高温金属碳化物涂层的制作方法

1.本公开涉及高温涂层。


背景技术：

2.碳-碳(c/c)复合材料可被用于高温应用中。例如，航空航天工业采用c/c复合材料部件作为商用和军用飞行器的摩擦材料，诸如制动器摩擦材料。在高温应用中，c/c复合材料可能易受氧化的影响，这可能导致物理机械特性的恶化。


技术实现要素：

3.本公开描述了用于碳-碳(c/c)复合材料基底的保护免于在高温下氧化的高温涂层，以及制备所述涂层的技术。在一些示例中，高温涂层包括在c/c复合材料基底的表面上的金属碳化物的富金属抗氧化剂层。在金属碳化物的形成期间，碳基底可与金属(诸如硅、钛或钨)以化学计量过量反应。碳粉末可用于增强连续涂层的形成。碳粉末在c/c复合材料基底的表面处具有与c/c复合材料基底基本上相同的组成和形态，诸如微结构和相组成。例如，碳粉末可由c/c复合材料基底的表面生成，诸如通过研磨，或与c/c复合材料基底匹配并施加到该c/c复合材料基底的表面。可迫使碳粉末进入c/c复合材料基底的表面的一个或多个表面空隙中，并连同c/c复合材料基底的表面部分一起与金属反应。所得金属碳化物可由表面空隙中的碳粉末的碳和c/c复合材料基底的表面部分的碳两者形成，并且可延伸到表面空隙中将表面空隙与c/c复合材料基底上的金属碳化物的部分桥接，以形成基本上不含缺陷的具有高质量均匀结晶金属碳化物的致密抗氧化剂涂层。可将富金属抗氧化剂层施加到相对大的部件，对于这些部件，形成基本上不含缺陷的金属碳化物涂层可能是困难的或昂贵的。
4.在一个示例中，用于形成高温涂层的方法包括将碳粉末施加到碳/碳(c/c)复合材料基底的表面，以迫使碳粉末进入c/c复合材料基底的表面的一个或多个表面空隙中。碳粉末具有与c/c复合材料基底的表面部分基本上相同的组成和形态。该方法包括在施加碳粉末之后将金属浆料施加到c/c复合材料基底的表面，并使金属浆料的金属与碳粉末的碳和c/c复合材料基底的表面部分的碳反应，以在c/c复合材料基底上形成金属碳化物的富金属抗氧化剂层。
5.在另一示例中，高温制品包括碳/碳(c/c)复合材料基底和在c/c复合材料基底的表面上的高温涂层。该高温涂层包括在c/c复合材料基底的表面上的金属碳化物的富金属抗氧化剂层。该富金属抗氧化剂层的金属碳化物由碳粉末的碳和c/c复合材料基底的表面部分的碳形成。碳粉末具有与c/c复合材料基底的表面部分基本上相同的组成和形态。富金属抗氧化剂层延伸到c/c复合材料基底的表面的一个或多个表面空隙中，并且可能能够在相对较大的基底上形成无缺陷金属碳化物涂层。
6.本公开的一个或多个示例的细节在以下附图和说明书中阐述。本公开的其他特征、目的和优点将从描述和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
7.图1是示出根据本公开的示例的示例性飞行器制动器组件的示意图，其包括具有形成的高温涂层的复合材料制动盘。
8.图2是示出根据本公开的示例的包括高温涂层的示例性制品的横截面侧视图。
9.图3是示出根据本公开的示例的用于形成高温涂层的示例性技术的流程图。
10.图4a是示出根据本公开的示例的包括表面空隙的示例性c/c复合材料基底的一部分的横截面侧视图。
11.图4b是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分的横截面侧视图，其中碳粉末填充表面空隙。
12.图4c是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分的横截面侧视图，其中碳粉末填充表面空隙并且金属浆料在c/c复合材料基底上。
13.图4d是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分以及包括表面空隙的富金属抗氧化剂层的横截面侧视图。
14.图4e是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分以及碳粉末填充富金属抗氧化剂涂层中的表面空隙的第一富金属抗氧化剂层的横截面侧视图。
15.图4f是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分、碳粉末填充富金属抗氧化剂涂层中的表面空隙的第一富金属抗氧化剂层以及富金属抗氧化剂涂层上的金属浆料的横截面侧视图。
16.图4g是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分、富金属抗氧化剂层和外部氧化物层的横截面侧视图。
17.图4h是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分、富金属抗氧化剂层和外部氧化物层的横截面侧视图。
18.图5是示出根据本公开的示例的用于在c/c复合材料基底上形成高温涂层的示例性系统的示意图。
19.图6是根据本公开的示例的包括c/c复合材料基底和高温涂层的示例性制品的横截面的显微照片。
20.图7a是根据本公开的示例的包括c/c复合材料基底和高温涂层的示例性飞行器转子段的外径处的横截面的显微照片。
21.图7b是根据本公开的示例的包括c/c复合材料基底和高温涂层的示例性飞行器转子段的内径处的横截面的显微照片。
22.图7c是根据本公开的示例的包括c/c复合材料基底和高温涂层的示例性飞行器转子段的横截面的显微照片。
23.图8是根据本公开的示例的在各种蒸气压下涂覆以形成高温涂层的示例性c/c复合材料基底的照片。
具体实施方式
24.本公开描述了用于碳-碳(c/c)复合材料制品的高温涂层，其包括c/c复合材料基底和该c/c复合材料基底上的用于超高温度(例如，大于1500摄氏度(℃))应用的由金属碳化物制成的富金属抗氧化剂层。
25.碳-碳复合材料部件可以提供良好的机械特性，并且相对于其他材料(诸如金属合金)具有低质量密度。然而，在高温下，碳-碳复合材料部件可能易受氧化、环境侵蚀和物理机械特性降解的影响。基于金属碳化物的抗氧化剂涂层可以改善在航空航天应用中经历的高温下(诸如飞行器制动器(例如，高达1600℃的温度)和高超音速应用(诸如前缘和火箭喷管)对氧化和/或环境侵蚀的抗性。
26.在用于氧化气氛之前，基于高温碳复合材料的基底可涂覆有基于金属碳化物的抗氧化剂涂层，所述抗氧化剂涂层可减少基底的外表面的氧化。然而，c/c复合材料基底的表面可包括延伸到基底中的一个或多个表面空隙，诸如缺陷、裂缝、孔、波纹或机加工纹理。如果包括表面空隙的c/c复合材料基底的表面部分与金属反应以形成金属碳化物涂层，则所得金属碳化物涂层在c/c复合材料基底上可能是不连续的。
27.本文所述的高温涂层可以包括富金属抗氧化剂层，该富金属抗氧化剂层延伸到c/c复合材料基底的表面空隙中并形成抵抗氧化物质的致密屏障。本发明涂层的富金属抗氧化剂层可以包括金属碳化物相，所述金属碳化物相由金属(诸如硅、钛或钨)与来自c/c复合材料基底的表面部分和表面空隙内的碳粉末两者的反应性碳形成。在与金属反应之前，可以将反应性碳粉末装填到表面空隙中。该碳粉末可具有与c/c复合材料基底的表面部分的碳基体基本上相同的组成和/或形态，使得碳粉末和碳基体可具有基本上类似的反应热力学和动力学。因此，在与金属反应期间，c/c复合材料基底的表面部分的碳和表面空隙内的碳粉末的碳可在基本上相同的温度下并以基本上相同的速率与金属反应以形成均匀的抗氧化剂涂层，所述抗氧化剂涂层将空隙中的金属碳化物与基底的表面部分中的金属碳化物桥接。碳粉末(例如，浆料或干搓)的一种或多种附加应用，以及随后与金属的反应还可进一步修补任何剩余的表面空隙以产生连续的金属碳化物涂层。
28.通过用具有与c/c复合材料基底的表面部分的碳基体相同的组成和/或形态的反应性碳粉末填充表面空隙，与由不具有与c/c复合材料基底的表面部分的碳基体相同的组成和/或形态的碳粉末形成的金属碳化物涂层相比，所得富金属抗氧化剂涂层可具有高均匀性和/或连续性。不包括基本上相同的组成和/或形态的碳粉末可早于或晚于c/c复合材料基底的表面部分的碳基体与金属反应，从而导致金属碳化物相不与由c/c复合材料基底的表面部分形成的金属碳化物固结。例如，在c/c复合材料基底的表面部分与金属反应之前，与金属反应的碳粉末可作为金属碳化物粉末从表面空隙中迁移出，从而使表面空隙未密封。
29.本文所述的高温涂层可以用于各种高温应用中。由于部件在高速、摩擦或燃烧环境中经历高温，故高温涂层可能特别适合于航空航天应用。图1是示出根据本公开的示例的示例性飞行器制动器组件的示意图，其包括具有形成的高温涂层的复合材料制动盘。为了便于描述，将主要关于飞行器制动器组件来描述本公开的示例。然而，本公开的制品可用于形成不是飞行器制动盘的制动器部件，并且用于不是制动器部件的应用。作为一个示例，制动器部件可用作其他类型的制动应用和车辆中的摩擦材料。作为另一示例，制品可用于前缘、高超音速车辆或武器、火箭喷管和涉及高温和氧化环境的其他应用。
30.在图1的示例中，车轮和制动器组件10包括车轮12、致动器组件14、制动器堆叠1 6和轴1 8。车轮12包括轮毂20、车轮支腿凸缘22、胎圈密封件24a和24b、凸耳螺栓26和凸耳螺母28。致动器组件14包括致动器壳体30、致动器壳体螺栓32和柱塞34。制动器堆叠16包括交
替的转子制动盘36和定子制动盘38；转子制动盘36被构造成相对于定子制动盘38移动。转子制动盘36通过梁键40安装在车轮12上，并且特别是轮毂20上。定子制动盘38通过键齿44安装到轴18，并且特别是扭矩管42。车轮和制动器组件10可支撑任何种类的私人、商用或军用飞行器或其他类型的车辆。
31.车轮和制动器组件10包括车轮12，在图1的示例中，车轮12由轮毂20和车轮支腿凸缘22限定。车轮支腿凸缘22可通过凸耳螺栓26和凸耳螺母28机械地附连到轮毂20。车轮12限定胎圈密封件24a和24b。在组装期间，可充气轮胎(未示出)可放置在轮毂20上方并通过车轮支腿凸缘22固定在相对侧上。此后，可将凸耳螺母28紧固在凸耳螺栓26上，并且可充气轮胎可用胎圈密封件24a和24b充气，从而为可充气轮胎提供气密密封。
32.车轮和制动器组件10可经由扭矩管42和轴1 8安装到车辆。在图1的示例中，扭矩管42通过多个螺栓46附连到轴18。扭矩管42支撑致动器组件14和定子制动盘38。轴1 8可安装在起落架(未示出)的撑杆或车辆的其他合适的部件上，以将车轮和制动器组件10连接到该车辆。
33.在车辆运行期间，可能需要不时地进行制动，诸如在飞行器的着陆和滑行过程期间。车轮和制动器组件10被构造成经由致动器组件14和制动器堆叠1 6向车辆提供制动功能。致动器组件14包括致动器壳体30和柱塞34。致动器组件14可包括不同类型的致动器，诸如例如电气-机械致动器、液压致动器、气动致动器等中的一者或多者。在操作期间，柱塞34可延伸远离致动器壳体30，以轴向压缩制动器堆叠1 6抵靠压缩点进行制动。
34.制动器堆叠16包括交替的转子制动盘36和定子制动盘38。转子制动盘36安装在轮毂20上，以便通过梁键40进行共同旋转。定子制动盘38通过键齿44安装到扭矩管42。在图1的示例中，制动器堆叠1 6包括四个转子和五个定子。然而，在其他示例中，制动器堆叠1 6中可包括不同数量的转子和/或定子。
35.在一些示例中，转子制动盘36和定子制动盘38可分别通过梁键40和键齿44安装在车轮和制动器组件10中。在一些示例中，梁键40可围绕轮毂20的内部部分周向地间隔开。例如，梁键40可成形为具有相对的端部(例如，矩形的相对侧)，并且可具有机械地附连到轮毂20的内部部分的一个端部和机械地附连到轮毂20的外部部分的相对端部。梁键40可与轮毂20一体形成，或者可与轮毂20分离并机械地附连到轮毂，例如，以在转子制动盘36与轮毂20之间提供热障。为此，在不同的示例中，车轮和制动器组件10可包括隔热罩(未示出)，其径向向外延伸并向外围绕制动器堆叠16，例如，以限制在制动器堆叠1 6与车轮12之间的热转移。
36.在一些示例中，键齿44可围绕扭矩管42的外部部分周向地间隔开。照此，定子制动盘38可包括沿着制动盘的内径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽被构造成与键齿44接合。类似地，转子制动盘36可包括沿着制动盘的外径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽被构造成与梁键40接合。照此转子制动盘36将随着车轮的运动而旋转，而定子制动盘38保持静止，允许相邻的定子制动盘38和转子制动盘36的摩擦表面彼此接合，从而使车轮12的旋转减速。
37.转子制动盘36和定子制动盘38可提供用于制动飞行器的相对摩擦表面。随着移动的飞机的动能在制动器堆叠16中转换成热能，制动器堆叠16中的温度可能快速升高。照此，形成制动器堆叠16的转子制动盘36和定子制动盘38可包括能够在非常高的温度下操作并
阻挡各种氧化物质的涂层。
38.在一些示例中，如上所述的制品或部件(诸如图1的制动盘36和/或38)可包括高温涂层以保护下面的基底免受氧化，诸如制动盘的非摩擦表面。制动盘36的非摩擦表面可包括制动盘36的那些表面，所述表面在制动盘36的摩擦表面被接合时，例如在组件10的制动操作期间不接合另一相对表面。图2是示出根据本公开的示例的包括高温涂层的示例性高温制品的横截面侧视图。
39.高温制品50包括碳/碳(c/c)复合材料基底52。基底52可包括基于碳的增强纤维和至少部分地围绕该基于碳的增强纤维的基于碳的基体材料。在一些示例中，基底52可由包括碳纤维或碳前体纤维的多孔预成型件形成。可用于产生基底52的多孔预成型件的示例包括但不限于：纤维预成型件诸如织造纤维预成型件、非织造纤维预成型件、短切纤维和粘结剂预成型件、粘结剂处理的无规纤维预成型件、碳纤维预成型件、或陶瓷纤维预成型件；泡沫预成型件；多孔碳主体预成型件；或多孔陶瓷主体预成型件。
40.在一些示例中，多孔预成型件包括多个机械结合层，其可为例如多个纤维层，诸如多个织造或非织造织物层，其连接在一起，例如通过粘结剂(诸如树脂粘结剂)或者经由多个层的针刺结合。在一些示例中，层包括一个或多个丝束层、一个或多个幅材层或它们的组合。丝束层可包括一个或多个纤维丝束。纤维丝束可以任何合适的布置被布置，包括例如线性的、径向的、弦状的等。幅材层可包括幅材纤维，该幅材纤维可包括纤维的相对短的、短切的和缠结的纤维。在其他示例中，多孔预成型件可不包括预定义层，而是可由例如一束经由针刺机械地结合在一起的纤维形成。在其他示例中，可使用前述类型的多孔预成型件中的任一种的组合。
41.基底52也可包括至少部分地包封碳纤维的基体材料。可使用多种技术中的一种或多种技术将基体材料引入多孔预成型件中，所述多种技术包括例如化学气相沉积/化学蒸气渗透(cvd/cvi)、树脂传递模塑(rtm)、真空/压力渗透(vpi)、高压浸渍/碳化(pic)等。
42.基底52可在操作期间经受高温。作为一个示例，碳-碳复合材料制动盘可在制动事件期间经受高达约3，000华氏度(
°
f)(约1，649℃)的温度。为了保护基底52免于氧化，制品50在基底52的一个或多个表面上包括高温涂层54。涂层54在高达约3600
°
f(约2000℃)的温度下可以是稳定的。在该语境中，“稳定”可意指涂层54不降解成其组成元素、不与碳反应和/或不与其中使用涂层54的环境中存在的其他元素或化合物反应(包括但不限于氧化)，并持续一定时间段(例如，数分钟或数小时)。涂层54可具有任何合适的厚度。在一些示例中，涂层54的厚度可介于约1微米(μm)与约30μm之间。在一些示例中，涂层54的厚度可以是自终止的并且由金属碳体系的扩散特性确定。
43.高温涂层54包括基底52的表面上的富金属抗氧化剂层56。富金属抗氧化剂层56包含金属碳化物。金属碳化物可具有高强度、耐磨性和耐温性，并且可与下面的基底52化学相容。在一些示例中，金属碳化物包括碳化硅、碳化钛或碳化钨中的至少一种。
44.如在下面的图4a-图4f中进一步解释的，富金属抗氧化剂层(在图2的示例中为层56)延伸到c/c复合材料基底52的表面上的一个或多个表面空隙(诸如缺陷或孔)中，以形成基本上包封基底52的连续层。例如，基底52可包括从基底52的外表面延伸到基底52的主体中的表面空隙。表面空隙可包括缺陷诸如裂缝，固有结构诸如表面孔，或表面中的延伸到基底52中的其他空隙或粗糙度，并且可具有相对复杂或不规则的表面。这些表面空隙可形成
由基底52形成的金属碳化物层中的不连续部，并且允许氧化物质与下面的基底52反应。富金属抗氧化剂层56可通过使金属与c/c复合材料基底52的表面部分和装填到表面空隙中的碳粉末两者反应来形成，使得富金属抗氧化剂层56的部分可延伸到基底52的表面中的表面空隙(诸如缺陷或孔)中并且基本上填充该表面空隙，并且与剩余未反应的c/c复合材料基底52上的富金属抗氧化剂层56的部分桥接，以形成基本上连续的涂层。
45.为了形成均匀的无缺陷涂层，富金属抗氧化剂层56可以包含金属碳化物，所述金属碳化物由c/c复合材料基底52的表面部分的碳基体和具有与c/c复合材料基底52的表面部分基本相同的组成和形态的表面空隙内的碳粉末两者形成。例如，在与金属反应之前，基底52可包括表面部分(例如，最外的10微米-20微米)，所述表面部分包括能够与金属反应以形成金属碳化物的碳基体。不受任何特定理论的限制，表面部分的碳基体可具有特定组成和/或形态，诸如微结构、相组成、组分相的几何形状、组分相的形态和/或陶瓷纤维或孔的尺寸和分布、晶体结构、杂质的存在和类型、颗粒形态和大小、晶体表面终止(例如，活性刻面)、晶体缺陷和/或表面官能化。根据特定反应热力学和动力学，诸如反应温度和反应速率，这种特定组成和/或形态可导致与金属的反应。
46.类似地，在与金属反应之前，填充表面空隙的碳粉末可具有与基底52的表面部分类似的组成和/或形态。由于与基底52的表面部分基本上类似的组成和/或形态，碳粉末可具有与基底52的表面部分基本上类似的反应热力学和动力学。通过由c/c复合材料基底52的碳基体和具有与c/c复合材料基底52基本上相同的组成和/或形态的碳粉末两者形成金属碳化物，可以基本上相同的时间和速率形成富金属抗氧化剂层56，从而将表面空隙中的金属碳化物与未反应的c/c复合材料基底52上的金属碳化物桥接。
47.富金属抗氧化剂层56可以是富金属的，使得富金属抗氧化剂层56可包含具有化学计量过量的金属的金属碳化物。例如，在由基底52的表面部分的碳基体和表面空隙中的碳粉末形成金属碳化物期间，过量金属的一部分可保留在富金属抗氧化剂层56中。在制品50的操作期间，金属可形成金属氧化物，所述金属氧化物可迁移以形成钝化层，诸如下文所描述的外层58，或者可填充富金属抗氧化剂层56中的小裂缝或孔，所述小裂缝或孔由基底52和富金属抗氧化剂层56之间的热膨胀系数的差异引起，诸如通过在操作期间在存在氧化的情况下过量金属在高温下氧化来膨胀。结果，富金属抗氧化剂层56的金属可执行钝化和/或自我修复功能以进一步保护基底52。
48.在一些示例中，涂层54包括富金属抗氧化剂层54上的金属氧化物外层58。例如，在富金属抗氧化剂层56的形成期间，可将与c/c复合材料基底52的表面部分的碳基体和表面空隙中的碳粉末反应的金属以金属粉末或颗粒的形式施加到c/c复合材料基底52的表面。该金属粉末可包括在氧化气氛中形成的金属氧化物表面层，诸如下面金属的氧化物或不同元素的氧化物。例如，金属氧化物表面层可具有介于约1纳米与约1微米之间的厚度。在富金属抗氧化剂层56的形成期间，金属氧化物可以迁移到富金属抗氧化剂层56的表面并形成外层58。外层58可具有相对高的耐温性，诸如大于约1500℃。以这种方式，可作为杂质以其他方式存在于金属粉末中的金属氧化物可形成另外的保护层以保护基底52免受氧化。
49.可在c/c复合材料基底上原位形成本文所述的高温抗氧化剂涂层(诸如上图2的涂层54)，以形成可连续包封c/c复合材料基底的更致密涂层。图3是示出根据本公开的示例的用于形成高温涂层的示例性技术的流程图。图3的示例性技术将关于图4a-图4f描述，其示
出了用于形成高温抗氧化剂涂层的各种步骤，并且图5示出了用于形成高温涂层的示例性系统或系统序列。
50.如上文关于图2的基底52所述的，基底52可包括各种表面空隙，所述表面空隙如果保持未密封或部分密封，则可允许氧化物质渗透到基底52中并与其反应。图4a是示出根据本公开的示例的示例性c/c复合材料基底52的一部分60的横截面侧视图。基底52限定初始外表面62a。表面62a包括一个或多个表面空隙64a、64b、64c(单独地“空隙64”和统称为“空隙64”)。空隙64可包括任何不规则性或与表面62a的一般平面的偏差，所述表面否则可在由基底52的表面部分形成的金属碳化物涂层中产生不连续性，除非被填充。例如，具有高曲率的孔可导致与金属的反应受到抑制，并且因此可能是待填充的空隙64，而具有低曲率的浅凹陷可能不导致与渗透金属的反应受到抑制，因此可能不是待填充的空隙64。在一些示例中，空隙64可包括一个或多个孔64a、一个或多个裂缝64b和/或一个或多个表面突起或凹陷64c。这些空隙64可在基底52的形成期间形成，并且减少空隙64的制造努力可能相对昂贵。空隙64可具有相对复杂的表面，其限定可能难以填充的相对复杂的体积。例如，相对较大的反应物粒度和/或高浆料粘度可限制金属反应物渗透到空隙64中。
51.重新参见图3，示例性技术包括将碳粉末施加到碳/碳(c/c)复合材料基底的表面以填充c/c复合材料基底的表面空隙(70)。将碳粉末施加到表面可包括用碳粉末涂覆c/c复合材料基底的表面，并且迫使碳粉末进入c/c复合材料基底的表面的一个或多个表面空隙中。图4b是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60的横截面侧视图，其中碳粉末66a填充表面空隙64。将碳粉末66a施加到表面62b可包括将碳粉末66a分配在表面62b上并且迫使碳粉末66a进入表面62b的一个或多个空隙64中(例如，用粉末装填或至少部分地填充表面空隙)。因此，碳粉末66a可渗透到空隙64中。
52.碳粉末66a可具有与表面62b处或附近的c/c复合材料基底52的表面部分基本上相同的组成和形态。例如，碳粉末66a的微结构和/或结晶度可以与表面62b和空隙64附近的基底52的材料的微结构和/或结晶度基本上相同。具有与c/c复合材料基底52的表面部分基本相同的组成和形态的碳粉末66a可具有与c/c复合材料基底52的表面部分基本上相同的反应热力学和动力学，使得渗透金属与碳粉末66a和c/c复合材料基底52的表面部分的碳基体的反应可在基本上相同的温度下并以基本上相同的速率发生。如上所述，碳粉末66a和c/c复合材料基底52的碳基体中的每一个的反应热力学和动力学可以为碳粉末66a和c/c复合材料基底52的相应类型、原料源、加工历史以及其他特性和条件的产物，这影响碳粉末66a和c/c复合材料基底52的碳基体可以与渗透金属反应的温度和速率。
53.在一些示例中，将碳粉末66a施加到基底52的表面62b可包括将碳粉末66a作为浆料或混合物中的单独粉末施加到基底52的表面62b。作为一个示例，碳粉末66a可从基底52的一个或多个部分和/或从与基底52的组成和/或形态相似的原料研磨并施加到表面62b。例如，在c/c复合材料基底52的处理期间，可通过各种研磨或其他操作产生碳粉末。这种碳粉末可诸如通过铣削进一步处理，以产生具有与c/c复合材料基底52类似的处理历史的碳粉末66a。作为另一示例，可选择或获得具有与基底52的表面部分的组成和/或形态基本上匹配的组成和/或形态的碳粉末66a并将其施加到表面62。例如，可从在与c/c复合材料基底52类似的处理条件下产生的原料选择或获得碳粉末66a。
54.在一些示例中，将碳粉末66a施加到基底52的表面62b可包括向表面62b施加力以
迫使并将碳粉末66a装填到空隙64中。例如，力可包括对表面62b的法向力和/或用于散布和/或填充空隙64的任何侧向力。施加到碳粉末66a的力可迫使碳粉末66a进入表面空隙64中，然后形成金属碳化物并将碳粉末66a装填到表面空隙64中，使得碳粉末66a保留在表面空隙64中，诸如最多至介于约50体积％与约60体积％装填之间。在一些情况下，可将载体介质施加到碳粉末66a，诸如挥发性介质，以帮助将碳粉末66a分散到空隙64中。例如，碳粉末66a可分散在载体介质中以形成对应于相对较高装填的浆料。可使用多种方法来迫使和装填碳粉末66a进入表面空隙64中，其包括但不限于：旋转力，诸如抛光或磨损；线性力，诸如抹泥修墙；手动力，诸如手动砂磨(例如，以生成并迫使碳粉末66a)；等。
55.在一些示例中，诸如图4b所示，将碳粉末66a施加到c/c复合材料基底52的表面62b可包括通过机械地研磨c/c复合材料基底52的表面62a从基底52直接生成碳粉末66a。在图4b的示例中，基底52已经从表面62a被研磨到表面62b，如虚线所示。例如，研磨表面62a可在单个步骤中既生成具有与基底52基本上相同的组成和/或形态的碳粉末66a，又迫使碳粉末66a进入空隙64中，而不是单独施加可能难以与基底52匹配的碳粉末66a，并在单独的步骤中迫使碳粉末66a。即使在基底52内，组成和/或形态也可变化，诸如由于在基底52的形成期间不同的温度，使得从表面62附近的基底52的部分直接获得碳粉末66a可生成与空隙64周围材料的组成和/或形态匹配的碳粉末。所得碳粉末66a可具有与表面62b附近的基底52相同的组成和形态，可靠近空隙64生成，并且可在不使用载体介质的情况下渗透到空隙64中。
56.可在与金属浆料或混合物的金属反应之前，从表面62中去除过量的碳粉末66a，使得表面空隙64可包括碳粉末66a，而表面62b的低曲率或平坦表面可不包含碳粉末66a。例如，如果碳粉末66a保持在表面62b的低曲率或平坦部分上并且随后与金属反应，则所得金属碳化物可能不强烈地粘附到c/c复合材料基底52的表面，并且可经受分层。在一些示例中，过量的碳粉末66a可在碳粉末66a的装填期间从表面62b的非空隙表面去除，诸如通过抛光表面62b以迫使碳粉末66a进入空隙64中，同时在表面62b的低曲率或平坦表面上擦拭掉碳粉末66a。
57.参见图5，系统80可包括被构造成机械地研磨基底52的表面62的研磨系统82。研磨系统82可包括被构造成研磨基底52的表面的研磨表面86。研磨系统82可包括联接到研磨表面86的致动系统84。在一些示例中，致动系统84可被构造成生成旋转力以旋转研磨表面86或线性力以驱动研磨表面86(例如，带)。在一些示例中，致动系统84可被构造成施加侧向力以将研磨表面86移动到基底52的不同部分，并在研磨表面86上施加向下的力，以研磨基底52的表面并迫使由研磨生成的碳粉末进入基底52的表面空隙中。
58.重新参见图3，示例性技术包括将金属浆料施加到c/c复合材料基底的表面(71)。图4c是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60的横截面侧视图，其中碳粉末66a填充空隙64并且金属浆料68a在c/c复合材料基底52上。虽然以金属浆料68a的形式示出，但是金属可以任何形式施加，包括以液体或气体的形式施加。
59.金属浆料68a可包括施加介质中的金属颗粒。在一些示例中，金属浆料68a的金属颗粒包括硅、钛或钨中的至少一种。金属颗粒可由金属氧化物的薄层涂覆，诸如可以在金属颗粒的形成或保存期间在氧化气氛中形成。例如，由于惰性存储，相对纯的金属颗粒原料可能非常昂贵，使得使用包括金属氧化物膜的金属颗粒可拓宽用于金属颗粒的材料的可用原料和/或降低金属颗粒的成本。
60.参见图5，系统80可以包括金属施加系统88。金属施加系统88可被构造成将金属浆料施加到基底52的表面。虽然图5中示出为喷涂系统，但金属施加系统88可包括被构造成将金属浆料施加到基底52的表面的任何系统，诸如刷涂系统。
61.重新参见图3，示例性技术包括使金属浆料的金属与碳粉末的碳和c/c复合材料基底的表面部分的碳反应，以在该c/c复合材料基底上形成金属碳化物的富金属抗氧化剂层(72)。图4d是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60以及富金属抗氧化剂层56a的横截面侧视图。为了使金属浆料68a的金属与碳粉末66a的碳和c/c复合材料基底52的表面部分的碳反应，金属可被流化(例如，熔化或升华)，使得金属可渗透到碳粉末66a和c/c复合材料基底52的表面部分中，并且与碳粉末66a的碳和c/c复合材料基底42的表面部分的碳基体反应以形成金属碳化物。这种金属碳化物可形成连续的富金属抗氧化剂层56a以基本上密封c/c复合材料基底52。
62.在一些情况下，这种反应可通过金属扩散到c/c复合材料基底52的表面部分和碳粉末66a中来限制。当金属与c/c复合材料基底52的表面部分反应并形成金属碳化物时，新形成的金属碳化物可形成分离反应物(例如，碳和金属)的扩散阻挡层，所述扩散阻挡层可阻止增厚和进一步产生，以形成较厚的金属碳化物(例如，通过防止金属进一步渗透到c/c复合材料基底52的表面部分的一定深度中和/或防止碳从c/c复合材料基底52扩散出以与金属反应)。另一方面，当金属与碳粉末66a反应并形成金属碳化物时，碳粉末66a的粉末形式可允许金属继续在碳粉末66a周围渗透，使得表面空隙64中的金属碳化物的厚度可以大于c/c复合材料基底52上的金属碳化物的厚度。在一些示例中，碳粉末66a的大小可对应于金属可渗透并反应的大小(例如，小于扩散限制)，诸如小于约20微米(μm)，或介于约1μm与约5μm之间。相比之下，表面空隙64的大小可大于约100μm，诸如介于约100μm与约1000μm之间。可将金属施加到c/c复合材料基底52的表面62b，直到反应通过扩散限制、金属蒸发或耗尽或上述两者来结束。例如，可去除表面62上的任何剩余金属，诸如通过蒸发。所得层56a可以是相对均匀的金属碳化物，其具有相对均匀的厚度，所述相对均匀的厚度可包括填充空气64的一些偏差。在一些示例中，c/c复合材料基底52的表面处的富金属抗氧化剂层56a的厚度小于约50微米，诸如介于约10微米与约20微米之间。在一些示例中，表面空隙64中的富金属抗氧化剂层56a的厚度可显著厚于c/c复合材料基底52的表面处的富金属抗氧化剂层56a的厚度。
63.金属浆料68a的金属与碳粉末66a的碳和c/c复合材料基底52的表面部分的碳基体的反应可在金属的化学计量过量下进行，使得所得金属碳化物抗氧化剂层56是富金属的。富金属可包括包含过量游离金属的金属碳化物相。例如，富金属的金属碳化物相可包括大于1.1，诸如大于约1.001：1的金属比碳粉末的碳的化学计量比。通过以金属的化学计量过量进行反应，所得富金属抗氧化剂层56a可包括过量金属。在富金属抗氧化剂层56a的形成期间或在基底52(例如，作为组件)的操作期间，过量金属可形成金属氧化物。在一些情况下，诸如将在图4h中描述的，金属氧化物可形成进一步保护基底52的钝化层。在一些情况下，金属氧化物可对富金属抗氧化剂层56a执行自我修复功能。例如，金属氧化物可迁移到可在操作期间形成的小裂缝中，诸如由于cte或体积膨胀中的错配，并密封裂缝。
64.在一些示例中，使金属浆料68a的金属与碳粉末66a的碳反应可包括将基底52的表面62加热到高于金属的熔点，并且以化学计量过量保持基底52的表面62处的金属蒸气压。
可控制各种参数，诸如表面62处的温度、表面62处的金属浓度(例如，如由压力所指示的)以及反应时间，以将金属保持在化学计量过量并且促进金属迁移到碳粉末66a和c/c复合材料基底52的表面部分的碳中并与所述碳粉末和碳反应。作为一个示例，对于硅金属，温度可保持在大于约1400℃，压力可保持在介于约0.1毫托至约300毫托之间，并且温度和压力可保持大于约一小时。
65.参见图5，系统80可包括被构造成封闭基底52的炉90。炉90可包括一个或多个加热器，所述一个或多个加热器被构造成将金属浆料68a的金属颗粒加热到高于金属的熔点。炉90可被构造成保持金属的温度和压力，使得金属保持化学计量过量以形成致密的第一层56a。在一些情况下，炉90可被构造成将基底52加热以传导加热金属浆料68a。例如，虽然图5中未示出，但是一个或多个加热器或电触点可被构造成加热基底52(或在基底内生成热)以加热金属浆料68a并且使金属浆料68a的金属与碳粉末66a的碳反应。
66.在一些情况下，所得富金属抗氧化剂层仍可包括一个或多个表面空隙。作为一个示例，c/c复合材料基底中的表面空隙可显著较大，使得表面空隙中的碳粉末可能不同时反应，从而导致较小的剩余表面空隙。作为另一示例，富金属抗氧化剂层中的表面空隙可延伸到c/c复合材料基底的表面，诸如由于富金属抗氧化剂层中的针孔。在图4d的示例中，富金属抗氧化剂层56分别包括在先前表面缺陷64a和64b处的较小表面缺陷64d和64e。为了填充表面缺陷64d和64e，图3的方法可包括修补在c/c复合材料基底上剩余的一个或多个表面空隙和/或在形成富金属抗氧化剂层的同时产生的表面空隙。
67.重新参见图3，示例性技术可包括将第二碳粉末施加到富金属抗氧化剂层的表面，并将第二金属浆料施加到其他富金属抗氧化剂层的表面(73)。图4e是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60、以及碳粉末66b填充抗氧化剂涂层56a中的表面空隙64d和64e的富金属抗氧化剂层56a的横截面侧视图。在图4e的示例中，可将第二碳粉末66b施加到富金属抗氧化剂层56a的表面。在一些示例中，碳粉末66b具有与用于形成富金属抗氧化剂层56a的碳粉末66a基本相同的组成或形态。可以浆料或干粉搓形式施加碳粉末66b，而不是研磨基底52的表面62生成碳粉末。
68.重新参见图3，在一些示例中，示例性技术可包括将第二金属浆料施加到富金属抗氧化剂层的表面(74)。图4f是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60、碳粉末66b填充富金属抗氧化剂涂层56a中的表面空隙64d和64e的富金属抗氧化剂层56a以及金属浆料68b在富金属抗氧化剂涂层56a上的横截面侧视图。例如，富金属抗氧化剂涂层56a可包括延伸到c/c复合材料基底52的表面的表面空隙64e。施加第二金属浆料68b可类似于施加第一金属浆料68a(71)。
69.重新参见图3，示例性技术可包括使第二金属浆料的金属与第二碳粉末的碳反应以在一个或多个表面空隙中形成金属碳化物(75)。图4g是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底52的部分60以及富金属抗氧化剂层56的横截面侧视图。金属浆料68b的金属可与碳粉末66b的碳反应以在先前表面缺陷64d中形成金属碳化物。因此，富金属抗氧化剂层56可包括比仅由碳粉末和金属浆料的单次施加形成的富金属抗氧化剂层56a更少的表面空隙。金属浆料68b的金属与碳粉末66b的碳的反应可在类似条件下进行，并且使用与金属浆料68a的金属与碳粉末66a的碳反应类似的方法(72)进行。
70.虽然在图4e-图4g中示为单个的附加修补过程，但在一些示例中，图3的步骤73-75
可重复多次迭代以形成连续的基本上无缺陷的富金属抗氧化剂层56，并且可包括附加的处理步骤，诸如清洁或刷涂富金属抗氧化剂层56a，使得任何松散的碳化物或碳粉末在附加的涂层之前被去除。
71.重新参见图3，在一些示例中，示例性技术包括在高温抗氧化剂涂层上形成金属氧化物层。图4h是示出根据本公开的示例的图4a的示例性c/c复合材料基底的部分、富金属抗氧化剂层56和外部氧化物层58的横截面侧视图。图4c和图4e的金属浆料68a和68b可包含由金属氧化物层涂覆的金属颗粒，诸如氧化硅、氧化钛和/或氧化钨。在表面62的加热期间，来自金属颗粒的金属氧化物的至少一部分可进入溶液中并从相应的金属浆料68a或68b迁移到富金属抗氧化剂层56的表面。在冷却后，金属氧化物可在富金属抗氧化剂层56上形成金属氧化物的外部氧化物层58。在一些示例中，不是或除了形成外部氧化物层56之外，金属氧化物的至少一部分可保留在富金属抗氧化剂层56中，使得在包括基底52的组件的操作期间，金属氧化物可用于迁移到形成于富金属抗氧化剂层56中的一个或多个裂缝。
72.实验方法
73.在第一实施例中，在c/c复合材料基底上形成高温碳化硅涂层。用旋转机器研磨c/c复合材料基底的表面以生成碳粉末并且迫使碳粉末进入c/c复合材料基底的一个或多个表面空隙中。将可能已包含一层天然氧化物(诸如二氧化硅)的经涂覆的硅颗粒的浆料以足以反应直至20微米-30微米表面的化学计量过量施加到c/c复合材料基底的表面，以及补偿蒸发和其他损失(例如，对于硅而言，约0.02克/平方厘米至0.2克/平方厘米(cm))。将c/c复合材料基底在约1400℃的温度和约100毫托的压力下加热并持续约一小时。
74.图6是根据本公开的实施例的包括c/c复合材料基底102和高温涂层104的示例性制品100的横截面的显微照片。如图6所示，硅迁移到基底102的表面中的各种表面空隙(诸如孔和缺陷)中以与碳粉末反应并形成致密的高温涂层104。
75.在第二实施例中，在包括c/c复合材料基底的示例性飞行器转子段上形成高温碳化硅涂层。如上所述，在飞行器转子段上形成高温涂层。
76.根据本公开的实施例，图7a是示例性飞行器转子段的外径处的c/c复合材料基底的一部分110的横截面的显微照片，图7b是示例性飞行器转子段的内径处的c/c复合材料基底的一部分120的横截面的显微照片，并且图7c是示例性飞行器转子段的一部分130的横截面的放大显微照片。如图7a和图7b所示，碳化硅涂层112和122延伸穿过c/c基底114的表面以形成相对均匀且均一的高温抗氧化剂涂层。如图7c所示，碳化硅涂层132可延伸到c/c复合材料基底114的空隙134中，以基本上密封空隙134免受氧化物质影响。
77.在第三实施例中，在六个c/c复合材料基底上形成高温碳化硅涂层。如关于上文第一实施例所述使用不同蒸气压力形成高温涂层，以在碳与硅之间的反应期间控制化学计量过量的硅金属的浓度。
78.图8是根据本公开的示例的在各种蒸气压下涂覆以形成高温涂层的示例性c/c复合材料基底的照片。
79.实施例1：一种用于形成高温涂层的方法包括：将碳粉末施加到碳/碳(c/c)复合材料基底的表面，以迫使所述碳粉末进入所述c/c复合材料基底的表面的一个或多个表面空隙中，其中所述碳粉末具有与所述c/c复合材料基底的表面部分基本上相同的组成和形态；在施加所述碳粉末之后，将金属浆料施加到所述c/c复合材料基底的表面；以及使所述金属
浆料的金属与所述碳粉末的碳和所述c/c复合材料基底的所述表面部分的碳反应，以在所述c/c复合材料基底上形成金属碳化物的富金属抗氧化剂层。
80.实施例2：根据实施例1所述的方法，其中将所述碳粉末施加到所述c/c复合材料基底的所述表面包括机械地研磨所述c/c复合材料基底的所述表面部分以由所述c/c复合材料基底的所述表面部分生成所述碳粉末并且迫使所述碳粉末进入所述一个或多个表面空隙中。
81.实施例3：根据实施例1和2中任一项所述的方法，其中在所述反应期间将所述金属浆料的金属保持在化学计量过量以形成所述金属碳化物的所述富金属抗氧化剂层。
82.实施例4：根据实施例1至3中任一项所述的方法，其中使所述金属浆料的金属与所述碳粉末的碳反应包括：将所述c/c复合材料基底的所述表面加热到高于所述金属的熔点；以及对应于金属的化学计量过量，保持所述c/c复合材料基底的表面处的所述金属的蒸气压。
83.实施例5：根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中所述金属浆料包括由金属氧化物层涂覆的金属颗粒，并且其中所述方法还包括使用来自所述金属浆料的金属氧化物的至少一部分在富金属抗氧化剂层上形成金属氧化物的外层。
84.实施例6：根据实施例1至5中任一项所述的方法，其中所述金属浆料包括硅、钛或钨中的至少一种。
85.实施例7：根据实施例1至6中任一项所述的方法，其中所述富金属抗氧化剂层的厚度小于约30微米。
86.实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的方法，其中所述碳粉末的平均直径小于约20微米。
87.实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的方法，其中所述碳粉末是第一碳粉末，其中所述金属浆料是第一金属浆料，并且其中所述方法包括：将第二碳粉末施加到所述富金属抗氧化剂层的所述表面，以迫使所述第二碳粉末进入所述富金属抗氧化剂层的所述表面中的一个或多个表面空隙中；将第二金属浆料施加到所述富金属抗氧化剂层的所述表面；以及使所述第二金属浆料的金属与所述第二碳粉末的碳反应，以在所述富金属抗氧化剂层的所述表面中的所述一个或多个表面空隙中形成金属碳化物。
88.实施例10：根据实施例1至9中任一项所述的方法，其中将所述碳粉末施加到所述c/c复合材料基底的所述表面包括将碳粉末浆料或包含所述碳粉末的干搓施加到所述c/c复合材料基底的表面。
89.实施例11：根据实施例10所述的方法，其中所述碳粉末由处理所述c/c复合材料基底生成。
90.实施例12：根据实施例1至11中任一项所述的方法，其中所述高温涂层包括单个富金属抗氧化剂层。
91.实施例13：一种高温制品包括：碳/碳(c/c)复合材料基底；和在所述c/c复合材料基底的表面上的高温涂层，其中所述高温涂层包括在所述c/c复合材料基底的表面上的金属碳化物的富金属抗氧化剂层，其中所述富金属抗氧化剂层的金属碳化物由碳粉末的碳和c/c复合材料基底的表面部分的碳形成，其中所述碳粉末具有与c/c复合材料基底的表面部分基本相同的组成和形态，并且其中所述富金属抗氧化剂层延伸到所述c/c复合材料基底
的表面的一个或多个表面空隙中。
92.实施例14：根据实施例13所述的制品，其中所述碳粉末由所述c/c复合材料基底的所述表面部分生成。
93.实施例15：根据实施例13和14中任一项所述的制品，其中所述金属碳化物包括碳化硅、碳化钛或碳化钨中的至少一种。
94.实施例16：根据实施例13至15中任一项所述的制品，还包括在所述高温涂层上的金属氧化物的外层。
95.实施例17：根据实施例13至16中任一项所述的制品，其中所述富金属抗氧化剂层的厚度小于约30微米。
96.实施例1 8：根据实施例17所述的制品，其中所述富金属抗氧化剂层的厚度介于约1微米与约5微米之间。
97.实施例19：根据实施例13至18中任一项所述的制品，其中所述金属碳化物包括大于1∶1的金属的金属碳化物相对所述碳粉末的碳的化学计量比。
98.实施例20：根据实施例13至19中任一项所述的制品，其中所述高温涂层包括单个富金属抗氧化剂层。
99.已经描述了各种示例。这些示例和其他示例在以下权利要求的范围内。