一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，直接將帶有熱損傷裂紋的試樣表面整個(gè)SiC涂層徹底磨削掉，再重新沉積SiC涂層。不僅可以使沉積表面平整還能使磨掉整個(gè)SiC涂層的C/SiC復(fù)合材料打開(kāi)閉氣孔，有利于后續(xù)基體與涂層沉積變得更為致密，減小密度梯度；還可以有效地修復(fù)SiC基體內(nèi)部形成的裂紋。從而更加有效的提高試樣在高溫環(huán)境下的抗氧化能力。本方法的有效地修復(fù)C/SiC的密度缺陷及熱損傷?？梢詼p少C/SiC在制備過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋，減小C/SiC從表面到內(nèi)部的密度梯度和孔隙率，使熱損傷產(chǎn)生的裂紋逐漸愈合，抗氧化性能恢復(fù)且有所提高，使抗彎強(qiáng)度大幅度得到增加。
【專利說(shuō)明】一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，特別是涉及一種連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)是一種新型熱結(jié)構(gòu)/功能一體化材料。C/SiC的主要應(yīng)用領(lǐng)域往往與高溫環(huán)境有關(guān)，高溫環(huán)境可能影響到其后續(xù)氧化損傷的發(fā)生和演變，除制備過(guò)程中產(chǎn)生的熱失配裂紋外，C/SiC在高溫氧化服役過(guò)程中也會(huì)因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不匹配而產(chǎn)生熱損傷裂紋，這些裂紋會(huì)導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料的高溫抗氧化性能下降，從而引起構(gòu)件在重復(fù)使用過(guò)程中發(fā)生提前失效破壞，甚至是發(fā)生災(zāi)難性破壞。所以，對(duì)C/SiC復(fù)合材料在制備和高溫服役過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的修復(fù)技術(shù)就變得尤為重要。
[0003]在吳守軍的碩士論文(西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2004年3月，陜西西安)“CVD SiC涂層缺陷控制與C/SiC復(fù)合材料氧化行為的研宄”中，對(duì)已經(jīng)制得的2D C/SiC試樣先沉積60h低壓化學(xué)氣相沉積(LPVD) SiC,再用金剛砂球磨50h后沉積30h SiC,然后重復(fù)6次球磨時(shí)間24h/次和再沉積30h/次SiC的改性工藝。未經(jīng)處理的CVD SiC涂層表面上存在大量孤立分布的CVD SiC球形團(tuán)聚體，這種球形團(tuán)聚體之間接觸面少，涂層表面粗糙，固相堆積松散，不利于CVD SiC的沉積，導(dǎo)致大量涂層缺陷和裂紋從而降低C/SiC試樣的抗氧化性能。【背景技術(shù)】采用的球磨C/SiC材料表面方法，不會(huì)徹底打磨掉SiC涂層，而是僅僅使得SiC涂層表面的自然沉積狀態(tài)得到改善，所得涂層變得較為平整，涂層質(zhì)量得到改善，層間堆積更加致密，從而使試樣的制備缺陷和裂紋減少。和未經(jīng)涂層處理的材料相比，氧化失重增加，殘余抗彎強(qiáng)度有一定提高。然而，此方法通過(guò)球磨僅僅改善了涂層微觀形貌，并不能徹底去除和修復(fù)SiC涂層與基體內(nèi)部由于熱環(huán)境導(dǎo)致的裂紋和本身在制備過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。由于磨削過(guò)程難以有效控制，導(dǎo)致試樣涂層磨耗量不一致，甚至使涂層剝落，纖維暴露，氧化動(dòng)力學(xué)曲線波動(dòng)幅度大，抗氧化性能提高有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，可以有效地修復(fù)C/SiC的密度缺陷及熱損傷。
[0006]技術(shù)方案
[0007]一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1:將二維碳纖維布按進(jìn)行疊層編織，得到纖維預(yù)制體；
[0009]步驟2:對(duì)纖維預(yù)制體沉積一爐次的PyC界面層，厚度為200nm，工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，Ar氣流量150?200ml/min，C3H6氣流量為150?250ml/min，沉積時(shí)間 72h ；
[0010]步驟3:再進(jìn)行化學(xué)氣相沉積SiC基體，工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，壓力2?4kPa，H2氣流量150?250ml/min，Ar氣流量250?350ml/min，三氯甲基硅烷溫度25?35°0，4與MTS的摩爾比為8?12、沉積時(shí)間六爐次，每次120小時(shí)，得到原始試樣母板；
[0011]步驟4:采用砂輪打磨母原始試樣板的表面，打開(kāi)開(kāi)氣孔，然后切割成所需尺寸，再以與步驟3同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，得到有SiC涂層的C/SiC ;
[0012]步驟5:采用砂輪磨削掉C/SiC上兩爐次SiC涂層，打開(kāi)開(kāi)氣孔，再以與步驟3同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層；以此作為制備裂紋的密度梯度缺陷修復(fù)方法；
[0013]步驟6:在氬氣下1900°C進(jìn)行熱處理2小時(shí)，相當(dāng)于對(duì)C/SiC進(jìn)行高溫考核，從而引入熱損傷，使試樣產(chǎn)生由熱損傷引起的涂層和基體裂紋；
[0014]步驟7:利用和步驟5中所述同樣的方法將熱損傷試樣表面的SiC涂層徹底磨掉為止；
[0015]步驟8:按照步驟3的方法重新沉積兩爐次SiC涂層；
[0016]步驟9:按照步驟3中的方法重新沉積兩爐次SiC涂層，以此作為熱損傷修復(fù)的方法。
[0017]有益效果
[0018]本發(fā)明提出的一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，直接將帶有熱損傷裂紋的試樣表面整個(gè)SiC涂層徹底磨削掉，再重新沉積SiC涂層。不僅可以使沉積表面平整還能使磨掉整個(gè)SiC涂層的C/SiC復(fù)合材料打開(kāi)閉氣孔，有利于后續(xù)基體與涂層沉積變得更為致密，減小密度梯度；還可以有效地修復(fù)SiC基體內(nèi)部形成的裂紋。從而更加有效的提高試樣在高溫環(huán)境下的抗氧化能力。
[0019]本發(fā)明方法的可以有效地修復(fù)C/SiC的密度缺陷及熱損傷。可以減少C/SiC在制備過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋，減小C/SiC從表面到內(nèi)部的密度梯度和孔隙率，使熱損傷產(chǎn)生的裂紋逐漸愈合，抗氧化性能恢復(fù)且有所提高，使抗彎強(qiáng)度大幅度得到增加。C/SiC的熱損傷的修復(fù)，對(duì)延長(zhǎng)C/SiC構(gòu)件的使用壽命、重復(fù)使用造價(jià)昂貴的C/SiC制件，確保其服役安全和有效降低成本有著重要意義。
[0020]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是:(I)工藝步驟少，容易實(shí)現(xiàn)。(2)密度缺陷的修復(fù)能減少C/SiC在制備過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋，減小C/SiC從表層到內(nèi)部的密度梯度，減低孔隙率，從而有效改善C/SiC中溫度段的抗氧化性能和提高C/SiC的相應(yīng)抗彎強(qiáng)度(3) C/SiC熱損傷修復(fù)后，表面SiC涂層上的微裂紋密度從5.3/mm減小到2.Ο/mm,裂紋寬度從4.30 μ m減小到
1.5 μ m，裂紋開(kāi)口熱暴露面積減小了 87%，臨界溫度800°C以后，裂紋逐漸愈合，抗氧化性能恢復(fù)，氧化10小時(shí)后失重率隨著溫度的升高不斷減小，最終保持低于2.5%的水平。(4)熱損傷修復(fù)試樣相比于熱損傷試樣經(jīng)過(guò)10小時(shí)氧化失重之后的抗彎強(qiáng)度，從OMPa提高到200 ?300MPa。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為熱損傷試樣裂紋形貌的SEM照片，穿透涂層的裂紋，防氧化效果差；圖2中修復(fù)后的裂紋被封填，防氧化效果好
[0022]圖2為熱損傷裂紋修復(fù)之后的SEM照片。
[0023]圖3原始試樣T1和密度缺陷修復(fù)試樣T2不同氧化溫度下氧化10小時(shí)后的失重率
[0024]圖4為原始試樣T1、熱損傷試樣T3和熱損傷修復(fù)試樣T 4在不同氧化溫度下的氧化10小時(shí)的氧化失重率。

【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0026]實(shí)施例1:試樣制備裂紋的修復(fù)。
[0027](I)將二維碳纖維布進(jìn)行同方向疊層得到二維(2D)疊層纖維預(yù)制體。
[0028](2)將(I)中的纖維預(yù)制體沉積一爐次的PyC界面層，厚度大約為200nm。工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，Ar氣流量150?200ml/min，C3H6氣流量為150?250ml/min，沉積時(shí)間72h。
[0029](3)將(2)中所獲得預(yù)制體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD) SiC基體，工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，壓力2?4kPa，H2氣流量150?250ml/min，Ar氣流量250?350ml/min,三氯甲基硅烷溫度25?35°C，!12與MTS的摩爾比為8?12、沉積時(shí)間六爐次，每次120小時(shí)。得到原始試樣母板。
[0030](4)將(3)中制備的試樣母板用砂輪打磨試樣表面，打開(kāi)開(kāi)氣孔，然后切割成試樣所需尺寸，再以與(3)中同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，得到有SiC涂層的C/SiC試樣。
[0031](5)將(4)中制備的試樣表面的兩爐次SiC涂層用砂輪完全磨掉，打開(kāi)開(kāi)氣孔，再以和步驟(3)中所述同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，涂層厚度約為50 μ m，以此作為制備裂紋的密度梯度缺陷修復(fù)方法。
[0032]在本施例中，C/SiC試樣外部結(jié)硬殼后，外部致密內(nèi)部疏松，產(chǎn)生密度梯度，對(duì)這種密度梯度進(jìn)行了有效的修復(fù)，能減少C/SiC在制備過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋，減小C/SiC從表層到內(nèi)部的密度梯度，減少孔隙率，在700?1100°C之間，試樣修復(fù)前后相比，失重率從25%提高到2.5%，氧化失重10小時(shí)之后的抗彎強(qiáng)度，如圖3所示，從OMPa提高到250?300MPa，有效的改善了 C/SiC中溫度段的抗氧化性能和提高C/SiC的相應(yīng)抗彎強(qiáng)度。
[0033]實(shí)施例2:試樣熱損傷裂紋的修復(fù)。
[0034](I)將二維碳纖維布進(jìn)行同方向疊層得到二維(2D)疊層纖維預(yù)制體。
[0035](2)將(I)中的纖維預(yù)制體沉積一爐次的PyC界面層，厚度大約為200nm。工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，Ar氣流量150?200ml/min，C3H6氣流量為150?250ml/min，沉積時(shí)間72h。
[0036](3)將(2)所獲得預(yù)制體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD) SiC基體，工藝條件為:沉積溫度 800 ?1000°C，壓力 2 ?4kPa，H2氣流量 150 ?250ml/min，Ar 氣流量 250 ?350ml/min，三氯甲基硅烷溫度25?35°0，4與階5的摩爾質(zhì)量比為8?12、沉積時(shí)間六爐次，每次120小時(shí)。得到原始試樣母板。
[0037](4)將(3)中制備的試樣母板用砂輪打磨試樣表面，打開(kāi)開(kāi)氣孔，然后切割成試樣所需尺寸，再以與(3)中同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，得到有SiC涂層的C/SiC試樣。
[0038](5)將(4)中C/SiC試樣上兩爐次SiC涂層用砂輪徹底磨削掉，打開(kāi)開(kāi)氣孔，再以
(3)同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，涂層厚度約為50 μ m。
[0039](6)在氬氣下1900°C熱處理2小時(shí)，相當(dāng)于對(duì)C/SiC進(jìn)行高溫考核，從而引入熱損傷，使試樣產(chǎn)生由熱損傷引起的基體和涂層裂紋。
[0040](7)利用和步驟(5)中所述同樣的方法將熱損傷試樣表面的SiC涂層磨掉。
[0041](8)按照步驟(3)中所描述的方法重新沉積兩爐次SiC涂層，厚度約為50 μ m，以此為熱損傷修復(fù)的方法。
[0042]在本施例中，C/SiC熱損傷修復(fù)后，表面SiC涂層上的微裂紋密度從5.3/mm減小到2.0/mm，裂紋寬度從4.30 μ m減小到1.5 μ m，裂紋開(kāi)口熱暴露面積減小了 87 %，臨界溫度800°C以后，裂紋逐漸愈合，抗氧化性能恢復(fù)(如圖1和圖2所示，圖1中穿透涂層的裂紋，防氧化效果差；圖2中修復(fù)后的裂紋被封填，防氧化效果好)，且較原始試樣有所提高，氧化10小時(shí)后失重率隨著溫度的升高不斷減小，最終保持低于2.5%的水平。熱損傷修復(fù)試樣相比于熱損傷試樣經(jīng)過(guò)10小時(shí)的氧化失重之后的抗彎強(qiáng)度，如圖4所示，從OMPa提高到 200 ?300MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷基復(fù)合材料熱損傷裂紋的修復(fù)方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:將二維碳纖維布按進(jìn)行疊層編織，得到纖維預(yù)制體； 步驟2:對(duì)纖維預(yù)制體沉積一爐次的PyC界面層，厚度為200nm，工藝條件為:沉積溫度.800 ?1000°C，Ar 氣流量 150 ?200ml/min，C3H6氣流量為 150 ?250ml/min，沉積時(shí)間 72h ；步驟3:再進(jìn)行化學(xué)氣相沉積SiC基體，工藝條件為:沉積溫度800?1000°C，壓力2?4kPa，H2氣流量150?250ml/min，Ar氣流量250?350ml/min，三氯甲基硅烷溫度25?.35°C，!12與MTS的摩爾比為8?12、沉積時(shí)間六爐次，每次120小時(shí)，得到原始試樣母板；步驟4:采用砂輪打磨母原始試樣板的表面，打開(kāi)開(kāi)氣孔，然后切割成所需尺寸，再以與步驟3同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層，得到有SiC涂層的C/SiC ; 步驟5:采用砂輪磨削掉C/SiC上兩爐次SiC涂層，打開(kāi)開(kāi)氣孔，再以與步驟3同樣的工藝條件沉積兩爐次SiC涂層；以此作為制備裂紋的密度梯度缺陷修復(fù)方法； 步驟6:在氬氣下1900°C進(jìn)行熱處理2小時(shí)，相當(dāng)于對(duì)C/SiC進(jìn)行高溫考核，從而引入熱損傷，使試樣產(chǎn)生由熱損傷引起的涂層和基體裂紋； 步驟7:利用和步驟5中所述同樣的方法將熱損傷試樣表面的SiC涂層徹底磨掉為止； 步驟8:按照步驟3的方法重新沉積兩爐次SiC涂層； 步驟9:按照步驟3中的方法重新沉積兩爐次SiC涂層，以此作為熱損傷修復(fù)的方法。
【文檔編號(hào)】C04B41/87GK104446666SQ201410629485
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】成來(lái)飛, 梅輝, 陳曦, 孫雨堯 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)