一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层及制备方法技术

本发明专利技术属于航空制造技术中的涂层技术，涉及一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层及制备方法，制备的步骤如下：纤维样品准备，样品装炉预抽真空，BN界面涂层沉积，热处理过程，SiC界面涂层沉积，降温出炉。本发明专利技术采用化学气相渗透技术，制备出高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层。这种涂层在1200℃以上的高温环境中，可以生成玻璃态的硼硅酸盐，这种玻璃态物质可具有流动性，可以使涂层中的气孔、裂纹愈合，使BN/SiC纤维界面涂层可以长时间保持自身的高韧性及强抗氧化性能，以满足陶瓷基复合材料服役更高温度、使用寿命更长的要求。使用寿命更长的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于航空制造技术中的涂层技术，设计一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层以及其化学气相渗透制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites，CMCs)具有轻质量、耐高温、抗烧蚀、抗氧化等优良特性，有望作为高温合金或金属间化合物等高温结构材料的替代材料，在航空发动机燃烧室内衬、导向叶片、护罩组件、工作叶片等部件实现应用。目前，SiC连续纤维增强的SiC陶瓷基复合材料(SiC
f
/SiC)受到了国内外科研人员的广泛关注，连续纤维的引入，尤其是连续纤维和陶瓷基体间的界面涂层的引入，不但可以克服陶瓷材料等脆性断裂，而且对提高复合材料在燃气环境下的抗氧化腐蚀具有重要作用，是陶瓷基复合材料在航空发动机应用的关键。
[0003]界面涂层是CMCs基体沉积前在纤维表面预涂覆的一层或多层弱结合层，一般情况下，界面涂层在整个复合材料中的体积分数低于10％，但却很大程度上影响CMCs的抗环境侵蚀能力、力学性能等性能。因此，对界面涂层材料和结构的合理设计十分重要。界面涂层的作用机制是，使纤维/界面层、界面层/基体之间有一定强度的结合力，当基体受外力作用时可通过各界面将外力传递至纤维。另一方面，界面层引入后材料内部应至少存在一种界面的结合力不能过强，当基体裂纹传播至该界面位置时，可通过裂纹偏转或界面脱粘吸收能量。同时，界面层可以保护纤维在CMC制备过程中免受机械损伤、因局部过热出现热应力以及反应环境侵蚀。
[0004]六方氮化硼(BN)是一种层状结构的材料，其晶体结构与石墨非常相似，属于六方晶系。这种晶体结构使BN具有独特的物理化学性质，包括密度低、高温稳定性好、高热导率、与SiC更接近的热膨胀系数、高杨氏模量、呈化学惰性、抗氧化性能强等。现有工艺中均是在SiC纤维基体上制备单一的BN涂层，如CN108385087、CN109650924、CN110282981，单层的BN界面涂层可以有效提升复合材料的断裂韧性。但是，当环境温度超过800℃时，BN快速被氧化，使界面涂层过早失去增韧等功能，温度超过1200℃时，BN界面涂层的寿命远远低于使用要求。并且，当氧化环境中有水汽存在时，BN将被快速氧化成气态HBO2、H3BO3和H3B3O6，这加速了界面涂层的失效，导致纤维损伤和复合材料过早失效。
[0005]因此，急需研究一种在1200℃以上高温或者含水蒸气环境中稳定使用的CMCs界面涂层。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：提供一种制备高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层及其制备方法，以满足CMCs在1200℃以上的服役环境中长时间稳定使用的需求，本专利技术制备的带BN/SiC界面涂层的SiC
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/SiC复合材料在1200℃干燥环境中可稳定使用超过50h。
[0007]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：。
[0008]一方面，提供一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层，所述涂层分为BN底层和SiC面层两层结构；BN底层呈单一的六方相结构，B原子含量与N原子含量的比值在0.95～1.05之间；SiC面层致密度不低于95％；两者厚度比为1.5～2。
[0009]进一步地，所述BN底层采用化学气相渗透工艺直接沉积在纤维表面，厚度为100～200nm；所述SiC面层采用化学气相渗透工艺沉积在BN底层上，厚度为200～300nm。
[0010]本专利技术的涂层体系分为两层：
[0011]BN底层：呈单一的六方相结构，该层状结构具有润滑、增韧的作用，可提高材料在服役过程中的应变容限。
[0012]SiC面层：致密度不低于95％，起氧屏障作用，对内部的BN涂层和纤维起到减缓氧化的保护作用。
[0013]在高温条件下，BN的氧化产物B2O3和SiC的氧化产物SiO2可以快速生成玻璃态的硼硅酸盐，具有流动性的硼硅酸盐可以使涂层或基体中的孔洞、裂纹愈合，可以进一步提高材料的应变容限，提升材料的使用寿命。
[0014]另一方面，本专利技术还提供一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层的制备方法，采用化学气相渗透技术(CVI)，在纤维表面沉积BN界面涂层后，在其表面再沉积一层SiC界面涂层，使BN/SiC界面涂层在高温环境中使用时，BN的氧化产物B2O3和SiC的氧化产物SiO2可以在短时间内进一步生成硼硅酸盐玻璃，快速形成的玻璃态硼硅酸盐使界面涂层的孔洞、裂纹愈合，可减少氧化气氛进一步向材料内部扩散，提高CMCs的使用寿命。
[0015]所述制备方法步骤如下：
[0016]步骤一、纤维样品准备：
[0017]将SiC纤维束或SiC纤维织布放入清洗剂中超声清洗20～30min，随后在室温下干燥，以去除表面污物；
[0018]步骤二、样品装炉预抽真空：
[0019]将纤维束或纤维织布样品吊装在石墨模具上，样品下部固定，避免样品在界面层沉积过程中在气体流动下左右摇摆，固定完成后立即将模具放置于真空室，抽真空至真空度为20～40Pa；
[0020]步骤三、BN界面涂层沉积：
[0021]首先将真空室升温至沉积温度800～1000℃，升温速率为10～15℃
·
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‑1，并在此温度保温30～60min；随后通入BCl3‑
NH3‑
Ar反应混合气体，其中BCl3为硼源，NH3为氮源，Ar为稀释气体，BCl3流量为3～5L
·
min
‑1，NH3流量为3～7.5L
·
min
‑1，Ar流量为0～30L
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min
‑1，真空室真空度为70～110Pa，沉积时间30min～60min；
[0022]步骤四、热处理过程：
[0023]将真空室升温至热处理温度1050～1250℃，升温速率为10～20℃
·
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‑1，达到设定温度时保温30min～60min，升温及保温过程均通入保护气体，流量为10～15L
·
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‑1；
[0024]步骤五、SiC界面涂层沉积：
[0025]将真空室温度降至沉积温度860～1060℃，降温速率为10～20℃
·
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‑1，并在此温度保温20～40min；随后通入三氯甲基硅烷
‑
氢气(MTS
‑
H2)反应混合气体，其中MTS(三氯甲基硅烷)为硅源、碳源，H2为稀释气体，MTS流量为5～7L
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‑1，H2流量范围为30～50L
·
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‑1，真空室真空度控制为3
×
102～5
×
102Pa，沉积时间60～100min。
[0026]步骤六、降温出炉：
[0027]停止加热，停止通入反应混合气体，通入冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层，其特征在于：所述涂层分为BN底层和SiC面层两层结构；BN底层呈单一的六方相结构，B原子含量与N原子含量的比值在0.95～1.05之间；SiC面层致密度不低于95％；两者厚度比为1.5～2。2.根据权利要求1所述的高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层，其特征在于：所述BN底层采用化学气相渗透工艺直接沉积在纤维表面，厚度为100～200nm；所述SiC面层采用化学气相渗透工艺沉积在BN底层上，厚度为200～300nm。3.一种高温自愈合BN/SiC纤维界面涂层的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：步骤一、纤维样品准备：将SiC纤维束或SiC纤维织布放入清洗剂中超声清洗20～30min，随后在室温下干燥，以去除表面污物；步骤二、样品装炉预抽真空：将纤维束或纤维织布样品吊装在石墨模具上，样品下部固定，避免样品在界面层沉积过程中在气体流动下左右摇摆，固定完成后立即将模具放置于真空室，抽真空至真空度为20～40Pa；步骤三、BN界面涂层沉积：首先将真空室升温至沉积温度(800～1000℃)，升温速率为10～15℃
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‑1，并在此温度保温30～60min；随后通入BCl3‑
NH3‑
Ar反应混合气体，其中BCl3为硼源，NH3为氮源，Ar为稀释气体，BCl3流量为3～5L
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‑1，NH3流量为3～7.5L
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‑1，Ar流量为0～30L
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‑1，真空室真空度为70～110Pa，沉积时间30min～60min；步骤四、热处理过程：将真空室升温至热处理温度(1050～1250℃)，升温速率为10～20℃
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‑1，达到设定温度时保温30min～60min，升温及保温过程均通入保护气体，流量为10～15L
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‑1；步骤五、SiC界面涂层沉积：将真空室温度降至沉积温度860～1060℃，降温速率为10～20℃
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴建伟，甄真，申造宇，牟仁德，何利民，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：