[发明专利]一种金属防热结构表面涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层的制备方法。

背景技术

跨大气层航天器以极高的速度再入时，与空气发生剧烈的压缩和摩擦，将有一部分动能转变成空气的热能。这部分热能以边界层对流加热和激波辐射两种形式加热航天器，使航天器主体结构承受严酷的热力耦合环境。金属防热结构由于其金属面板的强韧性和致密性，能够与飞行器主体结构实现机械连接，维护方便，无需防水，可全天候使用，是跨大气层航天器表面大面积热防护系统的备选方案。在高温合金表面涂敷抗氧化高辐射涂层，在气动加热温度升高时，金属表面的涂层将以辐射的形式向边界层散出大部分热量，该散热过程为物理过程，不涉及涂层材料的损耗与衰退。由于该涂层的服役环境温度非常高，所以常采用陶瓷复合涂层。为了避免由于金属与陶瓷热膨胀系数不匹配造成陶瓷涂层的过早剥落，德国和加拿大研究人员最先提出了梯度热障涂层的设想。梯度热障涂层顶层为YSZ(Yttria Stabilized Zironia)陶瓷层，底层为NiCoCrAlY金属粘接层，在二者之间引入了Al₂O₃-YSZ梯度过渡层。该体系中金属粘接层到陶瓷层之间为连续过渡结构，消除了层状结构的明显层间界面，涂层力学性能变化也呈现连续性变化。B.A.Movchan等人选用Al-Al₂O₃-YSZ作为梯度过渡材料，利用电子束物理气相沉积工艺单源多组分蒸发技术制备梯度热障涂层。R.Keith Bird等研制一种基于溶胶－凝胶工艺的多层复合涂层，具有超薄、轻质、高发射率、低催化、抗氧化、易应用和可修复等特点，并评价其抗氧化性能。该涂层体系从外到内由低催化层、高发射率层、抗氧化层和隔断层组成，已在PM1000、602CA、γ-TiAl、Inconel617等几种航天器常用高温合金表面上获得应用。总之，高温合金表面高辐射防热涂层需从功能性、可靠性和经济性三方面技术指标进行综合考虑。一、功能方面：涂层表面发射率ε大于0.8；表面催化复合系数尽可能小；二、可靠性方面：涂层具有良好的抗热震性能，与金属基体结合强度高，涂覆后不会降低金属的力学性能；三经济性方面：涂层应在允许使用温度范围内尽可能的薄，不显著增加飞行器的重量，返场修复时间短，涂层制备工艺简单等。

发明内容

本发明要解决金属热防护结构抗氧化性和热辐射系数低的技术问题，而提供一种金属防热结构表面涂层的制备方法。

一种金属防热结构表面涂层的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、称取正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水，控制搅拌器的温度为50℃，将正硅酸乙酯和无水乙醇混合搅拌，恒温至50℃，加入蒸馏水，再搅拌10～15min，然后加入0.25～0.3mL浓度为0.2mol/L的稀盐酸，搅拌5～10min，再静置30min，得到SiO₂溶胶；

二、采用240号砂纸打磨高温合金薄板表面，再用600号砂纸打磨，然后控制温度为10～40℃，采用脱脂粉清洗表面，时间为5～20min；再在室温条件下，用流动的去离子水涮洗1～2min；然后在室温条件下，用脱脂棉蘸取丙醇擦拭高温合金薄板表面；用流动的去离子水二次冲洗表面1～2min；然后用电吹风吹干，完成高温合金薄板的预处理；

三、按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg₂B₂O₅晶须的质量份数比为(40～50份)∶(40～50份)∶(8～10份)，将硼硅玻璃粉、熔融石英粉和Mg₂B₂O₅晶须混合均匀，得到原料粉1；

按照硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg₂B₂O₅晶须和SiB₄粉的质量份数比为(40～50份)∶(40～50份)∶(5～8份)∶(5～6份)，将硼硅玻璃粉、熔融石英粉、Mg₂B₂O₅晶须和SiB₄粉混合均匀，得到原料粉2；