一种钨铜复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种钨铜复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用，所述热防护涂层包括依次设置在钨铜复合材料表面的钨硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；所述钨硅基抗氧化粘接层中含有除钨外的金属组分，所述金属组分包括Zr元素、Cu元素或Y元素中的任意一种或至少两种的组合；所述隔热耐烧层为Yb2O3和MgO共掺杂的HfO2材料层；所述热防护涂层隔热性能好、抗高温氧化、耐烧蚀、高温组织结构稳定，可用于钨铜复合材料超高温部件抗氧化、隔热及耐烧蚀防护。护。护。

【技术实现步骤摘要】
一种钨铜复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及超高温热防护涂层制备
，尤其涉及一种钨铜复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前钨铜复合材料已经广泛应用于航空、航天飞行器的喷管喉衬、燃气舵、鼻锥、配重等高温部件，长时间工作温度已经提高到2500℃甚至更高。由于无防护涂层的钨铜复合材料在高温及有氧环境中性能将严重退化，因此超高温热防护涂层对于钨铜复合材料的超高温应用十分必要。
[0003]CN111500967A公开了一种钨铜合金表面隔热/抗烧蚀一体化复合涂层，从钨铜合金表面开始，从下到上依次包括金属黏结层、陶瓷内层、陶瓷过渡层和陶瓷外层，陶瓷内层为氧化铝层，陶瓷过渡层为氧化铝
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稀土锆酸盐层，陶瓷外层为稀土锆酸盐层。由于锆酸盐的熔点均在2300℃以下，超温后会被气流迅速冲刷掉，失去对基体的保护作用。因此该涂层的主要缺点是耐温低，只能在2300℃以下使用。
[0004]CN112662978A公开了一种钨铜合金材料用涂层及其制备方法，所述涂层包括在合金材料表面依次形成的过渡层和抗氧化层，过渡层包括以下重量份的原料：纳米氧化锡15～20份、氟化锶10～15份、钛酸四丁酯0.1～0.5份、聚乙烯醇1～5份；所述抗氧化层包括以下重量份的原料：纳米氧化铈10～20份、硅钡铁合金粉30～50份。因纳米氧化铈和硅钡铁合金熔点均在2000℃以下，超温后会被气流迅速冲刷掉，失去对基体的保护作用。因此该涂层的主要缺点是耐温低，只能在2000℃以下使用。
[0005]CN104372192A公开了一种纳米钨铜复合材料及其制备方法，复合材料包括基体材料和表面涂层，基体材料为钨铜合金，其中在钨粉表面包覆有一层纳米铜粒子层，纳米铜粒子层的厚度为50
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200nm；表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：环氧树脂30
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50份、纳米氧化钛4
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9份；纳米氧化锌3
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8份；固化剂3
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9份。纳米钨铜复合材料的制备方法，包括化学气相沉积法和涂覆表面涂层材料。该专利主要是介绍电子工业用钨铜合金材料及其涂层的制备方法，其热防护涂层主要为耐温性不超过1000℃的树脂材料组成，且不抗高温氧化。
[0006]目前钨铜复合材料表面有多元稀土氧化硅、稀土硅酸盐热防护涂层等，工作温度不高于2300℃，且工作寿命很短，因此需要开发寿命更长的热防护涂层。

技术实现思路

[0007]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种钨铜复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用，所述热防护涂层与钨铜复合材料物理及化学性能相容性好，与钨铜复合材料结合良好，具有抗氧化、隔热及耐烧蚀的显著特点，工作温度可达2700℃以上，具有较好的应用前景。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种钨铜复合材料的热防护涂层，所述热防护涂层包括依次设置在钨铜复合材料表面的钨硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；
[0010]所述钨硅基抗氧化粘接层中含有除钨外的金属组分，所述金属组分包括Zr元素、Cu元素或Y元素中的任意一种或至少两种的组合；
[0011]所述隔热耐烧层为Yb2O3和MgO共掺杂的HfO2材料层。
[0012]本专利技术提供的热防护涂层设计为两层，靠近钨铜复合材料的表面设置钨硅基抗氧化粘接层，其中钨硅基材料为主体，使所述钨硅基抗氧化粘接层能够与钨铜复合材料具有更优的相容和匹配性，主要由于钨铜复合材料的应用环境温度高达2200℃以上，导致热膨胀系数的些微差异将导致高温下各层的割裂，而钨硅基抗氧化粘接层的设置一方面热膨胀系数与钨铜复合材料更相容，同时与隔热耐烧层也具有较佳的相容性，另一方面钨硅基抗氧化粘接层中的硅在高温环境下将转化为玻璃态的硅酸盐，从而能够阻止氧进一步进入钨铜复合材料中，起到抗氧化的效果。本专利技术在钨硅基抗氧化粘接层中添加Zr元素、Cu元素或Y元素中的任意一种或至少两种的组合，可以提高粘接层的高温粘度，降低粘接层与隔热耐烧层的热膨胀不匹配产生的应力。
[0013]本专利技术在钨硅基抗氧化粘接层的表面进一步设置隔热耐烧层，通过选择Yb2O3和MgO共掺杂的HfO2材料层，能够防止HfO2在高温下发生相变导致体积发生变化，而且能够防止喷涂过程中粉化喷涂效果不佳的情况。选择Yb2O3和MgO共掺杂具有更优的稳定效果。
[0014]所述金属组分包括Zr元素、Cu元素或Y元素中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为Zr元素和Cu元素的组合，Y元素和Cu元素的组合，Zr元素和Y元素的组合，Y元素、Zr元素和Cu元素三者的组合，优选为Y元素、Zr元素和Cu元素三者的组合。
[0015]本专利技术进一步优选采用Y元素、Zr元素和Cu元素三者的组合，且优选Y元素、Zr元素和Cu元素的摩尔比为0.9～1:0.9～1:1，具有更佳的耐热效果。
[0016]优选地，所述钨硅基抗氧化粘接层中含有钨基合金。
[0017]优选地，所述钨基合金包括硅化钨。
[0018]优选地，所述隔热耐烧层中Yb2O3的摩尔分数为6～8％，例如可以是6％、6.3％、6.5％、6.7％、6.9％、7.2％、7.4％、7.6％、7.8％或8％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]优选地，所述隔热耐烧层中MgO的摩尔分数为2～5％，例如可以是2％、2.4％、2.7％、3％、3.4％、3.7％、4％、4.4％、4.7％或5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]优选地，所述隔热耐烧层中Yb2O3和MgO的摩尔比为1.5～3:1，例如可以是1.5:1、1.8:1、2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.4:1、2.5:1、2.7:1、2.8:1或3.0:1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]本专利技术进一步优选隔热耐烧层中Yb2O3和MgO的摩尔分数在上述范围并优选二者的摩尔比为1.5～3:1，具有更佳的耐热隔热效果。以HfO2为主要隔热耐烧物质，但HfO2在高温下容易出现晶相转变，而这种晶相的转变易导致体积的变化，从而引起隔热耐烧层的开裂等情况，而Yb2O3和MgO复配作为稳定剂，优选摩尔比为1.5～3:1，更有利于在超高温条件下稳定HfO2，最终提高隔热耐烧层的耐热温度。
[0022]优选地，所述隔热耐烧层中HfO2的摩尔分数为87～92％，例如可以是87％、
87.6％、88.2％、88.7％、89.3％、89.8％、90.4％、90.9％、91.5％或92％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0023]优选地，所述钨铜复合材料中钨含量为90～95wt％，例如可以是90wt％、90.6wt％、91.2wt％、91.7wt％、92.3wt％、92本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钨铜复合材料的热防护涂层，其特征在于，所述热防护涂层包括依次设置在钨铜复合材料表面的钨硅基抗氧化粘接层和隔热耐烧层；所述钨硅基抗氧化粘接层中含有除钨外的金属组分，所述金属组分包括Zr元素、Cu元素或Y元素中的任意一种或至少两种的组合；所述隔热耐烧层为Yb2O3和MgO共掺杂的HfO2材料层。2.根据权利要求1所述的热防护涂层，其特征在于，所述钨硅基抗氧化粘接层中含有钨基合金；优选地，所述钨基合金包括硅化钨。3.根据权利要求1或2所述的热防护涂层，其特征在于，所述隔热耐烧层中Yb2O3的摩尔分数为6～8％；优选地，所述隔热耐烧层中MgO的摩尔分数为2～5％；优选地，所述隔热耐烧层中HfO2的摩尔分数为87～92％。4.根据权利要求1～3任一项所述的热防护涂层，其特征在于，所述钨铜复合材料中钨含量为90～95wt％；优选地，所述钨铜复合材料中铜含量为5～10wt％。5.根据权利要求1～4任一项所述的热防护涂层，其特征在于，所述钨硅基抗氧化粘接层的厚度为0.15～0.25mm；优选地，所述隔热耐烧层的厚度为0.6～0.8mm。6.一种根据权利要求1～5任一项所述的钨铜复合材料的热防护涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在钨铜复合材料的表面喷涂钨硅基抗氧化粘接层；(2)在所述钨硅基抗氧化粘接层的表面喷涂隔热耐烧层。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述喷涂的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟刚，张会丰，兰昊，黄传兵，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：