碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法，采用包埋法制備出SiC過渡層改善C/C復(fù)合材料與金屬W物理化學(xué)相容性，同時阻擋C元素與W元素的相互擴散，抑制WC脆性相的生成。利用封閉氧化鋁坩堝內(nèi)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)在C/C復(fù)合材料表面沉積出多孔W涂層，該涂層孔徑分布均勻，適合后期第二相的浸滲。涂層整體與C/C復(fù)合材料基體結(jié)合良好。表面反應(yīng)沉積W涂層的方法能實現(xiàn)薄壁W骨架涂層的制備，并且克服氣相沉積效率低和等離子噴涂不能在復(fù)雜構(gòu)件上制備涂層的缺點。在C/C復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積制備W骨架涂層后為C/C復(fù)合材料表面鎢滲銅、鎢滲銀涂層的制備打下基礎(chǔ)。
【專利說明】
碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于涂層制備領(lǐng)域，具體涉及一種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]鎢(W)是熔點最高的金屬單質(zhì)，因其高強度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)、低氚滯留率以及耐粒子沖刷等特性，已廣泛的應(yīng)用于高溫、高速粒子沖刷等苛刻環(huán)境。如專利1 “Advanced Materials and Processes for Boost Phase Nozzles，Robert Hickman, Timothy McKechnie.”中PPI公司利用真空等離子噴涂工藝制備了W-Re和W-Re-HfC凈尺寸噴管，經(jīng)固體火箭發(fā)動機熱試車考核(含鋁推進劑，工作壓強9MPa、溫度3000°C，工作時間〉 2.5s)，喉部燒蝕率為零，表明金屬W具有極強的抗燒蝕能力。作為核聚變裝置的第一壁材料，W材料同樣具有不可代替的地位。文獻1“A review of recent experiment on W and high Z materials as plasma-facing components in magnetic fus1n devices”在 ASDEX-U和Tokamak裝置上進行了鎢涂層的限制器和偏濾器保護板試驗，試驗發(fā)現(xiàn)W與等離子體之間有較好的相容性。但是W材料的密度較大，且不易加工，這嚴重限制了W材料的應(yīng)用。因此，研究者傾向于在一些低Z(原子序數(shù))材料表面制備W涂層，以克服上述缺點，碳/碳 (C/C)復(fù)合材料具有一系列其他材料無法比擬的優(yōu)異性能，如低密度、比強度高、比模量大、 抗燒蝕、耐摩擦、抗熱沖擊、損傷容限高、奇特的高溫力學(xué)強度保持率和良好的可設(shè)計性，因此將C/C復(fù)合材料與W材料結(jié)合應(yīng)用展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而單純的W涂層同樣受限于其不耐氧化，脆性大等缺點，因此，研究者以多孔W為骨架，采用融滲法制備的鎢滲銅、鎢滲銀具有更優(yōu)異的性能，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空航天發(fā)動機噴管、導(dǎo)彈燃氣舵等領(lǐng)域。鎢滲銅、鎢滲銀復(fù)合材料的制備關(guān)鍵在于多孔W骨架的制備，目前多孔W骨架的制備方法主要為 (1)高溫燒結(jié)；(2)模壓成形；(3)擠壓成形；(4)注射成形，文獻2“滲銅用鎢骨架制備工藝的研究進展”對4種常用W骨架的制備工藝進行了簡要的介紹和評述。但是這些方法并不適合W 涂層的制備，而目前W涂層的制備主要有化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，熔鹽電鍍，等離子噴涂等，文獻3 “C/C復(fù)合材料表面鎢涂層的結(jié)合性能改善”分別采用等離子噴涂于物理氣相沉積在C/C復(fù)合材料制備出W涂層。然而尚未有文獻采用上述方法在C/C復(fù)合材料上制備出多孔W骨架涂層。因此，需要研究新的適合C/C復(fù)合材料基體的多孔W骨架涂層制備方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]要解決的技術(shù)問題
[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法。
[0005]技術(shù)方案
[0006]—種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0007]步驟1:將Si粉，C粉和Al2〇3粉按質(zhì)量比5:1:0.5混合作為包埋粉料，將預(yù)處理的C/C 復(fù)合材料放入石墨坩堝，并埋入粉料中；
[0008]步驟2:將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，1900-2100°C保溫 2h，得到具有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料；
[0009]步驟3:將鎢粉和NHF4粉混合后再加入Al2〇3粉混合，作為反應(yīng)粉料；所述鎢粉和 NHF4粉的質(zhì)量比為60-80%和20-40% ;所述Al2〇3粉與鎢粉和NHF4粉形成的混合粉按質(zhì)量分數(shù)1:1;
[0010]步驟4:將步驟2所得具有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料放入氧化鋁坩堝，并埋入反應(yīng)粉料中；將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，900-1200°C保溫4-6h，使粉料充分反應(yīng)，得到在有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料表面沉積出多孔W涂層；
[0011]所述氧化鋁坩堝采用硅溶膠密封。
[0012]所述C/C復(fù)合材料的預(yù)處理是:將C/C復(fù)合材料用粗砂紙打磨使之表面粗糙化，然后分別用水和無水乙醇超聲清洗5-10min，置于空氣中晾干或者烘箱烘干。
[0013]所述C/C復(fù)合材料的密度P = 1.65g/cm3以上的C/C復(fù)合材料。[〇〇14] 有益效果
[0015]本發(fā)明提出的一種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法，采用包埋法制備出SiC過渡層改善C/C復(fù)合材料與金屬W物理化學(xué)相容性，同時阻擋C元素與W 元素的相互擴散，抑制WC脆性相的生成。利用封閉氧化鋁坩堝內(nèi)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)在C/C 復(fù)合材料表面沉積出多孔W涂層，該涂層孔徑分布均勻，適合后期第二相的浸滲。涂層整體與C/C復(fù)合材料基體結(jié)合良好。表面反應(yīng)沉積W涂層的方法能實現(xiàn)薄壁W骨架涂層的制備，并且克服氣相沉積效率低和等離子噴涂不能在復(fù)雜構(gòu)件上制備涂層的缺點。在C/C復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積制備W骨架涂層后為C/C復(fù)合材料表面鎢滲銅、鎢滲銀涂層的制備打下基礎(chǔ)。
[0016]本發(fā)明的制備涂層沉積效率高，工藝參數(shù)控制簡單，且對材料的規(guī)則形狀均無特殊要求，具有低成本、污染小和易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)點，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益?！靖綀D說明】
[0017]圖1:實施例3所制備的C/C復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積多孔W涂層表面SEM照片；
[0018]圖2:實施例3所制備的C/C復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積多孔W涂層表面BSE照片；
[0019]圖3:實施例3所制備的C/C復(fù)合材料表面多孔W涂層XRD圖譜?！揪唧w實施方式】
[0020]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0021]實施例一:[〇〇22]1)按10 X 10 X 10mm規(guī)格將密度為p= 1.70g/cm3的C/C的復(fù)合材料加工成試樣，用80目粗砂紙打磨使之表面粗糙化，清洗后烘干；
[0023]2)以市場購買Si粉，C粉，A1203粉為原料按5:1:0.5的比例混合，然后將混合粉末置于球型攪拌機中攪0.5h，作為包埋粉料。將步驟1所得C/C試樣放入石墨坩堝，并埋入上述粉料。將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，1900°C保溫2h，可得有一定厚度的SiC涂層的C/C復(fù)合材料試樣。然后用砂紙打磨使涂層表面平整，清洗干燥；
[0024]3)以市場購買W粉，Al2〇3粉，NH4F粉為原料，先將鎢粉和NHF4粉按質(zhì)量分數(shù)80%， 20%混合，然后將混合粉末與Al2〇3粉按質(zhì)量比1:1攪拌均勻作為反應(yīng)粉料。將步驟2所得試樣放入氧化鋁坩堝，并埋入上述粉料，氧化鋁坩堝用硅溶膠密封。將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，1200 °C保溫4h，使粉料充分反應(yīng)。最終可在有SiC內(nèi)涂層的C/C 復(fù)合材料試樣表面沉積出一定厚度的多孔W涂層。
[0025]實施例二:[〇〇26]1)按傘10mm規(guī)格將密度為P= 1.70g/cm3的C/C的復(fù)合材料加工成試樣，用80目粗砂紙打磨使之表面粗糙化，清洗后烘干；[〇〇27]2)以市場購買Si粉，C粉，A1203粉為原料按5:1:0.5的比例混合，然后將混合粉末置于球型攪拌機中攪0.5h，作為包埋粉料。將步驟1所得C/C試樣放入石墨坩堝，并埋入上述粉料。將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，2000°C保溫2h，可得有一定厚度的SiC涂層的C/C復(fù)合材料試樣。然后用砂紙打磨使涂層表面平整，清洗干燥；[〇〇28]3)以市場購買W粉，Al2〇3粉，NH4F粉為原料，先將鎢粉和NHF4粉按質(zhì)量分數(shù)60%，40%混合，然后將混合粉末與Al2〇3粉按質(zhì)量比1:1攪拌均勻作為反應(yīng)粉料。將步驟2所得試樣放入氧化鋁坩堝，并埋入上述粉料，氧化鋁坩堝用硅溶膠密封。將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，1000 °C保溫5h，使粉料充分反應(yīng)。最終可在有SiC內(nèi)涂層的C/C 復(fù)合材料試樣表面沉積出一定厚度的多孔W涂層。[〇〇29] 實施例三:[〇〇3〇] 1)按4>20Xl〇mm規(guī)格將密度為p=1.70g/cm3的C/C的復(fù)合材料加工成試樣，用80 目粗砂紙打磨使之表面粗糙化，清洗后烘干；
[0031]2)以市場購買Si粉，C粉，Al2〇3粉為原料按5:1:0.5的比例混合，然后將混合粉末置于球型攪拌機中攪0.5h，作為包埋粉料。將步驟1所得C/C試樣放入石墨坩堝，并埋入上述粉料。將坩堝放入高溫真空石墨化爐在氬氣保護氣氛下，2100°C保溫2h，可得有一定厚度的 SiC涂層的C/C復(fù)合材料試樣。然后用砂紙打磨使涂層表面平整，清洗干燥；[〇〇32]3)以市場購買W粉，Al2〇3粉，NH4F粉為原料，先將鎢粉和NHF4粉按質(zhì)量分數(shù)70%，30%混合，然后將混合粉末與Al2〇3粉按質(zhì)量比1:1攪拌均勻作為反應(yīng)粉料。將步驟2所得試樣放入氧化鋁坩堝，并埋入上述粉料，氧化鋁坩堝用硅溶膠密封。將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，900 °C保溫6h，使粉料充分反應(yīng)。最終可在有SiC內(nèi)涂層的C/C 復(fù)合材料試樣表面沉積出一定厚度的多孔W涂層。[〇〇33]本發(fā)明所制備的多孔W涂層能完整覆蓋基體表面，厚度大約為40wii，空隙率大約為 30%，涂層孔徑均勻約為2-5WH，涂層與C/C復(fù)合材料基體結(jié)合良好，無明顯開裂。
【主權(quán)項】
1.一種碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法，其特征在于步驟如 下:步驟1:將Si粉，C粉和Al2〇3粉按質(zhì)量比5:1:0.5混合作為包埋粉料，將預(yù)處理的C/C復(fù)合 材料放入石墨坩堝，并埋入粉料中；步驟2:將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，1900-2100°C保溫2h，得 到具有S i C內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料；步驟3:將鎢粉和NHF4粉混合后再加入Al2〇3粉混合，作為反應(yīng)粉料;所述鎢粉和NHF4粉的 質(zhì)量比為60-80%和20-40% ;所述Al2〇3粉與鎢粉和NHF4粉形成的混合粉按質(zhì)量分數(shù)1:1;步驟4:將步驟2所得具有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料放入氧化鋁坩堝，并埋入反應(yīng)粉料 中；將坩堝放入高溫真空石墨化爐內(nèi)并在氬氣保護氣氛下，900-1200 °C保溫4-6h，使粉料充 分反應(yīng)，得到在有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料表面沉積出多孔W涂層；所述氧化鋁坩堝采用硅溶膠密封。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法，其特 征在于:所述C/C復(fù)合材料的預(yù)處理是:將C/C復(fù)合材料用粗砂紙打磨使之表面粗糙化，然后 分別用水和無水乙醇超聲清洗5-10min，置于空氣中晾干或者烘箱烘干。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)沉積金屬鎢骨架涂層的制備方法， 其特征在于:所述C/C復(fù)合材料的密度p = 1.65g/cm3以上的C/C復(fù)合材料。
【文檔編號】C04B41/90GK106083217SQ201610394954
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394954.4, CN 106083217 A, CN 106083217A, CN 201610394954, CN-A-106083217, CN106083217 A, CN106083217A, CN201610394954, CN201610394954.4
【發(fā)明人】郭領(lǐng)軍, 彭堅, 寇鋼, 霍彩霞, 李賀軍, 李克智
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)