[發(fā)明專利]一種SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310044298.1
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103113123A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魯中良;李滌塵;陸峰;曹繼偉;盧秉恒
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料零件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制備方法。

背景技術(shù)

目前，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片采用的鎳基高溫合金使用溫度有限，且密度較高，制約了發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步提升。而連續(xù)纖維編織增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料葉片具有耐高溫、高韌性、高比強(qiáng)和低密度等特點，可大大提高發(fā)動機(jī)的推重比與高溫性能，是未來發(fā)動機(jī)高溫部件制造的理想材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的問題在于提供一種SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制備方法，該方法是一種結(jié)構(gòu)和性能可控型連續(xù)纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料三維構(gòu)件的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：

1）根據(jù)渦輪葉片在使用條件下的狀態(tài)，得到其對局部區(qū)域材料的性能要求，對應(yīng)材料設(shè)計準(zhǔn)則，反求得到局部區(qū)材料的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2）將各區(qū)域整合，得到陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的零件結(jié)構(gòu)、材料組織結(jié)構(gòu)一體化模型，用光固化快速成型方法制造出渦輪葉片型殼模具和具有拓?fù)涮卣鞯膶?dǎo)向支撐支架；

3）在預(yù)制的導(dǎo)向支撐支架上編織SiC連續(xù)纖維；

4）將編織有SiC連續(xù)纖維的導(dǎo)向支撐支架放入固相濃度為10～25%的聚碳硅烷-二甲苯溶液中，進(jìn)行多次真空浸漬-干燥-交聯(lián)工藝；

5）采用先驅(qū)體涂覆裂解法，在SiC連續(xù)纖維表面制備SiC界面層；

6）將纖維編織的導(dǎo)向支撐支架固定在光固化樹脂型殼內(nèi)，在真空注型機(jī)內(nèi)澆注陶瓷漿料，得到內(nèi)部有SiC纖維骨架的陶瓷葉片生坯；

7）在保護(hù)氣氛下，將陶瓷葉片生坯升溫至800℃使坯體內(nèi)的有機(jī)物裂解，得到葉片素坯；

8）將葉片素坯用硅包埋后，升溫至1400～1600℃進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，得到SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片。

所述的渦輪葉片負(fù)型模具和模具內(nèi)部拓?fù)涮氐膶?dǎo)向支撐支架為：

采用CAD軟件構(gòu)建渦輪葉片負(fù)型模具和導(dǎo)向支撐支架的三維模型，然后將三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式數(shù)據(jù)；采用分層軟件Magics對三維模型進(jìn)行分層處理，將處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入光固化快速成型制造程序SLARP；采用光固化快速成型方法制造出負(fù)型模具和導(dǎo)向支撐支架。

連續(xù)SiC纖維編織是用連續(xù)SiC纖維束，纖維平均直徑8～15μm，將纖維束用軟質(zhì)針牽引，在預(yù)制支架上進(jìn)行編織。

所述的在連續(xù)纖維的表面制備SiC界面層為：

將聚碳硅烷和二甲苯配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15～40%的PCS-xylene溶液，在PCS-xylene溶液中加入占溶液質(zhì)量20～45%的SiC微粉，配制成SiC-PCS-xylene漿料；

將編制好的SiC纖維骨架浸沒在SiC-PCS-xylene漿料中，置于真空罐中，抽真空后，加超聲波處理，加氣壓5.0MPa～10.0MPa，保壓30min，以確保浸漬液充分進(jìn)入纖維束孔隙并均勻涂覆于纖維表面；

完成浸漬后取出纖維骨架，在空氣中于50～65℃干燥1～2h，再于120～150℃保溫8～12h完成聚碳硅烷氧化交聯(lián)；

將涂覆有聚碳硅烷的纖維骨架在保護(hù)氣氛下，以2～5℃/min的速率升溫至1000～1200℃進(jìn)行裂解，保溫時間為1～2h，使涂覆在纖維表面的聚碳硅烷無機(jī)化生成SiC界面層。

所述步驟6）的陶瓷漿料的制備為：

將液態(tài)酚醛樹脂與造孔劑按照50：（65～100）質(zhì)量比混合均勻，得到液相組分；

將6～8.5份的SiC微粉、0.05～0.2份的金屬Ni微粉、0.1～0.3份的石墨粉和0.1～1份的納米碳黑充分混合，得到固相組分；

將固相組分和液相組分按照45～65：100的體積比充分混合、球磨后得到陶瓷漿料；

將液相組分與固相組分質(zhì)量1～2%的分散劑聚丙烯酸鈉混合均勻，再與固相組分一同放入碳化硅球磨罐內(nèi)，加入碳化硅球磨介質(zhì)，以300～360r/min轉(zhuǎn)速球磨30～120min，得到固相顆粒分散均勻的陶瓷漿料；

在陶瓷漿料注型前0.5～1h，還將陶瓷漿料中樹脂質(zhì)量的4～8%的苯磺酰氯加入陶瓷漿料中攪拌均勻，真空排氣10～30min。

所述的液相組分包括醇溶熱固性酚醛樹脂、乙二醇體積份數(shù)分別為3.0～5.5份、5～7份；