【摘 要】
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先进树脂基复合材料的综合性能与金属合金相媲美,应用于航天航空领域,既可满足对力学性能的要求,也可以减轻结构质量,提高推重比,但是其耐高温冲蚀性能较差。热障涂层(TBCs)因出色的隔热、抗氧化等性能成为高性能发动机机中不可或缺的组成部分。因此本文开展了树脂基复合材料防护涂层制备技术研究,利用爆炸喷涂技术在碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料上制备了结合强度高、抗高温气流冲刷性能好的陶瓷防护涂层YSZ(X
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先进树脂基复合材料的综合性能与金属合金相媲美,应用于航天航空领域,既可满足对力学性能的要求,也可以减轻结构质量,提高推重比,但是其耐高温冲蚀性能较差。热障涂层(TBCs)因出色的隔热、抗氧化等性能成为高性能发动机机中不可或缺的组成部分。因此本文开展了树脂基复合材料防护涂层制备技术研究,利用爆炸喷涂技术在碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料上制备了结合强度高、抗高温气流冲刷性能好的陶瓷防护涂层YSZ(X)。通过设计低熔点金属层作为底层,保证涂层与复材界面较好的润湿铺展,实现涂层结合强度高的目的,Ni Co Cr Al Y层为中间层起到应力缓冲的作用,含有烧蚀相的YSZ层为抗烧蚀面层的三层梯度复合体系,达到制备涂层具有低结合强度、热匹配良好以及抗烧蚀性能优异等优点的目的。研究结果表明:温度场及应力场模拟分析表明,0.4mm厚的YSZ(X)涂层完全可以实现防护基体不热损伤的功效,但在考虑到涂层应力分布的匹配,很有必要降低涂层厚度。经过喷砂预处理后涂层结合强度最高可达13.72MPa,比原始基体结合强度4.66MPa提高了195.1%。采取正面预热加背面缓冷的处理方式获得的涂层平均结合强度最高为12.23MPa。Al金属做为底层涂层最为优异。相对于Cu、Zn粉末,Al粉末颗粒呈球形或椭圆形形貌,颗粒分散性良好,热稳定优良。在复材表面制备Al涂层,表面形貌致密、无起皮或裂纹,截面组织较为致密,与界面结合较好,无烧损和界面裂纹现象。Cu底层截面组织内部存在氧化烧蚀现象,对基体热损伤严重。相对于Cu涂层,Al涂层和Zn涂层表面粗糙度较低,但Al与基体的结合强度却为最高,达到了8.63MPa,Zn次之,Cu结合强度仅仅为1.35MPa。抗烧蚀热障陶瓷基面层选4#粉末,其成分配比比较合适,颗粒球形度好、致密光滑,粒度分布在30μm~45μm之间,热稳定良好,松比密度和流动性满足喷涂要求。结合喷砂预处理和正面预热加背面缓冷的前处理方法,以Al为底层,制备的复合涂层,结合强度最高达到了16.60MPa。对比不同面层厚度的涂层,Al-0.1mm+Ni Co Cr Al-0.1mm+YSZ(X)-0.3mm厚度涂层具有优异的层间热匹配性能及与复材界面结合性能。制备涂层过程中基体表面无热损伤,涂层截面组织均匀,各层间界面结合紧密。800℃高温冲击的抗烧蚀时间为328s,面层出现了大量的孔洞甚至坍塌,金属层孔隙有所减少,组织变得更加致密。烧蚀后涂层结合强度比烧蚀前降低了63.07%,在500℃至800℃高温实验过程中具有较好的吸热能力和体积稳定性,其热导率接近于常规纯YSZ,但平均密度约3.355 g/cm3比常规YSZ降低了约28.4%左右,表明在获得相同的隔热效果时,本研究制备的涂层质量更轻,对航空发动机更具发展前景。
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