C/C飞机刹车材料外场防氧化修复涂层的制备及性能

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碳/碳复合材料(C/C)刹车盘有着质量轻、高比强度、低热膨胀系数(CTE)、优异的摩擦磨损性能等内在优势,已逐渐取代飞机制动系统中的金属制动盘。在正常着陆条件下,飞机制动盘的温度在600~800℃之间,当飞机在过载或中止起飞状态下着陆时会达到1100℃。但是C/C复合材料在大气环境中的初始氧化温度为400℃,且随着温度的升高氧化速率急剧加快。这种高温下的急速氧化会导致其力学性能和摩擦性能下降,严重影响飞机制动的可靠性和稳定性。因此,必须对C/C进行防氧化保护。目前国内外普遍采用磷酸盐体系涂层对C/C飞机刹车盘非摩擦面进行表面处理。但是,C/C飞机刹车盘在运输、装备、拆卸和维护的过程中不可避免地会出现磕碰和碰撞等,导致涂层破损而使其氧化失效,影响服役安全性,制约了C/C飞机刹车盘的正常使用。重新制备涂层需要刷涂和高温热处理(700~900℃),不仅周期长而且耗资大。尤其是在外场使用和维护过程中,没有专用的高温热处理设备,因此发展涂层在线修复技术十分重要。外场修复涂层可直接对涂层受损部位进行在线修复,且无需特制的设备,涂料涂刷后仅需烘干处理,无需高温热处理,便于外场实施。本文采用涂刷法制备双层体系修复涂层,研究不同软化点玻璃体系的防氧化性能,采用添加铅玻璃、铋玻璃、B4C的硼硅玻璃作为涂层原料,制备具有不同服役温度区间的在线修复涂层。研究了涂层中各组分起防护作用的温度区间和作用机理,建立了修复涂层的结构演变模型。主要研究结果如下:(1)设计了C/C飞机刹车材料在线修复涂层的涂层结构。第一层为陶瓷先驱体过渡层,其目的是提高C/C与硼硅玻璃之间的润湿性。第二层为硼硅酸盐玻璃-B4C层。(2)研究了不同陶瓷先驱体过渡层的抗氧化性能,制备了不同陶瓷先驱体的过渡层。其中抗氧化性能最优的为PSN。当过渡层厚度为~2μm,固化后,PSN陶瓷先驱体能在C/C表面上形成一层薄膜。(3)研究了B4C含量对修复涂层在700~900℃抗氧化性能的影响,建立了700℃动态结构变化模型。B4C含量最优值为25 wt.%,氧化10 h后,在700℃时的质量损失为-3.1%,在900℃时的重量损失为-2.9%。随着B4C的含量从5 wt.%增加到25 wt.%,涂层的抗氧化性提高。修复涂层中B4C含量随氧化温度的增加,在700~900℃内能迅速氧化形成B2O3玻璃。(4)研究了不同温度下PSN/硼硅玻璃-B4C修复涂层各组分作用温度区间。在500℃,PSN具有短时有效的防氧化性能。温升达到600℃,B4C氧化生成B2O3玻璃相原位修复涂层内部裂纹缺陷。在700~900℃,硼硅玻璃开始软化,并形成致密涂层。(5)研究了玻璃组分对硼硅玻璃修复涂层抗氧化性能的影响。通过添加铋玻璃或铅玻璃对涂层抗氧化性能进行调控。添加铋玻璃的修复涂层,玻璃体系会产生大量相分离,无法形成有效抗氧化涂层,在500℃氧化10 h的质量损失为12.01%。然而添加铅玻璃的涂层表现出优异的防氧化能力,在500℃氧化10 h氧化失重为-3.41%。相同氧化时间下,纯C/C的氧化失重为23.32%。确定的最佳涂层组分为添加至~20 wt.%铅玻璃含量的硼硅玻璃-B4C修复涂层。
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