专利名称：一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法
技术领域：
本发明涉及一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。
背景技术：
材料是人类物质文明的基础，它支撑着其它新技术的前进，航天航空、海洋工程、生命科学和系统工程等国民经济生产领域都需要各类结构和功能材料。随着科学技术的发展以及某些极端条件的实现，各种新型材料迅速发展并广泛用于高技术领域，对其使用的材料的可靠性、使用性能等要求更加严格。航空、航天、核能发电、导弹、核武器、近海井架、化学反应容器和汽轮机组叶片等所使用的关键材料和构件工作条件苛刻，如高温、低温、高压、水气、腐蚀介质，辐射及承受多轴应力等，一旦失效就有可能造成巨大灾难。特别地，以航空领域的结构材料为例，发动机燃烧室的结构材料一般的工作温度都在1600°C以上，在这样的高温工作环境中，材料的抗烧蚀性能对发动机的结构稳定性，使用安全、寿命等影响极大。 目前航空领域内的材料性能(特别是抗高温氧化等性能)从材料自身的物理化学性质来讲，已经基本被挖掘到极限情况。以碳化硅或碳-碳化硅为基体的材料为例，在温度达到1700°C及以上，材料表面即会出现烧蚀，发生剧烈反应，生成二氧化硅等液态物，在缺乏有效的调控手段的条件下，生成物会因工作环境中的高速气流而被冲刷流走。如果能够在表面进行微结构改造，改变材料表面结构，影响材料表面的流-固-热耦合效应，对生成液态物进行有效驻留，就能够充分利用该层玻璃态氧化层对材料基体进行保护，同时驻留的液体的挥发也会吸收大量的热量，降低材料表面温度。再以碳化硅-碳化铪体系的高温热防护材料为例，目前也有相应的工作开展，但是考虑到铪的储量非常少，进口又十分受限，原料价格居高不下，必然也为其研制带来了巨大的瓶颈。发动机是飞行器的核心部件，是飞行器机动性、航程、可靠性、经济性及环境影响的决定性因素之一。航空发动机服役环境恶劣、因素复杂，其燃烧室的结构材料对环境的响应存在流-固-热耦合效应，而不是单一环境作用结果的叠加。为此，各国在相应的重大材料研究计划中，都将提高材料的高温抗氧化耐烧蚀性能作为重要内容。我们尝试通过充分利用材料表面的演化机理改变材料表面结构，对材料表面的燃烧、烧蚀特性进行有效控制，进而影响其流-固-热耦合效应，从而达到材料抗氧化烧蚀的目的，提高材料服役性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高以碳化硅或碳-碳化硅为基体的材料抗氧化烧蚀性能的表面结构制备方法，该方法可在结构表面制备出不同深宽比的槽道微结构，可提高材料的高温抗氧化烧蚀性能，从而提高材料结构件的高温服役时间及高温服役性能。本发明的技术方案如下:一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法，所述材料以碳化硅或碳-碳化硅为基体，其特征在于该方法包括如下步骤:
I)对碳化娃或碳-碳化娃基体表面进行抛光；2)将碳化硅纤维或碳化硅纤维束布置、粘接在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维或纤维束的基体；3)将步骤2)中的带有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积沉降室中，对表面进行碳化娃的化学气相沉积；4)对步骤3)中得到的材料表面进行激光刻蚀，得到具有不同深宽比槽道的表面微结构。上述技术方案中，所述的碳化硅纤维束的直径在100-300 i! m之间。所述的碳化硅纤维或碳化硅纤维束的布置形式采用平行或竖直布置。本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果:在传统材料制备工艺的基础上进行微结构改造，成本低廉，避免了材料设计、生产制备工艺过程的浪费；在材料表面制备出的微结构槽道能够盛装材料由于高温烧蚀生成的液态反应物，阻止其被高速气流冲刷流失，从而阻隔燃气、氧气进一步向基体内部扩散，为提高材料的氧化烧蚀性能提供了一个新的方法和思路。
图1为本发明提供的一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法的工艺流程图。图2a、2b为通过本方法在碳化硅材料表面制备出的微结构效果图，图2b是图2a的局部放大图。图3a、3b为通过本方法在碳-碳化硅材料表面制备出的微结构效果图，图3b是图3a的局部放大图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式
，但不应以此限制本发明的保护范围。图1为本发明提供的一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法的工艺流程图，其具体操作步骤如下:a.对碳化娃或碳-碳化娃基体表面进行抛光,提高材料表面的光洁度,具体抛光程度需要达到便于将碳化硅纤维或碳化硅纤维束更紧密地布置、粘接在基体材料的表面即可，保证步骤b的顺利进行；b.将碳化硅纤维或碳化硅纤维束布置、粘接在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体；根据具体的材料性质确定不同的纤维直径，碳化硅纤维束的直径在100-300i!m之间；碳化硅纤维或碳化硅纤维束可以平行或者竖直布置，但并不仅限于此。c.将步骤b中的带有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积室中，对表面进行碳化硅的化学气相沉积。碳化硅纤维或碳化硅纤维束的不同排布会导致最终通过化学气相沉积(CVD)形成不同的表面微结构形貌，可根据具体的碳化硅纤维或碳化硅纤维束排布形式需要根据不同材料的不同实验结果来设置。
d.对步骤c中得到的材料表面进行激光刻蚀，调节不同的激光刻蚀能量密度，得到具有不同深宽比槽道的表面微结构。具体的微结构槽道深宽比需要根据不同材料基体的不同性质以及液体生成物的性质的来设置；e.检查校验质量，试件制作完成。下面通过两个具体实施例来进一步理解本发明。实施例1:a.对一种碳化硅基体表面进行抛光，达到便于将碳化硅纤维或碳化硅纤维束更紧密地布置、粘接在基体材料的表面；b.将碳化硅纤维束布置、粘接在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维束的基体，本例中碳化硅纤维束的直径为200 之间，硅纤维束布置方式采用平行布置；c.将步骤b中的带有碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积室中，对表面进行碳化硅的化学气相沉积，沉积厚度为300 m ;d.对步骤c中得到的材料表面进行激光刻蚀，激光刻蚀能量密度为2500mJ/s，刻蚀速度为10mm/s，得到的微结构槽道深度为IOOiim,宽度为IOOiim,深宽比为1:1 ;e.检查校验质量，试件制作完成。图2a和图2b为在碳化硅材料表面制备出的微结构效果图。实施例2: a.对一种碳-碳化娃基体表面进行抛光,达到便于将碳化娃纤维或碳化娃纤维束更紧密地布置、粘接在基体材料的表面，保证步骤b的顺利进行；b.将碳化硅纤维束布置、粘接在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维束的基体，本例中碳化硅纤维束的直径为100 之间，硅纤维束布置方式采用竖直布置；c.将步骤b中的带有碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积室中，对表面进行碳化硅的化学气相沉积，沉积厚度为150 m ;d.对步骤c中得到的材料表面进行激光刻蚀，激光刻蚀能量密度为2800mJ/s，刻蚀速度为8mm/s，得到的微结构槽道深度为150iim，宽度为100 ym，深宽比为1.5:1 ;e.检查校验质量，试件制作完成。图3a和图3b为在碳-碳化硅材料表面制备出的微结构制备效果图。
权利要求
1.一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法，所述材料以碳化硅或碳-碳化硅为基体，其特征在于该方法包括如下步骤: 1)对碳化娃或碳-碳化娃基体表面进行抛光； 2)将碳化硅纤维或碳化硅纤维束布置、粘接在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体； 3)将步骤2)中的带有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积室中，对表面进行碳化硅的化学气相沉积； 4)对步骤3)中得到的材料表面进行激光刻蚀，得到具有不同深宽比槽道的表面微结构。
2.按照权利要求1所述的一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法，其特征在于:在步骤2)中所述的碳化硅纤维束的直径在100-300 u m之间。
3.按照权利要求1所述的一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面结构制备方法，其特征在于:在步骤2)中碳化硅纤 维或碳化硅纤维束的布置形式采用平行或竖直布置。
全文摘要
一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。本发明的技术特点是通过在抛光的材料基体表面附着一定尺寸的碳化硅纤维或碳化硅纤维束，通过化学沉淀后用激光刻蚀方法在材料表面制备出微结构图样。通过控制碳化硅纤维或碳化硅纤维束的尺寸以及激光刻蚀功率，可以得到不同深宽比的表面微结构槽道。该槽道在高温烧蚀条件下能盛装材料表面生成的液态反应物，阻止其被高速气流冲刷流失，进而阻隔燃气、氧气向基体内部扩散，从而提高材料的高温抗氧化烧蚀性能。该发明是基于具体实验分析结果得到，可通过增强材料的高温抗氧化烧蚀性能来提高材料结构件的高温服役时间及高温服役性能。
文档编号C04B41/80GK103145445SQ20131009256
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者冯雪, 方旭飞 申请人:清华大学