一种航空航天用微结构调控增韧涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种航空航天用微结构调控增韧涂层及其制备方法与应用，涂层包括制备在C/SiC复合材料基体表面缓冲层、制备在缓冲层表面SiC

【技术实现步骤摘要】
一种航空航天用微结构调控增韧涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种高温热防护涂层制备
，具体涉及一种航空航天用微结构调控增韧涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]碳纤维增强碳化硅基复合材料(C
f
/SiC)具有密度小(2.0～2.5g/cm3)、耐超高温(3000℃以上)、热膨胀系数小、高比强度、高比模量、抗烧蚀等优异性能，适用于航空航天热端构件的备选材料，尤其轻质耐高温的特点成为发动机喷管、燃烧室、燃气舵等构件的首选材料，有效降低构件质量，提高飞行器有效载荷，此外其良好的抗烧蚀性能是确保航天动力系统和飞行器先进可靠的保障。然而C/SiC复合材料由于自身热膨胀系数的各向异性，决定了材料中存在许多微裂纹和孔隙，一些氧化性组分通过微裂纹和孔隙与碳纤维接触，使碳纤维在较低的温度下被氧化，飞行器高速气动环境更加速了该现象的发生，此外SiC在高温、低压条件下会发生活性氧化反应，无法形成熔体薄膜阻绝氧化性组元，导致燃气舵的使用寿命严重下降，为确保航空航天用C/SiC复合材料构件能在更加恶劣的使役环境下正常运转，对C/SiC复合材料热防护抗热震、抗氧化涂层被认为是延长其使用寿命、解决发动机安全隐患的有效途径。
[0003]热防护抗热震、抗氧化涂层技术是在复合材料基体表面制备保护层使其和环境进行分离，达到防护、基体性能稳定的效果，但由于涂层和基体在高温下的机械相容性容易产生一些问题。一方面涂层制备温度会相对较高，其较高的热膨胀系数会导致涂层产生微裂纹，而高温下微裂纹处的基体将会暴露，防护失效；另一方面复合材料在从室温至高温的热冲击环境下服役时，涂层中的微裂纹将会进一步扩展，涂层有剥离和脱落的危险，从而导致涂层失效。因此基于未来航空航天用构件更苛刻服役环境的性能要求，提出具有纵向与横向可调控的微结构高韧性，低开裂趋势的新涂层体系，解决涂层与涂层之间、涂层与复合材料基体之间热匹配问题成为至关重要的科研课题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术目的在于提供一种航空航天用微结构调控增韧涂层及其制备方法与应用，一方面实现对具有定向生长特性结构的碳化硅纳米线增韧层微结构调控，另一方面实现对具有二维均匀随机分布结构特性的碳化硅晶须增韧层微结构控制，全方面多尺度提高涂层整体韧性的同时，通过体系组分过渡设计提高涂层对C/SiC复合材料基体整体热防护效果，确保C/SiC复合材料制成的燃气舵、尾喷等构件在高温1600℃服役环境下仍然具有稳定的综合性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0006]第一方面，本专利技术提出一种航空航天用微结构调控增韧涂层，其由内到外依次包括采用化学气相沉积法制备在C/SiC复合材料基体表面的碳化硅(CVD
‑
SiC)缓冲层，采用涂刷烧结+化学气相沉积工艺制备在碳化硅(CVD
‑
SiC)缓冲层表面的SiC
nw
增韧自愈合中间层，
以及采用涂刷烧结法制备在SiC
nw
增韧自愈合中间层表面的SiC
晶须
增韧隔热层，其中SiC
nw
具有定向生长结构特性，SiC
nw
实现垂直于缓冲层表面纵向生长的结构特性，SiC
晶须
具有二维平面各向随机分布结构特性，SiC
晶须
实现平行于中间层XY平面横向随机分布的结构特性。
[0007]包括设置在C/SiC复合材料表面的缓冲层、设置在缓冲层表面且垂直于缓冲层表面纵向生长的SiC
nw
增韧自愈合中间层、设置在中间层表面且平行于SiC
nw
增韧自愈合中间层表面横向随机分布的SiC
晶须
增韧隔热层。
[0008]优选地，所述缓冲层的厚度为50～100μm，所述SiC
nw
增韧自愈合中间层的厚度为60～150μm，所述SiC
晶须
增韧隔热层的厚度为80～120μm。
[0009]第二方面，本专利技术提供了一种微结构调控增韧涂层的制备方法。包括步骤S1：制备涂层之前C/SiC复合材料基体样品准备工作；S2：采用化学气相沉积法在C/SiC复合材料基体样品表面制备SiC内层缓冲层，一方面减少在制备外层涂层时，涂刷烧结工艺对复合材料的损伤，另一方面克服内外两涂层之间结合较弱的难点；S3：采用涂刷烧结+化学气相沉积法在所述SiC缓冲层表面制备SiC
nw
增韧自愈合中间层，一方面通过制备具有定向生长结构特性的SiC
nw
微结构增强该层自愈合物质韧性，另一方面SiC
nw
实现可控微网络构建，加强各层涂层间的结合性；S4：采用涂刷烧结法，在所述SiC
nw
增韧自愈合中间层表面制备SiC
晶须
增韧隔热层，一方面组分的协同设计能够实现较低的氧渗透，尽可能的阻断热传导达到隔热防护的作用，另一方面通过制备平行于中间层在XY平面随机分布的SiC
晶须
实现微结构在横向增韧的微观调控。此外整个涂层体系各层组分合理调控促使涂层体系具有良好的机械性能、优异抗冲击能力以及高温抗氧化性，从而有效防护C/SiC复合材料。
[0010]在本专利技术的进一步实施方式中S1具体包括步骤：S101：取C/SiC复合材料基体样品进行表面抛光打磨和棱、角的过渡倒角处理，至表面粗糙度<30μm，过渡倒角<3mm，即为合格；S102：将抛光打磨和倒角加工过的复合材料基体样品依次放到去离子水、丙酮、无水乙醇分别进行1～2h超声清洗，置于80～100℃的干燥烘箱内烘干2～5h。
[0011]在本专利技术的进一步实施方式中S2具体包括步骤：将干燥过的所述涂层前准备的C/SiC复合材料基体样品放入化学气相沉积炉进行SiC沉积，沉积至所需涂层厚度，制备得到具有SiC缓冲层的复合材料样品。
[0012]在本专利技术的进一步实施方式中S3具体包括步骤：S301：称取质量比为1:10～15的硝酸镍与无水乙醇，形成混合溶液。将制备完SiC缓冲层的C
f
/SiC复合材料样品在混合溶液中浸泡10～12h，并进行2～5h，80～100℃干燥工作。S302：将上述干燥过的所述样品放入化学气相沉积炉进行SiC
nw
沉积，制备得到具有垂直于缓冲层表面纵向生长结构特性的SiC
nw
。S303：分别称取质量占比为30％～40％:40％～50％:10％～20％的ZrB2、ZrSi2、HfB2粉末，研磨2～3h形成复合粉体，称取质量比为1:(20～30)的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)分散剂和无水乙醇，两者混合磁力搅拌器搅拌1～1.5h，形成分散溶剂A，将所述复合粉体以及所述分散溶剂A混合，磁力搅拌器搅拌5～10h，得到自愈合层涂层料浆。S304：使用毛刷笔将S303所述自愈合层涂刷料浆均匀地涂敷于制备得到的所述具有定向生长结构特性的Si本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空航天用微结构调控增韧涂层，其特征在于：包括设置在C/SiC复合材料表面的缓冲层、设置在缓冲层表面且垂直于缓冲层表面纵向生长的SiC
nw
增韧自愈合中间层、设置在SiC
nw
增韧自愈合中间层表面且平行于SiC
nw
增韧自愈合中间层XY平面横向随机分布的SiC
晶须
增韧隔热层。2.根据权利要求1所述的航空航天用微结构调控增韧涂层，其特征在于：所述缓冲层材料为SiC，所述SiC
nw
增韧自愈合中间层材料为SiC
nw
‑
ZrB2‑
ZrSi2‑
HfB2，所述SiC
晶须
增韧隔热层材料为SiC
晶须
‑
ZrB2‑
ZrSi2‑
LaB6。3.根据权利要求1或2所述的航空航天用微结构调控增韧涂层，其特征在于：所述缓冲层厚度为50~100μm，所述SiC
nw
增韧自愈合中间层厚度为60~150μm，所述SiC
晶须
增韧隔热层厚度为80~120μm。4.权利要求1~3任意一项所述航空航天用微结构调控增韧涂层的制备方法，其特征在于：采用以下步骤进行：S1：制备涂层之前C/SiC复合材料基体样品准备工作；S2：采用化学气相沉积法在C/SiC复合材料基体样品表面制备缓冲层；S3：采用化学气相沉积+涂刷烧结法在所述缓冲层表面制备SiC
nw
增韧自愈合中间层；S4：采用涂刷烧结法在所述SiC
nw
增韧自愈合中间层表面制备SiC
晶须
增韧隔热层。5.根据权利要求4所述的航空航天用微结构调控增韧涂层的制备方法，其特征在于：所述S1具体包括如下步骤：S101：取复合材料基体样品进行表面抛光打磨和棱、角的过渡倒角处理；S102：将经步骤S101抛光打磨和倒角加工过的复合材料基体样品依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中分别进行1~2h超声清洗，置于80~100℃环境温度下烘干2~5h。6.根据权利要求4或5所述的航空航天用微结构调控增韧涂层的制备方法，其特征在于：S2具体包括如下步骤：S201：将经过步骤S102处理的复合材料基体放入化学气相沉积炉，进行SiC缓冲层保温沉积10~20h，沉积至所需涂层厚度。7.根据权利要求6所述的航空航天用微结构调控增韧涂层的制备方法，其特征在于：S3具体步骤如下：S301：称取质量比为1:10~15的硝酸镍与无水乙醇，形成混合溶液，混合溶液中硝酸镍的浓度小于1mol/L；S302：将步骤S201所制备的具有SiC缓冲层的复合材料样品放置在步骤S301制备的混合溶液中浸泡10~12h，在80~100℃的环境温度下烘干2~5h；S303：将经步骤S302处理过的复合材料样品放入化学气相沉积炉内，进行SiC
nw
保温沉积15~25h，使复合材料样品表面生长出垂直于缓冲层表面进行纵向生长的SiC
nw
结构；S304：分别称取质量占比为30%~40%:40%~50%:10%~20%的ZrB2、ZrSi2、HfB2粉末，混合研磨2~3h，粒径尺寸达到0.5~5μm，形成复合粉体；称取质量比为1:(20~30)的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）分散剂和无水乙醇，将两者混合，并在磁力搅拌器内搅拌1~1.5h，形成分散溶剂A；将所述复合粉体与所述分散溶剂A混合，在磁力搅拌器内搅拌5~10h，得到自愈合层料浆；
S305：使用毛刷笔将自愈合层料浆均匀地涂敷于步骤S303制备得到的复合材料样品的SiC
nw
涂层表面，静置放干，并且重复多次直至所需涂层厚度，随后放入烘箱，在80~100℃温度下烘干2~3h；S306：将经过步骤S305处理复合材料样品放置于管室炉，在氮气氧气氛围下进行热氧处理，在复合材料样品表面形成垂直于缓冲层具有纵向生长结构特性的SiC
nw
增韧自愈合中间层。8.根据权利要求4、5或...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，董晓慧，
申请(专利权)人：湖北瑞宇空天高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：