[发明专利]一种超高温陶瓷异形构件等离子喷涂近净成形制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种多尺度协同强韧化超高温陶瓷异形构件形/性一体化制造方法。

背景技术

高超声速飞行器、可重复使用的宇航飞行器，尤其它们的关键部位（鼻锥体、翼前缘等）的工作环境要求极其苛刻，如马赫数为6的高超声速飞行器壳体材料在飞行过程中需承受1400℃高温，而在重返大气层时关键部位鼻锥体、翼前缘等的温度高达1650~2000℃，同时还要承受原子氧及原子氮混合气氛高温氧化侵蚀、微粒或碎片高速撞击等诸多极端条件的综合作用。上述苛刻的环境客观上要求发展轻质、抗高温氧化、抗热冲击等综合性能更加优异的超高温新材料及其异形构件制造的新技术。因此，开展兼备优良抗热冲击性能和抗高温氧化性能的超高温新材料异形构件“成形”和“成性”一体化制造新技术的研究，具有十分重要的理论意义与实际意义。

由于在高温环境中具有优异的力学及化学稳定性，超高温陶瓷（UHTCs）成为未来高超声速飞行和可重复使用宇航飞行器领域最具前途的候选材料之一。ZrB₂-SiC复合材料是一种重要的超高温陶瓷，大量研究证明，进一步提高其热冲击性能应围绕两个方面开展：（1）提高复合材料的导热系数，降低高温环境下材料内部的温度梯度以减小由此产生的热应力；（2）提高复合材料的综合强韧性。目前，结构陶瓷的强韧化设计已由以往单一的纤维增韧、晶须增韧、纳米管增韧、相变增韧、颗粒弥散强化等方式发展为多种方式的协同强韧化。基于此，碳纳米管（CNTs）由于具有高导热系数、低热膨胀系数和良好的力学性能，常用于陶瓷复合材料的增韧增强，受到研究人员的青睐，适量的CNTs对ZrB₂-SiC复合材料的致密性、弯曲强度及断裂韧性都有明显的改善。但是同CNTs相比，具有相似结构和性质的氮化硼纳米管（BNNTs），其导热系数约为600Wm^-1K^-1，远远高于ZrB₂-SiC复合材料的导热系数（50~140Wm^-1K^-1），更为重要的是，它比CNTs有更为优异的的抗高温氧化能力：CNTs在400~500℃的空气环境中即开始氧化，而BNNTs在900℃的空气环境中仍可保持稳定。这无疑为ZrB₂-SiC超高温材料采用高温制备工艺并确保其高温服役性能提供了更好的保证。专利申请公开号CN 101948306B充分肯定了这一点，并利用BNNTs实现了对氧化锆陶瓷的增韧增强，另外专利申请公开号CN 101817675A和CN 101565308A通过热压烧结技术制备出BNNTs增强二氧化硅和氮化硅陶瓷复合材料。以上均是围绕BNNTs对普通结构陶瓷增韧增强展开的研究，但是关于BNNT/(ZrB₂-SiC)超高温陶瓷纳米复合材料的研究，国内外均无报道。

另外，在超高温陶瓷异形构件成形制造方面，国内外研究人员多采取材料制备和构件加工成形两步完成。单从前者而言，由于超高温陶瓷高熔点、共价键/离子键键合等特点决定了其制备工艺多采用高温烧结技术，如热压烧结、放电等离子烧结、反应热压烧结、常压高温烧结等，专利申请公开号CN101948314A公布了采用爆炸烧结法制得圆柱状ZrB₂-SiC_nm超高温陶瓷复合材料烧结体的方法。而上述制备工艺中，除放电等离子烧结和爆炸烧结外，其他工艺均需高温下长时间烧结，易导致晶粒粗化而使力学性能下降。同时，高温烧结只能制备单一形状的制品，为达到形状、尺寸要求，通常需要大量的后加工处理，而结构陶瓷固有的高硬度和本征脆性却给其后续构件成形和加工带来诸多困难。因此对于集材料设计和构件成形于一体的超高温陶瓷异形构件制造技术的研究有待于进一步加强。