一种多层包覆结构的熔渗剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及熔渗剂技术领域，尤其涉及一种多层包覆结构的熔渗剂及其制备方法。


背景技术：

2.随着航空发动机涡轮工作温度的不断提高，针对发动机的环境要求越来越严苛，美国最新的航空发动机已经采用陶瓷基复合材料作为最新一代发动机的高温结构材料，因此国内亟需开展应用在航空发动机领域中的陶瓷基复合材料的制备研究。
3.陶瓷基复合材料的制备方法有很多种工艺路线，其中反应熔渗法因具有制备速度快、成品孔隙率低、可近净成型、可连续大批量生产等优点成为了国内外相关单位主要研究的工艺路线。其中，熔渗剂作为能够提高熔体与基体浸润性的助剂，在高致密陶瓷基复合材料的制备过程和大型复杂构件的成型过程中均起着非常重要的作用。然而，现有的熔渗剂如金属zr、si等，在高温下均存在润湿性不佳的问题，而影响最终陶瓷基复合材料的致密度。因此，如何制备能够提高熔体高温润湿性的熔渗剂成为制备高致密度陶瓷基复合材料亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多层包覆结构的熔渗剂及其制备方法，本发明提供的制备方法制备的多层包覆结构的熔渗剂具有双层结构，并且润湿性好。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.本发明提供了一种多层包覆结构的熔渗剂的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)将陶瓷粉末和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末；
8.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末进行气相沉积，得到多层包覆结构的熔渗剂；所述气相沉积的气氛为丙烯、氢气和氩气。
9.优选地，所述步骤(1)中陶瓷粉末和碳粉的质量比为(1～2)：1。
10.优选地，所述步骤(1)中的陶瓷粉末包括碳化硅sic、碳化锆zrc和碳化钽tac中的一种或几种。
11.优选地，所述步骤(1)中球磨混合的球磨介质为乙醇和水的混合物，所述乙醇和水的质量比为1：(1.2～1.4)。
12.优选地，所述步骤(1)中陶瓷粉末和碳粉的总质量与球磨介质的质量之比为1：(1～2)。
13.优选地，所述步骤(1)中球磨混合的转速为500～800r/min，球磨混合的时间为18～36h。
14.优选地，所述步骤(1)中球磨混合的球料比为(1～3)：1。
15.优选地，所述步骤(2)中气相沉积的温度为850～1050℃。
16.优选地，所述步骤(2)中丙烯、氢气和氩气的体积比为1：(2～5)：5。
17.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多层包覆结构的熔渗剂，所述多层包覆结构的熔渗剂包括陶瓷层和包覆于所述陶瓷层表面的碳层。
18.本发明提供了一种多层包覆结构的熔渗剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将陶瓷粉末和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末；(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末进行气相沉积，得到多层包覆结构的熔渗剂；所述气相沉积的气氛为丙烯、氢气和氩气。本发明以陶瓷粉末和碳粉为原料，先通过球磨混合制得混合粉末，碳粉作为气相沉积制备碳层的形核点，有利于提高沉积的均匀性和效率；再以丙烯、氢气和氩气作为沉积气氛进行气相沉积，在陶瓷层表面沉积碳层，从而降低了熔渗剂的表面张力，提高了熔渗剂的润湿性，并且气相沉积氛围中的气体分子可以渗入小缝隙中实现碳层的均匀沉积，进而制得了具有多层包覆结构的熔渗剂，可以有效改善高温状态下熔体材料的润湿性能，提高熔体对预制体内部的填充性，降低材料的孔隙率。实施例的结果显示，本发明提供的制备方法制备的多层包覆结构的熔渗剂具有双层结构，并且填充性好。
附图说明
19.图1为本发明实施例1制备的多层包覆结构的熔渗剂的表面sem图；
20.图2为本发明实施例2制备的多层包覆结构的熔渗剂的sem图；
21.图3为本发明实施例3制备的多层包覆结构的熔渗剂的sem图；
22.图4为本发明实施例1制备的多层包覆结构的熔渗剂的xrd图；
23.图5为本发明实施例1制备的多层包覆结构的熔渗剂的截面sem图。
具体实施方式
24.本发明提供了一种多层包覆结构的熔渗剂的制备方法，包括以下步骤：
25.(1)将陶瓷粉末和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末；
26.(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末进行气相沉积，得到多层包覆结构的熔渗剂；所述气相沉积的气氛为丙烯、氢气和氩气。
27.本发明将将陶瓷粉末和碳粉进行球磨混合，得到混合粉末。本发明以陶瓷粉末和碳粉为原料，并通过球磨使二者混合均匀，碳粉作为气相沉积制备碳层的形核点，有利于提高沉积的均匀性和效率。
28.在本发明中，所述陶瓷粉末和碳粉的质量比优选为(1～2)：1，更优选为1:1。本发明优选将所述陶瓷粉末和碳粉的质量比控制在上述范围内，有利于碳层的沉积，从而降低熔渗剂的表面张力，得到润湿性好的熔渗剂。
29.在本发明中，所述陶瓷粉末优选包括碳化硅sic、碳化锆zrc和碳化钽tac中的一种或几种，更优选为碳化硅sic和/或碳化锆zrc。
30.本发明对所述陶瓷粉末和碳粉的来源和粒径没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
31.在本发明中，所述球磨混合的球磨介质优选为乙醇和水的混合物。在本发明中，所述乙醇和水的质量比优选为1：(1.2～1.4)，更优选为1：(1.2～1.3)。本发明优选采用乙醇和水的混合物作为溶剂，乙醇毒性低。在本发明中，所述水优选为去离子水。
32.在本发明中，所述陶瓷粉末和碳粉的总质量与球磨介质的质量之比优选为1：(1～
2)，更优选为1：(1.5～2)。
33.在本发明中，所述球磨混合的转速优选为500～800r/min，更优选为700～800r/min；所述球磨混合的时间优选为18～36h，更优选为24～36h。在本发明中，球磨所用设备优选为球磨罐。
34.在本发明中，所述球磨混合的球料比优选为(1～3)：1，更优选为(2～3)：1。在本发明中，所述球磨所用研磨球的材质优选为氧化锆。
35.球磨混合完成后，本发明优选将所述球磨得到的产物依次进行抽滤、烘干和过筛，得到混合粉末。本发明优选通过抽滤将球磨介质与粉体分离，然后通过烘干去除粉体表面的溶剂，以便后续气相沉积的进行。
36.本发明对所述抽滤、烘干和过筛的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的抽滤、烘干和过筛的技术方案即可。
37.在本发明中，所述抽滤的次数优选为1～2次，更优选为1次。在本发明中，所述抽滤所用漏斗优选为布氏漏斗。
38.在本发明中，所述烘干的温度优选为80～85℃，更优选为80～82℃；所述烘干的时间优选为12～14h，更优选为12h。本发明优选将所述烘干的时间和温度控制在上述范围内，在去除粉体表面溶剂的同时又不浪费能源。在本发明中，所述烘干所用干燥箱优选为鼓风干燥箱。
39.在本发明中，所述过筛所用筛网的目数优选为200～500目，更优选为200～300目。
40.得到粉末后，本发明将所述粉末进行气相沉积，得到多层包覆结构的熔渗剂。本发明以丙烯、氢气和氩气作为沉积气氛进行气相沉积，在陶瓷层表面沉积碳层，从而降低了熔渗剂的表面张力，提高了熔渗剂的润湿性，并且气相沉积氛围中的气体分子可以渗入小缝隙中实现碳层的均匀沉积，进而制得了具有多层包覆结构的熔渗剂，可以有效改善高温状态下熔体材料的润湿性能。
41.在本发明中，所述气相沉积的温度优选为850～1050℃，更优选为900～980℃。本发明优选将所述气相沉积的温度控制在上述范围内，有利于碳层的沉积。
42.在本发明中，所述气相沉积的气氛为丙烯、氢气和氩气。本发明以丙烯、氢气和氩气为沉积气氛，丙烯用于气相沉积制备碳层，氢气和氩气作为保护气体，防止碳层氧化。
43.在本发明中，所述丙烯、氢气和氩气的体积比优选为1：(2～5)：5，更优选为1：(2～3)：5。
44.在本发明中，所述气相沉积的时间优选根据沉碳层的厚度决定，更优选为5～6h。
45.在本发明中，所述气相沉积过程中粉末的装填方式优选为：将粉末铺平放入气相沉积所用工装中，再轻轻震实。在本发明中，所述震实过程中切记不可压实粉末，因为压实粉末会出现粉末堆积形成的闭孔，不利于进行气相沉积镀层。在本发明中，所述气相沉积所用设备优选为气相沉积炉。
46.气相沉积完成后，本发明优选将所述气相沉积得到的产品依次进行过筛和烘干，得到多层包覆结构的熔渗剂。在本发明中，所述过筛所用筛网的目数优选为200～400目。在本发明中，所述烘干的温度优选为60～85℃，更优选为65～75℃；所述烘干的时间优选为6～20h，更优选为8～12h。
47.本发明以陶瓷粉末和碳粉为原料，先通过球磨混合制得混合粉末，碳粉作为气相
沉积制备碳层的形核点，有利于提高沉积的均匀性和效率；再以丙烯、氢气和氩气作为沉积气氛进行气相沉积，在陶瓷层表面沉积碳层，从而降低了熔渗剂的表面张力，提高了熔渗剂的润湿性，并且气相沉积氛围中的气体分子可以渗入小缝隙中实现碳层的均匀沉积，进而制得了具有多层包覆结构的熔渗剂，可以有效改善高温状态下熔体材料的润湿性能，提高熔体对预制体内部的填充性，降低材料的孔隙率。
48.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多层包覆结构的熔渗剂，所述多层包覆结构的熔渗剂包括陶瓷层和包覆于所述陶瓷层表面的碳层。在本发明中，所述陶瓷层的成分与原料中陶瓷粉末的成分相同。
49.在本发明中，所述陶瓷层的厚度优选为0.5～40μm，更优选为1～10μm；所述碳层的厚度优选为5～30μm，更优选为5～10μm。
50.本发明提供的多层包覆结构的熔渗剂具有良好的润湿性以及填充性。
51.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.实施例1
53.(1)将碳化硅sic粉末与碳粉按2:1的质量比放入球磨罐内，并加入乙醇和去离子水的混合物进行混合，然后在球磨罐内加入氧化锆研磨球，进行球磨，球磨罐转速为800r/min，球磨24h，得到悬浊液；其中，碳化硅sic粉末和碳粉的总质量、溶剂的质量和研磨球的质量之比为1：1：2，乙醇和去离子水的质量比为1：1.2；
54.(2)将步骤(1)得到的悬浊液经布氏漏斗抽滤后放入鼓风干燥箱中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干12h，过200目筛，得到粉末；
55.(3)将步骤(2)得到的粉末平整铺平放入在气相沉积的工装中，铺平展开，轻轻震实粉末，切记不可压实粉末；然后将装有粉末的工装放入气相沉积炉中进行气相沉积，沉积温度为900℃，通入沉积气氛的比例为丙烯：氢气：氩气＝1：3：5，沉积5h，然后过200目筛，并在70℃下烘干8h，得到多层包覆结构的熔渗剂，陶瓷层的厚度为20μm，碳层的厚度为5μm。
56.图1为本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的表面sem图。由图1可以看出，本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的内部填充性好，碳层均匀沉积在陶瓷层表面，进而降低了陶瓷层的表面张力，使其具有良好的润湿性。
57.图4为本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的xrd图。由图4可以看出，本发明制备的多层包覆结构的熔渗剂中含有sic和c。
58.图5为本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的截面sem图。由图5可以看出，本发明制备的多层包覆结构的熔渗剂的内部呈双层结构。
59.实施例2
60.(1)将碳化锆zrc粉末与碳粉按1:1的质量比放入球磨罐内，并加入乙醇和去离子水的混合物进行混合，然后在球磨罐内加入氧化锆研磨球，进行球磨，球磨罐转速800r/min，球磨36h，得到悬浊液；其中，碳化锆zrc粉末和碳粉的总质量、溶剂的质量和研磨球的质量之比为1：1.5：2，乙醇和去离子水的质量比为1：1.2；
61.(2)将步骤(1)得到的悬浊液经布氏漏斗抽滤后放入鼓风干燥箱中进行烘干，烘干
温度为80℃，烘干12h，过200目筛，得到粉末；
62.(3)将步骤(2)得到的粉末平整铺平放入在气相沉积的工装中，铺平展开，轻轻震实粉末，切记不可压实粉末；然后将装有粉末的工装放入气相沉积炉中进行气相沉积，沉积温度为980℃，通入沉积气氛的比例为丙烯：氢气：氩气为1：2：5，沉积5h，然后过200目筛，并在70℃下烘干8h，得到多层包覆结构的熔渗剂，陶瓷层的厚度为20μm，碳层的厚度为10μm。
63.图2为本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的sem图。由图2可以看出，本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的内部填充性好，碳层均匀沉积在陶瓷层表面，进而降低了陶瓷层的表面张力，使其具有良好的润湿性。
64.实施例3
65.(1)将碳化硅sic粉末与碳粉按1:1的质量比放入球磨罐内，并加入乙醇和去离子水的混合物进行混合，然后在球磨罐内加入氧化锆研磨球，进行球磨，球磨罐转速700r/min，球磨18h，得到悬浊液；其中，碳化硅sic粉末和碳粉的总质量、溶剂的质量和研磨球的质量之比为1：2：3，乙醇和去离子水的质量比为1：1.2；
66.(2)将步骤(1)得到的悬浊液经布氏漏斗抽滤后放入鼓风干燥箱中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干12h，过200目筛，得到粉末；
67.(3)将步骤(2)得到的粉末平整铺平放入在气相沉积的工装中，铺平展开，轻轻震实粉末，切记不可压实粉末；然后将装有粉末的工装放入气相沉积炉中进行气相沉积，沉积温度在900℃，通入沉积气氛的比例为丙烯：氢气：氩气为1：5：5，沉积5h，然后过200目筛，并在70℃下烘干8h，得到多层包覆结构的熔渗剂，陶瓷层的厚度为10μm，碳层的厚度为10μm。
68.图3为本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的sem图。由图3可以看出，本实施例制备的多层包覆结构的熔渗剂的内部填充性好，碳层均匀沉积在陶瓷层表面，进而降低了陶瓷层的表面张力，使其具有良好的润湿性。
69.由以上实施例可以看出，本发明提供的制备方法制备的熔渗剂具有双层结构，并且润湿性好，可以有效改善高温状态下熔体材料的润湿性能，提高熔体对预制体内部的填充性，降低材料的孔隙率。
70.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。