[发明专利]一种在硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在陶瓷复合材料表面原位生成的高抗氧化性能膜的方法。

背景技术

随着宇航、航空、原子能、冶炼新技术等现代技术的发展，对高温结构材 料提出了越来越苛刻的要求，要求材料具有良好的高温性能以适应苛刻的作业 环境，如抗热冲击、高温强度、耐腐蚀性、抗氧化性等。二硼化锆陶瓷因为具 有高熔点、高硬度、导电导热性好、良好的中子控制能力等特点而在高温结构 陶瓷材料、复合材料、耐火材料、电极材料以及核控制材料等领域中受到人们 的高度重视并得到应用。但由于它在温度高于650℃开始氧化，并且强度相对 不高，因此影响了它的使用效果。如何在保持优良特性的同时，改善其抗氧化 性，提高其高温抗氧化性也成为各国科研工作者关注的主要问题。通过大量的 实验研究表明，碳化硅添加到硼化锆中能显著地改善硼化锆陶瓷的抗氧化性能 和力学性能。硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料在高温下生成的硼硅酸盐玻璃密封 在材料的表面，阻止氧气向材料内部扩散，这有效地提高了硼化锆-碳化硅陶 瓷复合材料的抗氧化性能到1700℃左右。但是当硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料 的使用温度超过1800℃时由于硼硅酸盐玻璃的挥发，使硼化锆-碳化硅陶瓷复 合材料的抗氧化性能明显降低。随着科学技术的高速发展，现代飞行器(如宇 宙飞船、火箭、导弹、超音速飞机)正朝高速、高空、大推力和更安全的方向 发展，这对高温结构材料提出了更高的要求：能够适应超高音速长时间飞行、 大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境，尤其是飞行器鼻锥、 机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件的工作温度是高于2000℃，而 现有硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料的抗氧化性能差，使用过程中质量损失大。

微弧氧化也叫微等离子体氧化或阳极火花沉积，是通过电解液与相应电参 数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用， 生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化是在阳极氧化基础上发展 起来的一种新型的材料表面处理技术，微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧 化的法拉第区域引入到高压放电区域，克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提 高了膜层的综合性能。但是遗憾的是通常材料工作者认为微弧氧化反应只能发 生Al、Mg、Ti等阀金属表面，而无法应用到陶瓷表面。

发明内容

本发明为了解决现有硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料的抗氧化性能差、使用 过程中质量损失大，无法将微弧氧化法应用到陶瓷表面处理上，而提供一种在 硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方法。

本发明在硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方 法按如下步骤进行：一、将纯度均为98％以上的硼化锆粉末和碳化硅粉末按照 体积比为75～85∶20的比例混合，然后通过行星式球磨机对硼化锆粉末和碳化 硅粉末进行混合分散，以无水乙醇为分散介质、氧化锆磨球为研磨介质，球磨 机混料时转速为180～250r/min，混合时间为8～12h，再将混合后的浆料在旋转 蒸发器上蒸发烘干，再将干燥后的混合粉料用玛瑙研钵研磨至粉料粒度为 30μm以下；二、烧结：将步骤一研磨后得到的混合粉料在真空或惰性气氛中 进行热压烧结，烧结温度为1900℃，烧结压力为30MPa，保温时间为60分钟， 冷却至室温后取出试样；三、微弧氧化反应：对试样表面进行抛光处理后采用 功率为5kW、电流密度为10A/dm²、占空比为20的双脉冲电源，以不锈钢槽 作为阴极、以试样作为阳极浸泡在10g/L的偏铝酸钠溶液中，通电1～10min， 采用100～150r/min的磁力搅拌器搅拌，通电过程中采用流动的冷水浴控制反 应溶液的温度不高于30℃；即在硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表面原位生成了 高抗氧化性能膜。

本发明在硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方 法具有以下优点：1、成功地应用微弧氧化法在硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料表 面原位生成一层致密的氧化锆涂层，基体结合牢固，涂层与基体结合力高达 30MPa结构致密，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘；

2、通过氧乙炔抗氧化实验，本发明生成的高抗氧化性能膜能够显著增强 基体的抗氧化性，减少基体材料在高氧化性条件下的质量损失，通电时间越长， 形成的膜层越厚，抗氧化性效果就越好；