一种碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法和应用

本发明属于防护涂层，涉及一种碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法和应用。

背景技术：

1、c/c复合材料由于具备轻质高强的特征与优异的高温力学性能，被视为航空航天领域飞行器热端部件极佳的热结构候选材料。然而，在面临极端热力腐蚀环境下，全碳质组成的c/c复合材料会发生严重氧化刻蚀，引发急剧的强度下降与结构失效。避免这一现象发生的有效方式是涂层技术，其中，与c/c复合材料具有良好物理化学相容性的si-sic涂层是一种突出的氧化防护材料，具备近净成形特点的激光熔覆方法是si-sic涂层的理想制备手段。

2、相较于基体与涂层间因界面处原子相互扩散而形成的冶金结合，不易熔化的c/c复合材料只能与si-sic涂层间形成机械结合，其结合强度偏低，难以抵御服役环境下的焰流冲刷。因此，如何防止si-sic激光熔覆层的烧蚀冲刷失效，是当前的研究重点之一。

3、文献一“liu teng,xiao-hong shi,han-hui wang,et al.a new method toimprove the laser-ablation resistance of si-sic coating on c/c composites:laser cladding[j].journal of the european ceramic society,2022,42(14):6425-6434.”通过对比激光熔覆法与包埋法在c/c复合材料表面制得的si-sic涂层，证明了激光熔覆法能够显著降低涂层表面粗糙度并避免对基体的力学性能损伤，且制得涂层的耐高温性能突出，是一种理想的涂层制备方法。

4、文献二“han-hui wang,he-jun li,xiao-hong shi,et al.repair of siccoating on carbon/carbon composites by laser cladding technique[j].ceramicsinternational,2020,46:19537-19544.”提出利用激光熔覆技术制备的si-sic涂层可成功为c/c复合材料基体提供高温有氧防护，但由于c/c复合材料基体在激光辐照过程始终保持固相状态，与si-sic涂层间呈现强度较低的机械结合，涂层在该结合强度下难以抵抗氧乙炔焰流的烧蚀冲刷。

5、文献三“fujun wang,huaidong mao,dawei zhang,et al.the crack controlduring laser cladding by adding the stainless steel net in the coating[j].applied surface science,2009,255(21):8846-8854.”公开了一种通过向涂层内部加入不锈钢网来抑制激光熔覆过程裂纹产生的方法，该研究证实网格结构的引入能够降低涂层脆性，发挥增强效果。然而，该文献未明确不锈钢网的制造方法，且在实际使用前需进行退火处理与酸洗处理，增大技术难度。一种一步成形的网格制备技术有待开发。

6、文献四“ling-jun guo,jian peng,chen guo,et al.ablation performance ofsupersonic atmosphere plasma sprayed tungsten coating under oxyacetylenetorch and plasma torch[j].vacuum,2017,143:262-270”证明了w与sic涂层的结合使用能够为c/c复合材料基体提供有效的氧乙炔焰烧蚀防护，且在高温下w与碳材料反应并生成wc，该化学反应可增强涂层的界面结合强度。

7、因此，本专利提出一种c/c复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法，通过在si-sic涂层内部构建w网格结构，缓解涂层在氧乙炔焰流烧蚀冲刷下的快速失效，有效延长涂层对c/c复合材料基体的防护寿命。截至目前，该研究还未见报道。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法和应用，优化si-sic涂层在氧乙炔焰烧蚀下对c/c复合材料基体的防护效果。

3、本发明首先，采用激光选区熔化技术在c/c复合材料表面制备金属w网格，提升涂层整体的结合强度与耐冲刷能力。随后，在网格结构及基体表面通过激光熔覆方法制备si-sic涂层，实现对w网格与c/c复合材料基体的完整覆盖，通过将网格结构与基体同外界氧气隔绝，达成高温有氧防护功能。

4、总体而言，该发明在保证si-sic涂层抗高温氧化性能的同时，引入网格结构提升了涂层整体的结合强度与抗烧蚀能力，解决了c/c复合材料表面si-sic激光熔覆层的不耐气流冲刷问题，避免了氧乙炔焰烧蚀引发的基体裸露失效现象，拓展了si-sic激光熔覆层的实际应用范围，对于飞行器热结构部件防护的发展呈有益作用。

5、技术方案

6、一种碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层，包括si-sic涂层；其特征在于：碳/碳复合材料表面设有金属w网格，si-sic涂层通过激光熔覆于w网格结构及碳/碳复合材料基体表面；利用w的高熔点以及w与c间的原位反应，增强涂层整体的耐冲刷能力与界面结合强度，提升w网格结构增强si-sic涂层的抗烧蚀性能。

7、所述金属w网格采用正方形网格结构。

8、所述正方形网格结构的网格间距0.4～1mm。

9、一种采用激光熔覆方法制备所述碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层的方法，其特征在于步骤如下：

10、步骤1：将c/c复合材料的涂层待制备表面加工为平整表面，以便于后续激光选区熔化环节中机器铺粉；

11、步骤2、w网格结构的制造：

12、以球形w粉末为原材料，采用激光选区熔化设备沿c/c复合材料平整表面进行网格结构的增材制造；

13、所述激光选区熔化参数为功率250-350w，激光扫描速度200-350mm/s，光斑直径50-80μm。

14、步骤3、si-sic涂层的制备：

15、将si粉、sic粉与c粉混合后的原料粉末分散于无水乙醇溶剂中，经1-3h磁力搅拌后制得si-sic涂层料浆，并涂刷于w网格及c/c复合材料基体表面，随后，将涂刷料浆后的试样置于60-100℃环境中烘干处理0.5-1.5h，以去除溶剂；

16、在氩气气氛下，使用光纤激光器辐照表面粉末，完成激光熔覆处理并获得w网格结构增强si-sic涂层，其中，激光熔覆参数为功率300-400w，扫描速度2-4mm/s，光斑直径4-5mm；

17、得到碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层。

18、所述w粉末的粒径为100-300目的球形w粉末。

19、所述si粉、sic粉与c粉的比例为50-70wt.％的si粉、15-30wt.％的sic粉与5-15wt.％的c粉。

20、所述si粉、sic粉与c粉的粉末粒径均为100-300目。

21、所述si粉、sic粉与c粉采用球磨混合1-3h。

22、一种所述碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层的烧蚀考核方法，其特征在于：对si-sic涂层与w网格结构增强si-sic涂层进行氧乙炔焰烧蚀测试，其中，氧乙炔焰热流密度为2400kw/m2，烧蚀时长为60s。

23、一种所述碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层的应用，其特征在于：w网格增强si-sic激光熔覆层应用于飞行器发动机及热力冲蚀环境下结构部件的高温有氧防护。

24、有益效果

25、本发明提出的一种碳/碳复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法和应用，采用激光选区熔化技术，在碳/碳复合材料表面增材制造金属w网格，两者界面处通过w与c间原位反应形成化学结合，提升界面结合强度；利用激光熔覆方法，在w网格结构及碳/碳复合材料基体表面制备si-sic涂层，该涂层结构致密，可实现外界氧气同网格、基体的阻隔作用，具备高温有氧防护功能。相较于传统si-sic涂层，本发明提出的w网格结构增强si-sic涂层能够在氧乙炔焰的烧蚀冲刷下，借助高熔点网格结构的强界面结合、耐极端高温与阻挡熔体流动特性，有效提升涂层试样在高温焰流冲刷下的稳定性，延缓c/c复合材料基体的裸露失效，涂层的抗烧蚀性能随之增强。因此，本发明克服了c/c复合材料表面si-sic激光熔覆层结合强度低、不耐气流冲刷的缺点，提供了w网格增强si-sic激光熔覆层应用于飞行器发动机的可行性，对于热力冲蚀环境下结构部件的高温有氧防护具有重要借鉴意义和实用价值。

26、本发明提出一种c/c复合材料表面网格结构增强抗烧蚀涂层及制备方法。以球形w粉末为原料，采用激光选区熔化技术在c/c复合材料平整表面增材制造网格结构；以si、sic、c粉末为原料，采用激光熔覆技术在w网格及c/c复合材料基体表面制备si-sic涂层，最终获得w网格结构增强si-sic涂层。相较于si-sic涂层，经网格结构增强的si-sic涂层抗烧蚀性能增强的原因包括两方面：首先，由于w熔点(3410℃)远高于涂层中的si组分(1410℃)，当烧蚀温度介于两者熔点之间时，逐渐熔化的涂层会在氧乙炔焰流冲刷下发生流动，而未熔的w网格能够阻挡熔体流动，避免因涂层流动消耗导致的基体裸露，有效发挥网格结构对si-sic涂层的抗烧蚀性能增强作用；其次，在激光增材制造过程中，网格底层的熔融w会与c/c复合材料接触并反应生成wc，界面处化学结合的存在能够显著提高w网格的结合强度，进一步增强si-sic涂层的抗焰流冲刷能力。与此同时，涂层中的si与sic组分能够在高温烧蚀过程氧化生成高熔点且致密的sio2玻璃膜，其覆盖于试样表面，提高试样的耐高温气流冲蚀能力。在涂层的激光熔覆制备时，原材料中c粉末的存在使其可以与si反应生成更多高熔点sic，低熔点si组分占比的降低同样能够增强试样的抗烧蚀能力。

27、表1比较了si-sic涂层试样与w网格结构增强si-sic涂层试样经氧乙炔焰烧蚀考核后的质量烧蚀率。从中发现，si-sic涂层试样的质量烧蚀率为正值，说明该涂层在烧蚀过程中质量逐渐下降，即涂层在氧乙炔焰流冲刷下发生损失消耗；而w网格结构增强si-sic涂层试样的负质量烧蚀率来源于氧化反应引发的涂层增重，换言之，该涂层的烧蚀质量损失明显小于si-sic涂层，呈现更强的耐高温气流冲刷能力。结合图4可知，si-sic涂层试样经烧蚀后出现涂层的显著减薄与c/c复合材料基体的裸露，w网格结构增强si-sic涂层试样虽已局部暴露网格结构，但基体仍受良好保护，证明网格结构的引入能够增强涂层的抗烧蚀性能，有利于飞行器热结构部件的烧蚀防护。

28、表1si-sic涂层试样与w网格结构增强si-sic涂层试样的质量烧蚀率

29、