[发明专利]一种成分渐变的抗氧化复合涂层制备工艺及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及化工领域中的抗氧化复合涂层，特别是涉及一种C/SiC复合材料用抗氧化复合涂层与其在提高C/SiC复合材料抗氧化性能中的应用。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，需要采用C/SiC复合材料制备的构件种类越来越多，目前，C/SiC复合材料已在多种军、民用型号发动机的中等载荷静止件上验证成功，高温长寿命C/SiC复合材料正在向实用化方向发展，如应用于整体燃烧室、整体导向器、整体涡轮及尾喷管等，这些构件的工作条件各不相同，因此对C/SiC复合材料的性能，尤其是抗氧化性能提出了不同的要求。目前，国内外对C/SiC复合材料在空气介质中的氧化与防氧化研究较多,但在燃气介质中的研究较少，作为发动机热端部件候选材料，C/SiC复合材料在燃气环境中的持久性研究正日益受到重视。

专利申请“200810231998”介绍了目前提高C/SiC复合材料抗氧化性有两种途径：基体改性和涂层技术。基体改性只能提供其在较低的温度下具有氧化保护能力，而抗氧化涂层技术则可以提供更高温度下的抗氧化能力，因而发展较快，该方法的基本原理是利用涂层阻挡氧气与基体的接触和氧气向基体中扩散而达到高温抗氧化的目的。制备抗氧化涂层的方法有包埋法、涂刷法、等离子喷涂法等，但是包埋法制备温度比较高，在制备过程对试样造成的损伤比较严重，制备试样尺寸受到限制，而且在冷却过程中容易有微裂纹产生，C/SiC复合材料中C纤维与SiC基体之间存在严重的热失配，由制备温度冷却到室温时，热失配使得材料内部产生残余热应力，导致基体开裂，并形成垂直于纤维轴向的微裂纹，在这种情况下，C纤维就不能充分发挥出对复合材料的增强作用，同时，SiC基体为脆性材料，对裂纹的敏感性很强，加载时裂纹在SiC基体中迅速扩展，在此过程中除了裂纹扩展产生新的表面需要吸收表面能之外，几乎没有其它的能量吸收机制，这是造成C/SiC复合材料韧性较低的一个重要原因；等离子喷涂法工艺过程比较复杂、设备复杂，实施起来比较困难；H_fC/SiC复合梯度涂层，可以实现600-1930℃全温度范围内的抗氧化，但这种涂层原料昂贵、对设备要求也较高，在国内的应用实例尚未见报道。

申请号为“200810231998”的中国专利申请“一种碳复合材料碳化硅磷酸铝氧化复合涂层的制备方法”记载了一种采用SiC与磷酸铝结合制备的复合涂层，该涂层包含碳化硅内涂层及磷酸铝外涂层，其中碳化硅内涂层是采用200目的Si粉、石墨粉及氧化镁粉按一定的比例配制成包埋粉，然后将复合材料放入包埋粉中升温至2000℃保温2小时，这样在复合材料的表面制备出碳化硅内涂层；随后再将复合材料置于含磷酸铝及碘的异丙醇悬浮液中，采用水热电泳沉积法制备磷酸铝涂层，这样制备的碳化硅/磷酸铝抗氧化复合涂层具有良好的抗氧化性能，但存在以下不足之处：一是采用包埋的方法制备SiC涂层需要2000℃的高温，温度过高；二是通过水热电泳的方法制备磷酸铝涂层只经过50-100℃的干燥没有经过烧结，涂层容易吸潮。申请号“200710035566”的中国专利申请“一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层及制备方法”记载了一种采用在复合材料基体表面反复制备SiC及MO-Si涂层以提高复合材料抗氧化性能的方法，该涂层首先在复合材料的表面采用化学气相沉积的方式制备SiC层，然后再在SiC表面涂刷Si-Mo的硅溶胶，高温烧结制备Si-Mo涂层，其中SiC层采用一甲基三氯硅烷(MTS)为原料，恒温水浴加热，采用Ar为稀释气体，H₂为载气，通过鼓泡的方式将MTS带入炉体内在1050-1150℃下反应生成SiC层；MO-Si层是采用Si粉、MO粉和化学纯硅溶胶制备的，将一定比例的料浆均匀的涂刷在SiC层表面，45-55℃烘干，在Ar保护下于1430-1530℃烧结制备Si-Mo涂层；然后再反复重复上述过程，制备多层复合的SiC层及Si-Mo层。采用这种制备工艺，虽然可以实现复合材料在1400℃的长时间抗氧化作用，但是复合材料本体要在1430-1530℃的高温下反复烧结，容易造成C纤维的破坏，而且多次烧结会增加制备成本。

发明内容

为解决现有C/SiC复合材料用抗氧化复合涂层原料昂贵、制备工艺中对设备要求高、烧结温度过高（需要1600℃以上的温度）、易产生微裂纹的问题，本发明提供了一种原料来源广泛且价格低廉、制备工艺中对设备要求低、烧结温度低不易产生微裂纹、防氧化性能好，使用温度范围较宽（300-2000℃）的抗氧化复合涂层。