一种具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料及其制备方法技术

本申请公开了一种具有Mo‑Si‑B‑O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料，包括Mo‑Si‑B‑O涂层和C/SiC基体，Mo‑Si‑B‑O涂层与C/SiC基体之间不存在互扩散区，Mo‑Si‑B‑O涂层主要由MoSi2、MoB和SiO2三相组成，其成分以相体积比计为73MoSi2：19MoB/Mo2B5：8SiO2或72MoSi2：22MoB/Mo2B5：6SiO2。本申请还公开了一种制备上述C/SiC复合材料的方法。本申请的Mo‑Si‑B‑O涂层与C/SiC基体之间不存在元素互扩散区，保证了涂层在服役期间结构的稳定，提高了涂层的服役时间，从而提高了C/SiC复合材料的高温抗氧化性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料及其制备方法
本申请属于复合材料氧化防护领域，涉及一种具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料及其制备方法，特别地涉及一种利用放电等离子烧结技术在碳纤维增强陶瓷基复合材料上制备Mo-Si-B-O复合涂层，以改善其高温抗氧化性的方法。
技术介绍
碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低密度等优良特性，特别是拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2000℃仍能保持强度、模量等力学性能不降低，同时拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能，所以在发达国家新一代发动机和热机的研究中，它是提高发动机或热机燃烧室温度，进而提高能源转化率最理想的热结构材料之一。然而，碳纤维增强陶瓷基复合材料在氧化性气氛中，高于400℃就会使碳纤维氧化，从而导致材料性能降低，进而使材料失效。而碳纤维增强陶瓷基复合材料的许多应用环境都是具有氧化气氛的，例如在航空发动机的服役环境中,氧化介质很容易通过微裂纹和孔隙扩散到C/SiC复合材料的内部,加速碳纤维和热解碳界面的氧化,使材料的使用寿命缩短。因此，解决碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性问题是非常必要的。目前，碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面：(1)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能；(2)通过形成整体抗氧化涂层来增强材料的抗氧化性能。在这两种处理方式中,整体抗氧化涂层更为有效。例如，自愈合涂层可在C/SiC复合材料表面形成连续玻璃相,封填涂层或基体中的裂纹和孔隙,隔绝基体材料与氧化介质的接触,阻断氧气的扩散，因而能够有效提高C/SiC复合材料在航空发动机上的服役寿命。在1100℃以下的自愈合涂层材料为硼化物，氧化生成的B2O3在表面会形成一层薄的保护层，其易于流入基体中的微裂纹进行填封，阻挡氧的扩散。但在1100℃以上，B2O3的蒸气压增大，具有较大的挥发性，导致抗氧化性能下降，因此1100℃以上的自愈合涂层材料主要为硅基材料。放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering，SPS)是一种粉末快速固结的新型技术。该SPS工艺优势十分明显，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
技术实现思路
为了解决上述已有技术存在的不足，本专利技术选择了Mo-Si-B-O的涂层成分，以兼顾各温度区间的氧化性能。Mo-Si-B-O的涂层成分中既有Si源又有B源，在高、低温条件下均具有优良的抗氧化性能，因而被选为提高C/SiC复合材料氧化性能的涂层。利用放电等离子烧结在C/SiC复合材料基体上制备均匀致密的Mo-Si-B-O涂层，高温氧化后Mo-Si-B涂层表面形成一层致密的硼硅酸盐(B2O3-SiO2)层，该氧化层由于具有流动性而有自愈合的能力，可以很好的密封在氧化过程中产生的孔洞和裂纹，极大程度的阻止氧的内扩散，进而提高涂层的抗高温氧化性能。同时涂层与基体之间不会产生元素的互扩散区，有效的保护了涂层在服役期间结构的稳定，提高了涂层的使用寿命。根据本专利技术的一方面，提供了一种具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料，包括Mo-Si-B-O涂层和C/SiC基体，所述Mo-Si-B-O涂层与所述C/SiC基体之间不存在互扩散区，所述Mo-Si-B-O涂层主要由MoSi2、MoB和SiO2三相组成，其成分以相体积比计为73MoSi2：19MoB/Mo2B5：8SiO2或72MoSi2：22MoB/Mo2B5：6SiO2。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制备上述具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料的方法，包括以下步骤：(1)用金刚石线切割机切割2.5D编织的C/SiC复合材料，制备C/SiC基体；(2)以名义化学成分为Mo-(20～40)Si-(18～25)B(at％)合金元素为合成原料，利用非自耗真空电弧熔制备Mo-Si-B合金试样；(3)将步骤(2)制备的Mo-Si-B合金试样进行机械冲击粉碎，然后对得到的粉末进行研磨，制备Mo-Si-B合金粉末；(4)将步骤(1)制备的C/SiC基体和步骤(3)制备的Mo-Si-B合金粉末按顺序放入石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结温度为1550～1700℃，升温速率为20℃/min～200℃/min，压力为10～30MPa，保温时间为1～6min，Mo-Si-B合金粉末与SPS炉内及C/SiC基体的O发生反应，最终得到Mo-Si-B-O涂层。在一些实施方式中，步骤(3)中，Mo-Si-B合金粉末的粉末粒度分布可以为10～15μm或15～20μm。根据本专利技术的另一方面，提供了一种根据上述方法制备的经Mo-Si-B-O涂层保护的C/SiC复合材料制品，所述Mo-Si-B-O涂层主要由MoSi2、MoB和SiO2三相组成。根据本专利技术的另一方面，提供了一种根据权利要求1所述的具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料的应用，其用于新一代航空发动机涡轮叶片、热机燃烧室，火箭发动机喷管等。本专利技术的有益效果：1)利用放电等离子烧结技术制备的具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料的Mo-Si-B-O涂层与C/SiC基体之间不会产生互扩散区，其结合紧密，服役过程中不容易剥落，提高了涂层的使用寿命，实用性强；2)本专利技术利用放电等离子烧结技术制备的Mo-Si-B-O涂层，致密度高，组织细小，相分布均匀；3)利用放电等离子烧结技术制备的Mo-Si-B-O涂层的制备周期很短；4)利用放电等离子烧结技术制备的Mo-Si-B-O涂层降低了烧结时间，降低了压强，对基体C纤维的破坏较小，最大化保证了基体的力学性能；5)利用放电等离子烧结技术制备的Mo-Si-B-O涂层，可以控制涂层的相组成及显微结构；6)本专利技术所用方法简单实用，使得C/SiC复合材料高温抗氧化性能大幅提高，此外，本专利技术还可以推广到其他复合材料领域。附图说明为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1(a)和(b)为C/SiC基体的XRD图谱及所制备的Mo-Si-B-O涂层的XRD图谱。图2(a)和(b)为由颗粒尺寸为10～15μm的Mo-Si-B粉末经放电等离子烧结的Mo-Si-B-O涂层截面的不同放大倍数下的扫描电镜图片。图3(a)和(b)为未经涂层保护的C/SiC复合材料与本专利技术的经涂层保护的C/SiC复合材料，在1300℃下氧化的重量变化曲线图片。图4(a)和(b)为未经涂层保护的C/SiC复合材料与本专利技术的经涂层保护的C/SiC复合材料，在1300℃下氧化100h后的截面扫描电镜图片。图5(a)和(b)为由颗粒尺寸为15～20μm的Mo-Si-B粉末经放电等离子烧结后的Mo-Si-B-O涂层截面不同放大倍数下的扫描电镜图片。图6是对比申请的经放电等离子烧结后Mo-62Si-5B涂层截面扫描电镜图片。图7是对比申请的经放电等离子烧结后Mo-52Si-15B涂层截面扫描电镜图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有Mo‑Si‑B‑O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料，其特征在于，包括Mo‑Si‑B‑O涂层和C/SiC基体，所述Mo‑Si‑B‑O涂层与所述C/SiC基体之间不存在互扩散区，所述Mo‑Si‑B‑O涂层主要由MoSi2、MoB和SiO2三相组成，其成分以相体积比计为73MoSi2：19MoB/Mo2B5：8SiO2或72MoSi2：22MoB/Mo2B5：6SiO2。

【技术特征摘要】
1.一种具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料，其特征在于，包括Mo-Si-B-O涂层和C/SiC基体，所述Mo-Si-B-O涂层与所述C/SiC基体之间不存在互扩散区，所述Mo-Si-B-O涂层主要由MoSi2、MoB和SiO2三相组成，其成分以相体积比计为73MoSi2：19MoB/Mo2B5：8SiO2或72MoSi2：22MoB/Mo2B5：6SiO2。2.一种制备权利要求1所述的具有Mo-Si-B-O高温抗氧化涂层的C/SiC复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用金刚石线切割机切割2.5D编织的C/SiC复合材料，制备C/SiC基体；(2)以名义化学成分为Mo-(20～40)Si-(18～25)B(at％)合金元素为合成原料，利用非自耗真空电弧熔制备Mo-Si-B合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙江波，李腾，温斯涵，
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