[发明专利]碳/碳复合材料刹车盘高温防氧化涂层

说明书

本发明涉及一种用于飞机碳/碳复合材料刹车盘防氧化涂层。它由致密的、具有自弥合功能的物理阻挡层和化学阻挡功能层以及冶金扩散层组成。适用于飞机整体碳刹车盘、扇形刹车片或类似结构的产品。

碳刹车装置的问世是飞机制动技术上的一项重大突破，但碳/碳材料在温度超过450℃时就显著氧化。而飞机在着陆制动过程中，碳刹车盘的温度都超过了碳氧化的临界温度。连续使用将导致碳刹车盘氧化、机械损坏、表面剥落以及金属机械加固件的松动等，可能造成刹车失效，发生事故。另外，由于碳/碳复合材料是一种多孔材料，微观结构复杂，各向异性，它与许多高温陶瓷材料的热膨胀性能差异很大，润湿性差，当有涂层的碳材料在热震环境工作时，涂层处于拉应力状态下，可能因产生裂纹而失效，而且碳材料的氧化产物是气态的CO和CO₂，也给防氧化技术带来了新的困难。目前流行的碳刹车盘防氧化方法主要采用在制备碳材料过程中加入或浸渍防氧剂，这种方法在高能刹车过程中防氧化效果不理想，或采用涂刷单一的Al₂O₃、ZrO₂、SiC等防氧化涂层，由于涂层与基材热膨胀性能失配，会形成裂纹而失效。有些玻璃料涂层中具有自弥合功能，但氧在高温通过这类涂层的渗透扩散速率仍较大，涂层有效工作寿命较低。并且目前所使用的涂层都难以达到碳刹车盘3000个起落的寿命，许多涂层返修较复杂，难以在外场进行。

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用飞机碳刹车盘及类似的用途，且外场返修补涂方便的高温长寿命防氧化涂层。

本发明的解决方案是这样的，所提供的防氧化涂层是由致密的具有自弥合功能的物理阻挡层和化学阻挡层组成，物理阻挡层是由一种稀土硼硅酸盐形成主要成分为SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃、PbO、CaF₂、P₂O₅、ZrO₂、碱金属氧化物及稀土元素等，稀土硼硅酸盐玻璃料在防氧化涂层中含量不小于85%。化学阻挡层是由主耗氧组分和辅助耗氧组分组成，它在防氧化涂层系统中可以是一个独立的化学阻挡层，也可以均匀地弥散在稀土硼硅酸盐玻璃中，它在防氧化涂层中含量不大于15%。

这种防氧化涂层的工作温度为450℃-1000℃，涂层厚度根据需要可在0.05-0.45mm范围选择，而且这种防氧化涂层用于返修补涂用过的碳刹车盘时不需进行高温处理。

这种防氧化涂层的配制方法如下：

首先将SiO₂、PbO、CaF₂分别放在容器中，置于烘箱在120℃烘烤2小时，冷却后放在干燥器中待用，把化学纯H₃BO₃倒入浅溶器内，装料厚度不大于10mm，置于烘箱中，升温速率为5℃/min，至85℃时保温1小时再升温至285℃，保温1小时后放入干燥器中待用;把Al₂O₃、ZrO₂分别放入容器内，置于电阻炉内，在1000℃保温2小时，冷却后待用。P₂O₅、碱金属氧化物和稀土元素采用化学纯试剂。以上各种组分过筛-200目。

然后把各种组分按配比SiO₂：30-50、Al₂O₃：8-15、B₂O₃：8-15、PbO：8-15、ZrO₂：5-10、P₂O₅：1-8、CaF₂：1-8、Na₂O：1-5、RECl₂：1-5分别称重、倒入球磨机，加入粘结剂和溶剂，以295转/分研磨10小时。

按上述玻璃干基配比85∶15加入耗氧组分，耗氧组分选用B、B₄C、ZrB₂、SiC，其中一种或两种以上的物质粒度小于-800目，倒入搅拌器，以250转/分搅拌2小时即可。

本发明和现有技术相比，具有涂层寿命长，适应温度范围广，可靠性高，工艺简单，返修方便等优点。

下面结合实施例对本发明做进一步详述：

用天平称取经预处理后过筛的组分（重量百分比）：