[发明专利]一种炭/炭复合材料长时间高温抗氧化硅基复合涂层及制备和应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭/炭复合材料的表面处理，尤其涉及一种新型航空发动机加力燃烧室替代高温合金用炭/炭复合材料表面长时间高温抗氧化硅基复合涂层及其制备和应用方法。

背景技术

炭/炭复合材料是碳纤维增强碳基体的新型高温材料，该材料比重轻，理论密度为2.2g/cm³，具有高强模量、热膨胀系数小、耐烧蚀、耐疲劳、化学惰性、尺寸稳定性高，特别是高温下强度随温度升高而升高以及高断裂韧性、低蠕变等一系列优点，是理想的高温结构及耐烧蚀材料，被广泛应用于航空航天领域。目前，世界各国都将抗氧化炭/炭复合材料作为航天飞机的鼻锥和机翼前沿的首选材料。炭/炭复合材料具有质轻耐热的特点，因而也是推重比大于10的航空发动机热端部件合金材料的重要替代材料。

但炭/炭复合材料在高温有氧环境中使用时易被氧化。在有氧条件下，炭/炭复合材料的起始氧化温度为370℃；当高于500℃时，炭/炭复合材料会迅速氧化，并发生毁灭性破坏。传统航空发动机燃烧室多采用合金材料，燃烧室的出口温度达到了1000℃-1500℃，如能用炭/炭复合材料取代合金材料，发动机的重量会大大减轻，进而提高飞机的推重比。因此，研制一种新型长时间高温抗氧化的涂层炭/炭复合材料取代高温合金材料，使其能够应用在飞机发动机的加力燃烧室上有着重要的意义。

在炭/炭复合材料表面涂覆抗氧化复合陶瓷涂层是行之有效的措施。同时，为了不断提高或改善抗氧化涂层的防护性能，涂层的结构设计逐步由单一涂层体系向复合涂层体系发展，硅基陶瓷涂层是目前研究最深入的抗氧化涂层体系。硅基陶瓷中，SiC的热膨胀系数与碳基体较为接近，且有好的化学相容性。采用包埋法制备SiC内层具有涂层与基体结合好以及成本低的优势。而外层中的MoSi₂具有金属的高温韧性及优异的高温抗氧化性，在800℃以上，MoSi₂表面能生成一层致密、连续、自愈合的SiO₂膜，能阻止氧的进入。Cr与Si反应生成CrSi₂与氧气反应生成具有极低的氧渗透率的SiO₂和Cr₂O₃，且所生成的Cr₂O₃可提高SiO₂玻璃的高温稳定性，这种复合玻璃层既可有效地阻止氧气的侵入又具有较好的高温稳定性。另外，在1100～1500℃下，Si₃N₄的氧化速度比SiC小2～3个数量级，主要是因为Si₃N₄在氧化时生成了比SiO₂具有更低氧扩散率的Si₂N₂O，与SiO₂薄膜相比Si₂N₂O薄膜具有更紧密的网状涂层，因而对抗氧化有着重要的作用。

发明目的

本发明的目的就是针对炭/炭复合材料表面陶瓷涂层因物理和化学不匹配导致易出现裂纹等缺陷的情况，设计并制备一种全新的与基体结合牢固，无贯穿裂纹的SiC/MoSi₂-Si₂N₂O-CrSi₂(由内到外)长时间抗高温氧化的硅基陶瓷复合涂层，及其制备和应用方法。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种炭/炭复合材料长时间高温抗氧化硅基复合涂层的制备方法，

是在炭/炭复合材料表面上由里到外依次制备连接层和陶瓷涂层；所述的连接层为包埋法制备的SiC层，所述的陶瓷涂层为刷涂法与气相反应法制备的MoSi₂-Si₂N₂O-CrSi₂的陶瓷层。

所述的包埋法制备连接层是以Si粉、Al₂O₃粉、C粉，SiC粉为原料，球磨混匀后将炭/炭复合材料包埋，高温煅烧即可，制得的连接层厚度约为100μm-200μm。

具体步骤如下：