cooling to room temperature; in the atmosphere, the thermal structure of composite material embedded in embedding powder in second, the preset temperature, holding second preset time, the thermal structure of composite material with SiC coating; the coating powder spraying to the thermal structure of composite materials with SiC coating on the preset voltage and preset current plasma spraying method, preparation of Si Yb2Si2O7 ZrB2 coating. The preparation method of the high-temperature composite oxidation resistant composite coating of the thermal structure composite material according to the present invention has the advantages of simple preparation process, convenient operation, easy availability of raw materials and low preparation cost.

【技术实现步骤摘要】
热结构复合材料高温抗氧化复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料领域，具体地，涉及热结构复合材料高温抗氧化复合涂层及其制备方法。
技术介绍
热结构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。这种热结构材料特别地由碳/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。热结构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。热结构复合材料在惰性气体气氛中，能在2000℃以上保持力学性能稳中有升，然而在氧化性气氛下在500℃就开始急速氧化，限制了其在高温氧化环境中的应用。因此，解决热结构复合材料的抗氧化问题显得尤为重要。热结构复合材料的防氧化的途径有两种：一种是在热结构复合材料基体内添加抗氧化材料以提高基体防氧化能力；另一种是在热结构复合材料表面制备抗氧化涂层以隔绝空气。抗氧化涂层技术能在不影响基体力学性能的前提同时，有效的解决热结构复合材料氧化问题，是最佳的抗氧化途径。目前，ZrC、ZrB2、Hf(Zr)C、SiC、ZrC-SiC、ZrB2-SiC、Al2O3及莫来石等陶瓷涂层都已用于制备热结构复合材料的抗氧化涂层，可以有效提高热结构复合材料抗氧化性能。其中，西北工业大学和陕西科技大学制备的SiC/Si-MoSi2-CrSi2涂层、SiC/SiC-ZrB2涂层等等都都具有良好的抗氧化性能。但是长时间氧化后涂层表面依然产生裂纹，导致涂层失效。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种制备工艺简单，操作方便，原料易得，制备成本较低的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法。根据本专利技术实施例的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，包括如下步骤：预氧化：将热结构复合材料在第一预设温度下，保温第一预设时间，进行预氧化后，将热结构复合材料自然冷却至室温；制备SiC涂层：在保护气氛下，将热结构复合材料埋入包埋粉料中，在第二预设温度下，保温第二预设时间，得到具有SiC涂层的热结构复合材料；制备Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层：采用等离子体喷涂法在预设电压和预设电流下将喷涂粉料喷涂到具有SiC涂层的热结构复合材料上，制得Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层；其中，包埋粉料至少包括Si粉、C粉和Al2O3粉；喷涂粉料至少包括Yb2Si2O7粉、ZrB2粉、和Si粉。根据本专利技术实施例的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，等离子喷涂法能将粉料加热到熔融或半熔融状态，高速喷射到基体表面形成涂层，效率高、尺寸精度可控、涂层厚度均匀、且对基体热损伤小。ZrB2中Zr与B原子形成强共价键和金属键，因此具有很高的硬度和高温稳定性。Yb2Si2O7的热膨胀系数小，并且具有极低的氧渗透率和水蒸气渗透率，在提高热结构复合材料的抗氧化性能的同时，增强了涂层的环境障性能。经过长时间高温氧化后，抗氧化涂层会分成三层：未反应层，SiO2玻璃层和Zr-Si-O玻璃层。ZrO2的熔点高达到2700℃，高温下的挥发少，非常稳定，Zr-Si-O玻璃层与SiO2玻璃层分离并覆盖其上，粘度更大，且氧渗透率更低，能在1600℃下更有效的提供抗氧化保护。根据本专利技术实施例的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，制备工艺简单，操作方便，原料易得，制备成本较低。另外，根据本专利技术上述实施例的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，喷涂粉料中，Yb2Si2O7粉的重量比为20％～36％，ZrB2粉的重量比为26％～40％，Si粉的重量比为30％～48％。进一步地，包埋粉料中，Si粉的重量比为65％～80％，C粉的重量比为10％～25％，Al2O3粉的重量比为5％～15％，第二预设温度为1800℃～2000℃，第二预设时间为1h～3h。进一步地，预设电压为385V～425V，预设电流为115A～140A。进一步地，第一预设温度为900℃～1000℃，第一预设时间为3min～6min。进一步地，包埋粉料中，Si粉的粒径为20μm～30μm，C粉的粒径为20μm～30μm，Al2O3粉的粒径为20μm～30μm。进一步地，在步骤制备Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层中，喷涂速率为15g/min～25g/min，喷涂距离为80mm～100mm。进一步地，在预氧化步骤前，还包括步骤预处理：将超高温复合材料表面打磨后，清洗并烘干，烘干温度为110℃～130℃，烘干时间为10h～20h。本专利技术的另一个目的在于提出热结构复合材料高温抗氧化复合涂层。根据本专利技术的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层，包括：热结构复合材料；SiC涂层，SiC涂层覆盖热结构复合材料；Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层，Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层覆盖SiC涂层。进一步地，Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层厚度为90μm～110μm。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热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。根据本专利技术实施例的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，主要包括以下几个步骤。预氧化：将热结构复合材料在第一预设温度下，保温第一预设时间，进行预氧化后，将热结构复合材料自然冷却至室温。具体地说，就是将清洗后的热结构复合材料放入两端带通孔的石英管或坩埚中，置于马弗炉中，管体部分至于炉腔正中间的恒温区域，升温至大约900℃～1000℃，保温大概3min～6min，达到预氧化时间后将石英管从马弗炉炉腔中取出，至于室温环境中自然冷却。热结构复合材料经900℃～1000℃预氧化3min～6min处理后，涂层与基体的界面结合力显著提高，有效缓解了涂层物质与基体热膨胀系数不匹配的问题，从而减弱涂层试样在高低温交变环境中使用时涂层的开裂及脱落趋势，显著提高了涂层试样的抗氧化性能及力学性能。制备SiC涂层：在保护气氛下，将热结构复合材料埋入包埋粉料中，在第二预设温度下，保温第二预设时间，得到具有SiC涂层的热结构复合材料。其中，包埋粉料至少包括Si粉、C粉和Al2O3粉，且Si粉、C粉和Al2O3粉均在20μm～30μm之间。其中，Si粉的重量比约为65％～80％，C粉的重量比约为10％～25％，Al2O3粉的重量比约为5％～15％。第二预设温度约为1800℃～2000℃，第二预设时间约为1h～3h。具体地讲，就是按照Si粉65％～80％，C粉10％～25％，Al2O3粉5％～15％的质量比混合均匀，作为包埋粉料放入石墨坩埚中，将坩埚放入高温真空石墨化炉中，在氩气保护气氛下，1800℃～2000℃保温1h～3h，在热结构复合材料表面制得SiC涂层，然后用砂纸打磨使涂层表面平整，并进行清洗干燥。制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：预氧化：将热结构复合材料在第一预设温度下，保温第一预设时间，进行预氧化后，将所述热结构复合材料自然冷却至室温；制备SiC涂层：在保护气氛下，将所述热结构复合材料埋入包埋粉料中，在第二预设温度下，保温第二预设时间，得到具有SiC涂层的热结构复合材料；制备Si‑Yb2Si2O7‑ZrB2涂层：采用等离子体喷涂法在预设电压和预设电流下将喷涂粉料喷涂到所述具有SiC涂层的热结构复合材料上，制得Si‑Yb2Si2O7‑ZrB2涂层；其中，所述包埋粉料至少包括Si粉、C粉和Al2O3粉；所述喷涂粉料至少包括Yb2Si2O7粉、ZrB2粉、和Si粉。

【技术特征摘要】
1.热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：预氧化：将热结构复合材料在第一预设温度下，保温第一预设时间，进行预氧化后，将所述热结构复合材料自然冷却至室温；制备SiC涂层：在保护气氛下，将所述热结构复合材料埋入包埋粉料中，在第二预设温度下，保温第二预设时间，得到具有SiC涂层的热结构复合材料；制备Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层：采用等离子体喷涂法在预设电压和预设电流下将喷涂粉料喷涂到所述具有SiC涂层的热结构复合材料上，制得Si-Yb2Si2O7-ZrB2涂层；其中，所述包埋粉料至少包括Si粉、C粉和Al2O3粉；所述喷涂粉料至少包括Yb2Si2O7粉、ZrB2粉、和Si粉。2.根据权利要求1所述的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂粉料中，所述Yb2Si2O7粉的重量比为20％～36％，所述ZrB2粉的重量比为26％～40％，所述Si粉的重量比为30％～48％。3.根据权利要求1所述的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，所述包埋粉料中，所述Si粉的重量比为65％～80％，所述C粉的重量比为10％～25％，所述Al2O3粉的重量比为5％～15％，所述第二预设温度为1800℃～2000℃，所述第二预设时间为1h～3h。4.根据权利要求1所述的热结构复合材料高温抗氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，所述预设电压为385V～42...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，茅振国，
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