一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，将陶瓷基复合材料加工工艺用以辅助EBC涂层的制备过程，为EBC涂层的制备提供适宜表面完整性的复合材料表面，以增加材料表面的粗糙度、释放材料表面的残余应力并增强涂层与基体的结合力。有益效果为：(1)将陶瓷基复合材料的加工工艺引入EBC涂层的制备过程，扩展了陶瓷基复合材料的加工工艺的应用范围并丰富了EBC涂层的制备方法。(2)在陶瓷基复合材料的表面进行加工，得到一定表面结构的复合材料基体，EBC涂层的界面结合强度可提升15％～35％，大幅提升材料的使用寿命。

A method to improve the bonding strength of ceramic matrix composite EBC coating

【技术实现步骤摘要】
一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法
本专利技术属于陶瓷基复合材料领域，涉及一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，其主要应用于改善陶瓷基复合材料EBC涂层与基体的结合强度，提高陶瓷基复合材料的耐环境腐蚀能力。
技术介绍
连续纤维增韧的碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC、SiCf/SiC复合材料)作为新一代热结构材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化腐蚀等一系列性能优势而被广泛应用于先进航空发动机领域。在航空发动机严苛的燃气环境中，如高温、高压、水蒸汽、氧、熔盐以及高速燃气冲刷等，复合材料中的SiC基体、SiC纤维和SiO2易与水蒸气反应生成气态的Si(OH)4等物质；而常用的BN、PyC界面易与水蒸气反应生成H3BO3等挥发性物质，二者都会引起陶瓷基复合材料表面和内部稳定性及性能的急剧恶化，最终导致构件快速失效。解决该问题的方法是在复合材料表面制备环境屏障涂层(Environmentbarriercoatings，EBCs)，即EBC涂层，该涂层能够在复合材料和发动机恶劣环境间设立一道屏障，阻止或减小发动机环境对材料性能的影响，能够有效提高陶瓷基复合材料在航空发动机环境中的服役寿命，保障发动机使用的安全性和可靠性。专利CN109987971A公开了一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面高温长时间抗氧化涂层及其制备方法，以氧化硼、硼、锆、碳化硅、二氧化硅和氧化铝为涂层原料，硅溶胶为粘接剂，采用涂刷-烧结工艺在碳化硅内层上制备ZrB2-SiC基中间层；再利用化学气相沉积工艺在中间层表面制备SiC外层，最终得到SiC/ZrB2-SiC/SiC复合抗氧化涂层，提高了涂层的抗氧化能力，失重率仅为1.1％，但该涂层制备方法较为复杂，并且未能解决涂层易剥落的问题。文献“OxidationbehaviorofC/CcompositeswithSiC/ZrSiO4-SiO2coating.CeremicsInternational.2017(27):405.”公开报道了一种Cf/C表面SiC/ZrSiO4-SiO2复合抗氧化涂层，利用已通过包埋法沉积一层SiC结合层的Cf/C表面，该涂层采用料浆喷涂-高温烧结复合工艺制备出SiC/ZrSiO4-SiO2复合涂层。带有所制备的涂层的Cf/C在低氧分压环境下氧化111h后增重0.54％，高氧分压环境下氧化50h后失重0.03％。该涂层抗氧化性能较好，但制备成本较高且无法根本解决涂层不够致密和易脱落的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，解决陶瓷基复合材料EBC涂层致密度不高，易脱落，导致复合材料寿命降低的问题。技术方案一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、预制体的制备：将碳纤维呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，或将碳化硅纤维布呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，并且使用针刺法制备纤维预制体步骤2、沉积界面：在纤维预制体上，采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的热解碳界面相，得到胚体，沉积工艺以C3H6为气源，Ar为稀释气体，H2为载气，沉积温度为850～950℃，系统总压为3～7kPa，沉积PyC界面相，生成PyC的化学反应为：C3H6→PyC+CxHy，沉积时间为40～50h；步骤3、沉积基体：在胚体上，采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的碳化硅基体，得到陶瓷基复合材料；以三氯甲基硅烷CH3SiCl3,MTS为气源，Ar为稀释气体，以鼓泡方式用H2作为载气将MTS带入反应炉内，沉积温度为900～1200℃，系统总压为4～8kPa，H2与MTS的摩尔比为10:1，沉积时间为720～750h，至复合材料的密度为2.1～2.2g/cm3；沉积过程中制备SiC的化学反应为：CH3SiCl3+H2→SiC+HCl；步骤4：采用陶瓷基复合材料的加工工艺，在陶瓷基复合材料的表面加工出有凹凸层次周期性结构；步骤5、EBC涂层的制备：采用等离子喷涂工艺制备陶瓷基复合材料的EBC涂层，其中，设定主气Ar流量为1500～3000L·h-1,送粉气H2流量为300～500L·h-1,电弧电压为60～80V，电弧电流为350～650A，喷涂距离为50～150mm。所述陶瓷基复合材料的加工工艺包括但不限于：磨削加工、超声加工、水射流加工、激光加工或喷砂加工。有益效果本专利技术提出的一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，将陶瓷基复合材料加工工艺用以辅助EBC涂层的制备过程，为EBC涂层的制备提供适宜表面完整性的复合材料表面，以增加材料表面的粗糙度、释放材料表面的残余应力并增强涂层与基体的结合力。有益效果为：(1)将陶瓷基复合材料的加工工艺引入EBC涂层的制备过程，扩展了陶瓷基复合材料的加工工艺的应用范围并丰富了EBC涂层的制备方法。(2)在陶瓷基复合材料的表面进行加工，得到一定表面结构的复合材料基体，EBC涂层的界面结合强度，相对于陶瓷基复合材料没有EBC涂层，结合强度由20MPa提升15％～35％，大幅提升材料的使用寿命。附图说明图1为本专利技术的流程图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：实施例1.步骤1.预制体的制备：将碳纤维纤维布呈0°/0°的方向铺层，并且使用针刺法制备纤维预制体。步骤2.沉积界面：采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的热解碳界面相。以C3H6为气源，Ar为稀释气体，H2为载气，沉积温度为950℃，系统总压为7kPa，沉积PyC界面相，生成PyC的化学反应为：C3H6→PyC+CxHy，沉积时间为50h。步骤3.沉积基体：采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的碳化硅基体，以三氯甲基硅烷(CH3SiCl3,MTS)为气源，Ar为稀释气体，以鼓泡方式用H2作为载气将MTS带入反应炉内，沉积温度为1200℃左右，系统总压为8kPa，H2与MTS的摩尔比为10:1，制备SiC的化学反应为：CH3SiCl3+H2→SiC+HCl，沉积时间为750h，至复合材料的密度为2.2g/cm3。步骤4.表面处理：利用陶瓷基复合材料磨削加工刻槽，对复合材料试样(构件)进行表面刻槽处理，微槽宽度2mm，微槽深度1mm，得到一定表面结构的复合材料基体。步骤5.涂层制备：采用等离子喷涂工艺制备陶瓷基复合材料的EBC涂层。其中，设定主气(Ar)流量为3000L·h-1,送粉气(H2)流量为500L·h-1,电弧电压为80V，电弧电流为650A，喷涂距离为150mm。步骤6.采用本实施方案得到的复合材料，涂层结合力为5MPa，提升了19％。实施例2.步骤1.预制体的制备：将碳纤维布呈0°/45°的方向铺层，并且使用针刺法制备纤维预制体。步骤2.沉积界面：采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1、预制体的制备：将碳纤维呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，或将碳化硅纤维布呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，并且使用针刺法制备纤维预制体/n步骤2、沉积界面：在纤维预制体上，采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的热解碳界面相，得到胚体，沉积工艺以C

【技术特征摘要】
1.一种提高陶瓷基复合材料EBC涂层结合强度的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、预制体的制备：将碳纤维呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，或将碳化硅纤维布呈0°/0°、0°/45°或0°/90°的方向铺层，并且使用针刺法制备纤维预制体
步骤2、沉积界面：在纤维预制体上，采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的热解碳界面相，得到胚体，沉积工艺以C3H6为气源，Ar为稀释气体，H2为载气，沉积温度为850～950℃，系统总压为3～7kPa，沉积PyC界面相，生成PyC的化学反应为：C3H6→PyC+CxHy，沉积时间为40～50h；
步骤3、沉积基体：在胚体上，采用CVI工艺制备陶瓷基复合材料的碳化硅基体，得到陶瓷基复合材料；以三氯甲基硅烷CH3SiCl3,MTS为气源，Ar为稀释气体，以鼓泡方式用H2作为载气将MTS带入反应炉内，沉积温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晶，刘永胜，曹立阳，张运海，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61