本发明专利技术公开了一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，该方法使用双辉等离子表面冶金技术，先在炭/炭复合材料工件上制备Al渗层，然后渗入Ti和Nb在工件中形成Al-Ti-Nb合金涂层，最后再以耐高温氧化金属Zr、Ta或Cr中的一种作为靶材，并通入硅烷作为反应气体，在工件表面制备金属和硅的多层梯度复合涂层。本发明专利技术制备的涂层与基体结合强度高、致密性好，并具有优良的耐高温氧化性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，属于高温防护涂层
技术介绍
炭/炭复合材料密度低(理论密度为2.2g/cm3)，且具有无可比拟的超高温力学性能、高比强度、优异的抗烧蚀性能及高温下强度保持率高等特点，在航空、航天及军事领域具有广泛的应用前景。然而，在超过370℃的氧化气氛下，炭/炭复合材料就会开始发生氧化反应，而且反应速度随着氧化温度的升高而迅速增大，导致其力学性能大幅降低，所以这种材料不能够在氧化气氛下长时间应用。提高炭/炭复合材料抗氧化性能的方法主要有基体材料改性和涂覆耐氧化涂层两种。基体材料改性一般用于1000℃以下或2500~3100℃短时间防氧化，高温长时间防氧化必须依赖于表面涂覆性能优良的耐氧化涂层。目前，人们使用的耐氧化涂层主要有玻璃涂层、贵金属涂层和陶瓷涂层三种。其中玻璃涂层能够对涂层中的裂纹起到自愈合作用，但是其在高温下的流动性和挥发性限制了其在高温下的应用，所以主要应用于低于800℃的情况；贵金属涂层主要是包含贵金属Ir的Ir-Al-Si、Ir-Si涂层等，这种涂层可以应用于炭/炭复合材料1500℃左右时的防氧化，但是成本高，并且与基体结合强度较差。Si基陶瓷涂层是目前研究最为深入的高温防氧化涂层，其原理是利用高温下Si与O2反应生成致密的SiO2来阻挡氧原子向基体中扩散。Si基陶瓷涂层主要包括SiC陶瓷涂层和MoSi2、WSi2等金属Si化物陶瓷涂层。采用SiC陶瓷作为炭/炭复合材料的防氧化涂层时，由于涂层与O2反应生成SiO2过程中会生成气体，气体在逸出时会在涂层中形成孔洞，O2容易沿这些孔洞向涂层和基体内部扩散，造成基体材料的氧化。金属Si化物陶瓷涂层与O2反应生成SiO2时不会产生气体，但是这种涂层与炭/炭复合材料之间的热膨胀系数存在较大的差异，单独作为涂层使用时，这种差异会使涂层与基体结合强度较低，容易剥落。另一方面，较高的应力作用会导致涂层中形成微裂纹，而这些微裂纹也为氧气向炭/炭复合材料表面的扩散提供了路径，导致炭/炭复合材料基体被氧化。Si的热膨胀系数与炭/炭复合材料相差较小，且氧化反应不会生成气体，但是Si涂层脆性大、机械性能较差。与此同时，Si是强碳化物形成元素，在炭/炭复合材料表面制备Si涂层时，Si元素会与碳反应生成碳化硅，而难以获得单质Si的涂层。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，使用双辉等离子表面冶金技术制备与炭/炭复合材料基体呈冶金结合的耐高温氧化金属与Si的复合涂层。解决了Si和Si基耐高温氧化涂层与基体结合强度低、脆性高以及在氧化过程中因气体排出形成孔洞等问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，该方法使用双辉等离子表面冶金技术，先在炭/炭复合材料工件上制备Al渗层，然后渗入Ti和Nb在工件中形成Al-Ti-Nb合金涂层，最后再以耐高温氧化金属Zr、Ta或Cr中的一种作为靶材，通入硅烷作为反应气体，在工件表面制备包含金属和硅的多层梯度复合涂层。所述的提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，包括以下步骤：（1）Al渗层制备工艺如下：将炭/炭复合材料工件放入双辉等离子表面冶金装置内，以Al金属作为靶材，调整靶材与工件间距为16-20mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性气体Ar，其流量为60-80sccm，开启源极和工件极电源，控制源极电压在300-500V，工件极电压在150-200V，工件温度为350-400℃，时间为0.5-2h，进行Al渗层的制备；（2）Al-Ti-Nb合金涂层制备工艺如下：上述Al渗层制备结束后，使用由Ti丝和Nb丝固定在纯钛板上制作的复合靶更换铝靶，调整丝材下端到工件上表面间距为16-18mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性气体Ar，其流量为60-80sccm，开启源极和工件极电源，控制源极电压在500-800V，工件极电压在350-500V，控制工件温度为500-600℃，时间为2-4h，进行Ti和Nb的沉积，高温下Ti、Nb和Al之间互扩散形成Al-Ti-Nb高温合金涂层；（3）金属和硅的多层梯度复合涂层制备工艺如下：上述Al-Ti-Nb合金涂层制备结束后，将复合靶材更换为用Zr、Ta或Cr中的一种金属板制作的靶材，调整靶材与工件间距为15-20mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性气体Ar，其气流量为60-80sccm，开启源极和工件极电源，控制源极电压在500-800V，工件极电压在350-550V，将工件温度升至700-900℃，沉积时间4-8h，沉积过程中每间隔10-40min通入硅烷5-30min，通入硅烷流量为1-3sccm，形成包含金属和硅的复合涂层，停止通入硅烷的时间内，反应气氛中的硅烷含量不断减少，使得涂层中形成硅含量不断减少、金属含量不断增多的梯度复合涂层。所述铝金属靶材的纯度为99.7-99.9%。所述步骤（2）中，复合靶由直径为1.5-3mm、长度为15-25mm、纯度为99.99%的Ti丝和99.95%的Nb丝穿在纯钛板上制作而成，Nb丝数量为Ti丝的10-20%。本专利技术提供一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，该方法的原理是：（1）先使用双辉等离子表面冶金技术在炭/炭复合材料工件上制备Al渗层，利用Al元素不与碳发生反应且熔点低的特点，使其填补炭/炭复合材料内部的孔隙缺陷，并渗入基体内部的碳纤维之间形成厚的扩散渗层，将炭/炭复合材料封装起来，阻挡碳元素向外扩散，这样可避免后制备的涂层被碳化。（2）渗入Ti和Nb在工件中形成Al-Ti-Nb合金涂层，考虑到Al的熔点低，不能单独作为高温抗氧化涂层使用，而Ti能够与Al作用形成TiAl耐高温氧化金属间化合物，加入一定量的Nb可以有效地提高TiAl的韧性、降低脆性，改善合金的力学性能。（3）在工件表面制备包含金属和硅的多层梯度复合涂层，Zr、Ta或Cr等耐高温氧化金属和硅的共沉积，一方面能够与基体形成冶金结合，另一方面也能够使金属原子与Si相互填充，有利于提高涂层的致密性和韧性。硅烷的间歇式通入，能够使装置中硅烷的含量保持先增加后减少的趋势，因此涂层中硅和金属的含量呈梯度变化。多层结构的设计不但能保证涂层具有足够的厚度，也能够为基体材料提供多层防护。本专利技术的有益效果：1）本专利技术采用Al渗层渗透到炭/炭复合材料内部，将炭/炭复合材料表层变成“炭纤维增强铝”基材，因此能有效阻挡碳元素向基体外扩散，避免涂层制备过程中碳化物的形成，防止在随后的氧化过程中生成气体扩散通道。2）本专利技术制备的耐高温金属和硅的多层梯度复合涂层，表层为均匀致密的金属层，金属层氧化后形成金属氧化物，Si在氧化过程中生成SiO2，由于Si与金属是混合存在的，因此形成的不是单层的SiO2而是三维的SiO2网格，且网格的密度不断增加，这就能避免单层SiO2若出现微裂纹则失去抗氧化性能的缺陷。多层涂层则避免了贯穿性裂纹的产生，且韧性金属对热应力的承载能力更大，也有利于避免裂纹的生成本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，其特征在于：该方法使用双辉等离子表面冶金技术，先在炭/炭复合材料工件上制备Al渗层，然后渗入Ti和Nb在工件中形成Al‑Ti‑Nb合金涂层，最后再以耐高温氧化金属Zr、Ta或Cr中的一种作为靶材，通入硅烷作为反应气体，在工件表面制备包含金属和硅的多层梯度复合涂层。
【技术特征摘要】
1.一种提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，其特征在于：该方法使用双辉等离子表面冶金技术，先在炭/炭复合材料工件上制备Al渗层，然后渗入Ti和Nb在工件中形成Al-Ti-Nb合金涂层，最后再以耐高温氧化金属Zr、Ta或Cr中的一种作为靶材，通入硅烷作为反应气体，在工件表面制备包含金属和硅的多层梯度复合涂层。
2.根据权利要求1所述的提高炭/炭复合材料耐高温氧化性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）Al渗层制备工艺如下：将炭/炭复合材料工件放入双辉等离子表面冶金装置内，以Al金属作为靶材，调整靶材与工件间距为16-20mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性气体Ar，其流量为60-80sccm，开启源极和工件极电源，控制源极电压在300-500V，工件极电压在150-200V，工件温度为350-400℃，时间为0.5-2h，进行Al渗层的制备；
（2）Al-Ti-Nb合金涂层制备工艺如下：上述Al渗层制备结束后，使用由Ti丝和Nb丝固定在纯钛板上制作的复合靶更换铝靶，调整丝材下端到工件上表面间距为16-18mm，抽真空至1Pa以下，通入惰性气体Ar，其流量为60-80sccm，开启源极和工件极电源，控制源极电压在500-800V，工件极电压在350-500V，控制工件温度为500-...
【专利技术属性】
技术研发人员：于盛旺，高洁，刘小萍，曹晋玮，黑鸿君，贺志勇，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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