CN101318837B

CN101318837B - 碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料

Info

Publication number: CN101318837B
Application number: CN2008100220097A
Authority: CN
Inventors: 居小平; 邓昕; 孙文革
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: CN101318837A

Abstract

碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料，涉及一种金属制品的表面加工工艺，特别是航空刹车件的氧化防护加工技术领域。由粉料C、溶剂C和粘结剂混合后制得；其中，所述粉料C由SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B和CeO₂组成；所述溶剂C由二甲苯、丙酮和正丁醇组成；所述粘结剂包括有机硅树脂。通过本发明方法制成的涂层悬浮液经特殊的工艺可在碳/碳复合材料航空刹车件形成的空气阻断层表面形成良好的涂层和碳/碳复合材料基体存热胀系数差异匹配层，使最终形成的产品达到设计要求。

Description

碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料

技术领域

本发明涉及一种金属制品的表面加工工艺，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。

为了能克服以上各工艺缺陷，有一种碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护加工方法，先在刹车件的最内层采用碳/碳复合材料表面氧化活性进行钝化，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。

发明人综合考虑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。

发明内容

本发明目的在于发明与上述方法配套的克服涂层和碳/碳复合材料基体存热胀系数差异的碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料。

本发明由粉料C、溶剂C和粘结剂混合后制得；其中，所述粉料C由SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B和CeO₂组成；所述溶剂C由二甲苯、丙酮和正丁醇组成；所述粘结剂包括有机硅树脂。

所述粉料C中SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B和CeO₂的配比为20～40∶3～5∶20～40∶2～5∶2～26∶6～30∶20～40∶20～40∶0.5～10。

本发明所述粉料C、溶剂C和粘结剂的重量比为5∶14∶1。

所述溶剂C中二甲苯、丙酮和正丁醇的体积比为4∶5∶1。目的是稀释料浆。

所述粘结剂还包括固化剂，有机硅树脂与固化剂的重量比为20∶1。目的是促使涂层在指定条件下固化。

所述粉料C中SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B的平均粒度不大于38微米。目的是使的涂层中的各种成分分布得均匀性得到控制，以便在高温处理时成型后的涂层均匀。

通过本发明方法制成的涂层悬浮液经特殊的工艺可在碳/碳复合材料航空刹车件形成的空气阻断层表面形成良好的涂层和碳/碳复合材料基体存热胀系数差异匹配层，使最终形成的产品达到设计要求。

具体实施方式

一、涂层配制：

1、各涂层粉料的配制：

各涂层粉料的力度均应小于3838μm，经过120℃烘干后置于绝干条件下保存。配比见下表：

成分	SiC	BC	B₂O₃	ZrO₂	Al	Al₂O₃	Si	B	CeO₂
										粉料A	10-20	10-30	8-20	-	-	-	4-9	10-20	-
粉料B	20-40	2-5	10-30	3-12	2-26	3-17	12-17	20-40	0.5-10
										粉料C	20-40	3-5	20-40	2-5	2-26	6-30	20-40	20-40	0.5-10

注：各粉料原料的平均粒度不大于38微米。

2、溶剂的配制

溶剂A体积比：甲苯∶正丁醇＝7∶3

溶剂B质量比：硅溶胶∶磷酸二氢铝＝9∶1

溶剂C体积比：二甲苯∶丙酮∶正丁醇＝4∶5∶1

3、粘结剂质量比：有机硅树脂∶固化剂＝20∶1。

4、表面活性剂采用磷酸酯。

5、料浆配制

(1)将粉料A用溶剂A溶解，加入粘结剂，混合均匀后制得涂层料浆A。

其中，粉料A、溶剂A和粘结剂的重量比为：5∶12∶3。

(2)将粉料B用溶剂B溶解，加入磷酸酯，混合均匀后制得涂层料浆B。

其中，粉料B、溶剂B和磷酸酯的重量比为：7∶12∶1。

(3)将粉料C用溶剂C溶解，加入粘结剂，混合均匀后制得涂层料浆C。

其中，粉料C、溶剂C和粘结剂的重量比为：5∶14∶1。

二、加工工艺：

1、钝化：

(1)采用超声波清洗的方法将碳/碳复合材料航空刹车件的表面洗干净后烘干，待用。

(2)将涂层料浆A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2小时后取出。

(3)在1600℃真空条件下进行反应烧结，保温1小时，形成钝化层。

在配制涂层料浆的过程中，根据所需要的涂层厚度调整有机硅和溶剂的比例。通常采用的厚度值为8微米时每100克粉料的溶剂配给量应为1.4升。在涂敷的过程中，有溶剂的挥发发生时，可随时根据现场情况适量添加溶剂量，调至初始的粘稠度即可。

2、空气阻断处理：

(1)将涂层料浆B在加热搅拌器上加热并同时搅拌40分钟后备用，保温温度为80℃。并控制涂层料浆B的粘稠度控制值为常温下粘度杯流净时间6秒到10秒。

(2)在涂敷之前，碳/碳复合材料航空刹车件需要预热到120℃。

(3)在钝化层外，采用涂层料浆B涂敷之后，在240℃环境温度下烘干固化2小时，取出。

(4)在900℃、真空条件下热处理1小时，形成空气阻断层。

3、涂层和基体之间热胀系数的匹配处理：

(1)将涂层料浆C在加热搅拌器上加热并同时搅拌40分钟后备用，保温温度为80℃。

(2)在涂敷之前，碳/碳复合材料航空刹车件需要预热到120℃。

(3)在空气阻断层外，采用涂层料浆C涂敷之后，在240℃环境温度下烘干固化2小时，取出。

(4)在900℃、真空条件下热处理1小时，形成最外层，即涂层和基体之间热胀系数的匹配处理层。

4、注意点：

所有的烘干固化均在常压下进行，采用烘箱烘干，烘箱为半开放状态。

Claims

1.碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料，其特征在于由粉料C、溶剂C和粘结剂混合后制得，其中，

所述粉料C由SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B和CeO₂组成，所述SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B和CeO₂的配比为20～40∶3～5∶20～40∶2～5∶2～26∶6～30∶20～40∶20～40∶0.5～10；

所述溶剂C由二甲苯、丙酮和正丁醇组成，所述二甲苯、丙酮和正丁醇的体积比为4∶5∶1；

所述粘结剂包括有机硅树脂；

所述粉料C、溶剂C和粘结剂的重量比为5∶14∶1。

2.根据权利要求1所述碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料，其特征在于所述粘结剂还包括固化剂，有机硅树脂与固化剂的重量比为20∶1。

3.根据权利要求1或2所述碳/碳复合材料航空刹车件的氧化防护匹配处理层涂料，其特征在于所述粉料C中SiC、BC、B₂O₃、ZrO₂、Al、Al₂O₃、Si、B的平均粒度不大于38微米。