一種金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及表面涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]跨大氣層航天器以極高的速度再入時(shí)，與空氣發(fā)生劇烈的壓縮和摩擦，將有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成空氣的熱能。這部分熱能以邊界層對(duì)流加熱和激波輻射兩種形式加熱航天器，使航天器主體結(jié)構(gòu)承受?chē)?yán)酷的熱力耦合環(huán)境。金屬防熱結(jié)構(gòu)由于其金屬面板的強(qiáng)韌性和致密性，能夠與飛行器主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，維護(hù)方便，無(wú)需防水，可全天候使用，是跨大氣層航天器表面大面積熱防護(hù)系統(tǒng)的備選方案。在高溫合金表面涂敷抗氧化高輻射涂層，在氣動(dòng)加熱溫度升高時(shí)，金屬表面的涂層將以輻射的形式向邊界層散出大部分熱量，該散熱過(guò)程為物理過(guò)程，不涉及涂層材料的損耗與衰退。由于該涂層的服役環(huán)境溫度非常高，所以常采用陶瓷復(fù)合涂層。為了避免由于金屬與陶瓷熱膨脹系數(shù)不匹配造成陶瓷涂層的過(guò)早剝落，德國(guó)和加拿大研宄人員最先提出了梯度熱障涂層的設(shè)想。梯度熱障涂層頂層為YSZ(Yttria Stabilized Zironia)陶瓷層，底層為NiCoCrAlY金屬粘接層，在二者之間引入了 Al2O3-YSZ梯度過(guò)渡層。該體系中金屬粘接層到陶瓷層之間為連續(xù)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，消除了層狀結(jié)構(gòu)的明顯層間界面，涂層力學(xué)性能變化也呈現(xiàn)連續(xù)性變化。B.A.Movchan等人選用Al-Al2O3-YSZ作為梯度過(guò)渡材料，利用電子束物理氣相沉積工藝單源多組分蒸發(fā)技術(shù)制備梯度熱障涂層。R.Keith Bird等研制一種基于溶膠一凝膠工藝的多層復(fù)合涂層，具有超薄、輕質(zhì)、高發(fā)射率、低催化、抗氧化、易應(yīng)用和可修復(fù)等特點(diǎn)，并評(píng)價(jià)其抗氧化性能。該涂層體系從外到內(nèi)由低催化層、高發(fā)射率層、抗氧化層和隔斷層組成，已在PM1000、602CA、γ-TiAl、InConel617等幾種航天器常用高溫合金表面上獲得應(yīng)用?？傊?，高溫合金表面高輻射防熱涂層需從功能性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性三方面技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。一、功能方面:涂層表面發(fā)射率ε大于0.8;表面催化復(fù)合系數(shù)盡可能小；二、可靠性方面:涂層具有良好的抗熱震性能，與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂覆后不會(huì)降低金屬的力學(xué)性能；三經(jīng)濟(jì)性方面:涂層應(yīng)在允許使用溫度范圍內(nèi)盡可能的薄，不顯著增加飛行器的重量，返場(chǎng)修復(fù)時(shí)間短，涂層制備工藝簡(jiǎn)單等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決金屬熱防護(hù)結(jié)構(gòu)抗氧化性和熱輻射系數(shù)低的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層的制備方法。
[0004]一種金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0005]一、稱(chēng)取正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和蒸餾水，控制攪拌器的溫度為50°C，將正硅酸乙醋和無(wú)水乙醇混合攪拌，恒溫至50°C，加入蒸飽水，再攪拌10?15min，然后加入0.25?0.3mL濃度為0.2mol/L的稀鹽酸，攪拌5?lOmin，再靜置30min，得到S12溶膠；
[0006]二、采用240號(hào)砂紙打磨高溫合金薄板表面，再用600號(hào)砂紙打磨，然后控制溫度為10?40°C，采用脫脂粉清洗表面，時(shí)間為5?20min ;再在室溫條件下，用流動(dòng)的去離子水涮洗I?2min ;然后在室溫條件下，用脫脂棉蘸取丙醇擦拭高溫合金薄板表面；用流動(dòng)的去離子水二次沖洗表面I?2min ;然后用電吹風(fēng)吹干，完成高溫合金薄板的預(yù)處理；
[0007]三、按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg2B2O5晶須的質(zhì)量份數(shù)比為(40?50份):(40?50份):(8?10份)，將硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg2B2O5晶須混合均勻，得到原料粉I ;
[0008]按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg2B2O5Ha0MiP SiB 4粉的質(zhì)量份數(shù)比為(40?50份):(40?50份):(5?8份):(5?6份)，將硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg2B2O^aB須和SiB4粉混合均勻，得到原料粉2 ;
[0009]按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg2B2O5晶須、SiB4粉和MoSi 2的質(zhì)量份數(shù)比為(30?40份):(30?40份):(3?5份):(5?10份):(5?10份)，將硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg2B2O5晶須、SiB 4粉和MoSi 2混合均勻，得到原料粉3 ；
[0010]四、將原料粉1、S12溶膠、B4C和純凈水按照質(zhì)量份數(shù)比為100份:(5?10份):(0.5?I份):(150?250份)，混合均勾，放入行星式球磨機(jī)中，球磨10?12h，得到混合料I ;
[0011 ] 將原料粉2、S12S膠、B 4C和純凈水按照質(zhì)量份數(shù)比為100份:(5?10份):(0.5?I份):(150?250份)，混合均勾，放入行星式球磨機(jī)中，球磨10?12h，得到混合料2 ;
[0012]將原料粉3、S12S膠、B 4C和純凈水按照質(zhì)量份數(shù)比為100份:(5?10份):(0.5?I份):(150?250份)，混合均勾，放入行星式球磨機(jī)中，球磨10?12h，得到混合料3 ;
[0013]五、采用空氣噴涂法，依次將混合料1、混合料2和混合料3均勻噴涂在步驟二預(yù)處理的高溫合金薄板表面，每種混合料分別噴涂3?5遍，然后在室溫條件下，在空氣中自然晾干10?12h ;再放入真空干燥箱中，控制溫度為80°C，保溫0.5?Ih ;然后以5°C /min的升溫速率，升溫至800°C，保溫2h，隨爐冷卻，完成一種金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層的制備方法。
[0014]本發(fā)明的高輻射率防熱涂層由硼硅玻璃粉和熔融石英粉作為母體材料，以正硅酸乙酯為前驅(qū)體配制的S12溶膠作為粘接劑，以B 4C為燒結(jié)助劑，以MoSijP SiB 4作為高輻射劑，Mg2B2O^aB須為增韌劑。
[0015]本發(fā)明根據(jù)材料的成分、材料的結(jié)構(gòu)和跨大氣層飛行器對(duì)熱防護(hù)涂層的要求，通過(guò)調(diào)整不同的涂層組分配方來(lái)設(shè)計(jì)涂層的燒結(jié)溫度和熱膨脹系數(shù)，在金屬防熱結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建一種單層的新型復(fù)合多功能陶瓷涂層。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:采用本發(fā)明制備的涂層為單層結(jié)構(gòu)，表面呈光滑致密狀，內(nèi)部存在多孔狀態(tài)，由于硼酸鎂晶須的摻入，能夠極大地提高抗熱震能力。采用傳統(tǒng)噴涂工藝可在高溫合金表面實(shí)現(xiàn)該復(fù)合涂層的現(xiàn)場(chǎng)制備，操作方便，成本低。調(diào)節(jié)三種混合料漿的配比，協(xié)調(diào)涂層的熱膨脹性能，使其與金屬基體相匹配，其中摻雜的高輻射劑能夠發(fā)揮高輻射的作用，制備態(tài)涂層的輻射系數(shù)不小于0.85，提高金屬防熱結(jié)構(gòu)在高溫服役環(huán)境下的可靠性。
[0017]本發(fā)明用于制備金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例二制備的涂層的相組成圖，其中I代表Mg2B2O5晶須，2代表AlNi 3，3代表MoSi2,4代表SiB4粉，5代表B 203；
[0019]圖2為實(shí)施例二制備的涂層的表面電子掃面圖片；
[0020]圖3為實(shí)施例二制備的涂層的截面電子掃面圖片；
[0021]圖4為實(shí)施例二制備的涂層的輻射系數(shù)圖如所示，其中I代表500 °C，2代表650 0C，3 代表 800 0C，4 代表 950 °C。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0023]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種金屬防熱結(jié)構(gòu)表面涂層的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0024]一、稱(chēng)取正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和蒸餾水，控制攪拌器的溫度為50°C，將正硅酸乙醋和無(wú)水乙醇混合攪拌，恒溫至50°C，加入蒸飽水，再攪拌10?15min，然后加入0.25?0.3mL濃度為0.2mol/L的稀鹽酸，攪拌5?lOmin，再靜置30min，得到S12溶膠；
[0025]二、采用240號(hào)砂紙打磨高溫合金薄板表面，再用600號(hào)砂紙打磨，然后控制溫度為10?40°C，采用脫脂粉清洗表面，時(shí)間為5?20min ;再在室溫條件下，用流動(dòng)的去離子水涮洗I?2min ;然后在室溫條件下，用脫脂棉蘸取丙醇擦拭高溫合金薄板表面；用流動(dòng)的去離子水二次沖洗表面I?2min ;然后用電吹風(fēng)吹干，完成高溫合金薄板的預(yù)處理；
[0026]三、按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg2B2O5晶須的質(zhì)量份數(shù)比為(40?50份):(40?50份):(8?10份)，將硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg2B2