CN106831001A - 一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，所述方法包括如下步骤：一、采用高速电弧喷涂机，在碳纤维复合材料表面喷涂高镍高铬钛合金涂层。二、在真空环境中烧结表面喷涂有高镍高铬钛合金涂层的碳纤维复合材料。三、使用高速火焰，在真空烧结后的碳纤维复合材料基体表面喷涂NiCrAlY打底层。四、应用高能等离子喷涂机，在打底层上喷涂TBC涂层。本发明通过热喷涂工艺复合真空烧结工艺，制备出碳复合材料表面抗高温防护涂层，高温合金涂层消除了碳素材料表层受热氧化的难题，克服了碳素氧化抗液态金属粘接和金属粒子冲蚀破坏两大难题，能够高效大面积地制备出复材表面完整均匀的金属涂层。

Description

一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳复合材料热喷涂抗高温氧化防护层的制备方法。
背景技术
碳复合材料广泛用于航空航天领域高温环境，但在大气环境中易氧化，不耐火焰冲蚀，需要其他耐高温涂层防护。
碳/碳复合材料纤维层间强度差，热喷涂过程中易出现表层剥离、鼓泡等缺陷。
常规的金属表面喷涂技术是不能用在碳复材表面制备热喷涂涂层。本发明解决碳素材料喷涂的三项困难：
(1)解决了碳素材料与金属不粘接，无法制备涂层的问题。
(2)通过真空烧结工艺提高了涂层与碳复合材料的结合强度。
(3)制备出陶瓷基的耐高温抗氧化涂层。
发明内容
为了解决碳复合材料与金属涂层不易粘结、喷涂后表面剥离、鼓泡等缺陷，本发明提供了一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，通过真空烧结工艺提高了涂层与碳复合材料的结合强度，为碳材料的抗高温氧化防护技术提出了一种新型方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，包括如下步骤：
一、采用高速电弧喷涂机，在碳纤维复合材料表面喷涂高镍高铬钛合金涂层(Cr含量达45％，Ti为5％。)，控制涂层厚0.3～0.4mm。
二、在真空环境中烧结表面喷涂有高镍高铬钛合金涂层的碳纤维复合材料，控制真空度为10-4Pa，烧结温度为800～1500℃，时间为5～10小时。
三、使用高速火焰，在真空烧结后的碳纤维复合材料基体表面喷涂NiCrAlY打底层，控制打底层厚0.1～0.15mm。
四、应用高能等离子喷涂机，在打底层上喷涂7～8wt％氧化钇稳定的氧化锆陶瓷涂层(TBC涂层)，控制涂层厚0.2～0.3mm。
碳复合材料喷涂时高温促使石墨氧化成固体润滑剂，与金属微粒不粘接。本发明的喷涂工艺为了防止母材受热氧化，防止喷涂过程中基体升温过快，选择应用于首层材料的高温合金铬含量(45％)、Ti(5％)，在真空烧结环境中与碳素母材易形成碳化物，通过真空烧结发生融渗和化学反应，使碳材料表层得到大幅度强化。
本发明通过热喷涂工艺复合真空烧结工艺，制备出碳复合材料表面抗高温防护涂层，具有以下优点：
1、高温合金涂层消除了碳素材料表层受热氧化的难题。
2、真空烧结工艺制备出碳复合材料表层形成的金属强化硬质表面，提高了热喷涂层的结合强度。
3、碳复合材料表面喷涂工艺成功的克服了碳素氧化抗液态金属粘接和金属粒子冲蚀破坏两大难题，能够高效大面积地制备出复材表面完整均匀的金属涂层。
4、本发明选择的特殊高温合金Cr含量达45％，Ti含量达5％，除了具有高的抗氧化能力之外，Cr、Ti均是强碳化物元素，在真空烧结工况下Cr、Ti与碳发生化学反应形成金属件化合物。
5、本发明的真空烧结工艺能够保证金属溶渗层与复合材料的冶金结合状态。
附图说明
图1为刹车片喷涂试验件；
图2为碳/碳复合材料涂层的结构示意图，1-基体，2-高镍高铬钛合金涂层，3-NiCrAlY打底层，4-TBC涂层；
图3为碳/碳复合材料表面的TBC涂层金相。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例以刹车片为例，提供了一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，具体实施步骤如下：
一、碳/碳复合材料表面轻度喷砂，以免破坏表层状态。
二、压缩空气清除浮尘。
三、采用高速电弧喷涂机，在碳/碳复合材料表面喷涂首层高镍高铬钛合金涂层，控制涂层厚0.3mm。
四、真空烧结表面喷涂有高镍高铬钛合金涂层的碳/碳复合材料，控制真空度为10-4pa，烧结温度为1200℃，时间为8小时。
五、应用高能等离子喷涂机，在真空烧结后的碳/碳复合材料基体表面喷涂NiCrAlY打底层，控制打底层厚0.1mm。
六、采用等离子喷涂工艺喷涂8wt％氧化钇稳定的氧化锆陶瓷涂层，控制涂层厚0.2mm。
按照本实施例方法制备得到的刹车片喷涂试验件如图1所示，其涂层结构如图2所示，TBC涂层金相如图3所示。
实施例2：
本实施例提供了一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，具体实施步骤如下：
一、碳/碳复合材料表面轻度喷砂，以免破坏表层状态。
二、压缩空气清除浮尘。
三、采用高速电弧喷涂机，在碳/碳复合材料表面喷涂首层高镍高铬钛合金涂层，控制涂层厚0.4mm，得到碳/碳复合材料基体。
四、真空烧结碳/碳复合材料基体，控制真空度为10-4pa，烧结温度为1000℃，时间为10小时。
五、应用高能等离子喷涂机，在真空烧结后的碳/碳复合材料基体表面喷涂NiCrAlY打底层，控制打底层厚0.15mm。
六、采用等离子喷涂工艺喷涂7wt％氧化钇氧化锆陶瓷涂层，控制涂层厚0.3mm。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、采用高速电弧喷涂机，在碳纤维复合材料表面喷涂高镍高铬钛合金涂层；
二、在真空环境中烧结表面喷涂有高镍高铬钛合金涂层的碳纤维复合材料；
三、使用高速火焰，在真空烧结后的碳纤维复合材料基体表面喷涂NiCrAlY打底层。
四、应用高能等离子喷涂机，在打底层上喷涂氧化钇稳定的氧化锆陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述步骤一中，高镍高铬钛合金涂层中Cr含量达45％，Ti为5％。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述高镍高铬钛合金涂层厚0.3～0.4mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述步骤二中，真空度为10-4Pa，烧结温度为800～1500℃，时间为5～10小时。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述步骤三中，打底层厚0.1～0.15mm。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述步骤四中，氧化钇的含量为7～8wt％。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其特征在于所述步骤四中，涂层厚0.2～0.3mm。
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