[发明专利]碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳/碳复合材料的表面加工工艺，特别是航空刹车件的氧化防护加工技术领域。

背景技术

碳/碳复合材料是一种在350℃以上就开始缓慢氧化的材料，该类材料在高温条件下的使用必须采取氧化防护措施，作为航空刹车材料的应用，飞机在着陆的过程中，飞机所有动能的60％到80％在很短的时间(20秒到50秒)内转化为热能，使得碳/碳复合材料刹车件的温度急剧升高。根据能量和热库的设计不同，温度范围可以达到500℃-120℃。如果碳/碳复合材料发生了氧化，就会使得其机械性能迅速下降，所有的键槽传动力矩的部分都有可能失效，造成着陆事故。另外，氧化还会使碳/碳复合材料的摩擦磨损性能发生较大的变化，使飞机在刹车时的可操控性能大幅度下降。为此，氧化防护技术的好坏直接决定了碳/碳复合材料是否能够用于制造航空刹车件。

由于，采用基体改性的方法容易使碳/碳复合材料的摩擦磨损性能发生不易控制的改变，给飞机的刹车制动性能带来不良影响，所以目前通用的做法都是采用在非摩擦面涂敷氧化防护涂层的办法进行碳/碳复合材料航空刹车件的抗氧化。抗氧化涂层分为表面覆盖类涂层和表面改性类涂层两类。表面改性类涂层的使用温度一般较低，一般在800℃以下使用，这类涂层一般使用寿命较长，不易损坏。俗称低温长寿命涂层。另一类表面覆盖类涂层，这类涂层主要是在碳/碳复合材料的表面覆盖上一层致密的膜，涂层起着隔绝空气的作用。这类涂层的一般是用寿命较短，但使用温度较高。最高适用温度

发明内容

可达到2000℃以上，但时间较短，一般长时间的使用不超过1000℃。主要是因为此类涂层一般情况下同碳/碳复合材料的热胀系数存在差异，再加上碳/碳复合材料同一般的其他材料的结合性能较差，在反复热振的条件下会出现大量的微裂纹使得涂层失效。从而造成碳/碳复合材料的高温氧化。

本发明目的在于发明一种能克服以上各工艺缺陷的碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护加工方法。

本发明技术方案是：先在刹车件的最内层表面进行钝化，再在钝化层外时行空气阻断处理，在最外层进行涂层和基体之间热胀系数的匹配处理。

本发明综合考虑①碳/碳复合材料与不同材料的结合性和②不同材料对碳/碳复合材料表面的氧化活性的影响。通过采用多层涂敷的办法综合利用材料各种优良特性，达到综合最优的抗氧化效果。

采用分三次进行不同的功能梯度的航空刹车件三层涂层方法，最终在工件表面形成三种不同功能梯度。涂层三层的特性各有不同，第一层主要是碳/碳复合材料的表面改性，以及利用硅碳和硼以及碳化硼和碳材料的结合性，形成一个表面改性层+结合性过渡层。所以第一层主要成分是硼、硅及其碳化物和少量氧化物。第二层主要是阻断层，组要是起到隔断空气的作用。所以该层的主要成分是陶瓷成分为主。阻断分为物理阻断好化学阻断两种方式。第三层的主要作用是自愈合层，主要是为了克服在热振条件下产生的大量的微裂纹。由于涂层和碳/碳复合材料基体存在有较为明显热胀系数差异，特别是碳/碳复合材料的热胀系数在不同的方向也不尽相同，不可避免的在热振过程中产生较大的形变差异引起的应力，从而造成涂层产生大量的目视不可见的微裂纹，这种微裂纹的产生极易导致涂层抗氧化能力的失效。第三层涂层的自愈合能力就显得极为重要。

其中，所述表面进行钝化是采用粉料A、溶剂A和粘结剂混合后制得的涂层料浆刷涂于碳/碳复合材料刹车件的非摩擦表面，置于220℃条件下烘干固化后取出，然后再在1600℃真空条件下进行反应烧结。

所述粉料A由SiC、BC、B₂O₃、Si和B组成；所述溶剂A由甲苯和正丁醇组成；所述粘结剂包括有机硅树脂。所述粉料A、溶剂A和粘结剂的重量比为5∶12∶3。

所述粉料A中SiC、BC、B₂O₃、Si和B占粉料A总重量的百分比分别为10～20％、10～30％、8～20％、4～9％和10～20％；所述溶剂A中甲苯和正丁醇的体积比为7∶3。

所述粘结剂还可包括固化剂，有机硅树脂与固化剂的重量比为20∶1。

本发明中，所述空气阻断处理是由粉料B、溶剂B和磷酸酯混合后制得的涂层料加热同时搅拌40分钟后，敷于碳/碳复合材料航空刹车件的钝化层外，在240℃条件下烘干固化，最后在900℃条件下热处理；