[發(fā)明專利]一種多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其渦輪葉片的無余量制備方法

有效

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• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN106747531B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅瑞盈;侯振華
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B41/81;C04B35/624
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11514
• 代理人: 趙永輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體地，涉及一種多元碳基及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片的無余量制備方法及多元碳基及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的無余量制備方法。

背景技術(shù)

多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是具有使其適合用于復(fù)雜受力苛刻環(huán)境下應(yīng)用的熱結(jié)構(gòu)部件的機械性質(zhì)并且具有在高溫等苛刻環(huán)境下保持這些性質(zhì)的能力的復(fù)合材料。這種熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特別地由碳纖維或者陶瓷纖維為預(yù)制體，多元碳及陶瓷為基體構(gòu)成的復(fù)合材料，即纖維增強多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有耐高溫、低密度、低蠕變、低熱膨脹系數(shù)、高比強、高比模、良好的高溫力學(xué)性能、優(yōu)異的抗熱震性能、抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高和不發(fā)生災(zāi)難性損毀等優(yōu)點，該材料同時具備了碳基材料的優(yōu)異的高溫性能和陶瓷基材料良好的抗氧化性能，是目前在1650℃以上應(yīng)用的主要備選材料,且其最高理論溫度高達2600℃，因此被認為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，其性能直接決定著飛機的性能。因此，為滿足高性能航空航天發(fā)動機熱端部件工作溫度不斷提高的需求，迫切需要開發(fā)能夠在1200℃～1600℃以上大氣無氣冷條件下穩(wěn)定工作的高強高韌性航空發(fā)動機渦輪葉片等構(gòu)件可實現(xiàn)大幅度減重、降低冷卻空氣用量和提高使用溫度和效率的效果。

為提高航空發(fā)動機推重比等關(guān)鍵性能，可將多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材 料應(yīng)用到航空發(fā)動機葉片的制備。

多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備過程涉及致密化工藝。傳統(tǒng)的致密化技術(shù)，由于材料表面容易結(jié)殼，致密化過程中必須要進行多次機加和熱處理，致密化周期長，且纖維整體增強被破壞，對于三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能下降明顯。因此，亟待一種纖維三維整體增強高性能熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備技術(shù)工藝，實現(xiàn)快速、高效、且整體增強未破壞的無余量制備熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及渦輪葉片，從而滿足發(fā)動機的對大幅提高推重比等性能的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種纖維整體增強未破壞，力學(xué)性能優(yōu)異的多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其渦輪葉片無余量制備方法。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一種多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片的無余量制備方法，包括如下步驟：S101：采用四步法三維整體編織渦輪葉片纖維織物預(yù)制體；S102：采用化學(xué)氣相滲透法在渦輪葉片纖維織物預(yù)制體上制備(C+SiC)_n復(fù)合界面層；S103：向帶有(C+SiC)_n復(fù)合界面層的渦輪葉片纖維織物預(yù)制體內(nèi)復(fù)合單晶氧化鋁纖維，滲積基體材料，以制備多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片；S104：采用先驅(qū)體浸漬裂解法和溶膠-凝膠法將多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片進行無余量致密化處理，使多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片的密度達到預(yù)設(shè)值；S105：在多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片表面制備環(huán)境障涂層。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一種多元碳及陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料渦輪葉片的無余量制備方法，四步法三維編織預(yù)制體，且空間多軸面間和面內(nèi)都存在著多取向的增強，其復(fù)合材料完整性和連續(xù)性強，力學(xué)性能優(yōu)異，這一特性對于在復(fù)雜受力苛刻環(huán)境下應(yīng)用的熱結(jié)構(gòu)件有更多的優(yōu)勢。并采用先驅(qū)體浸漬裂解法和溶膠-凝膠法處理耐高溫抗氧化、強度適中的(C+SiC)_n多層復(fù)合界面，材料最終密度高，且纖維整體增加未破懷，構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)異，所制備的熱結(jié)構(gòu)復(fù)合 材料渦輪葉片的平均彎曲強度可達528MPa～836MPa。傳統(tǒng)的致密化技術(shù)，由于材料表面容易結(jié)殼，致密化過程中必須要進行多次機加和熱處理，致密化周期長，且纖維整體增強被破壞，對于三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能下降明顯。本發(fā)明提供的一種適合國產(chǎn)纖維三維整體增強高性能高溫復(fù)合材料的制備技術(shù)工藝，實現(xiàn)快速、高效、且整體增強未破壞制備高溫復(fù)合復(fù)合材料，“幾凈無余量”致密化工藝是制備發(fā)動機熱端構(gòu)件的一種先進技術(shù)。該工藝是基于弱溫差弱壓差和快速定向流動原理，采用化學(xué)氣相沉積(CVI)形成陶瓷纖維與基體之間的(C+SiC)_n復(fù)相界面，先驅(qū)體浸漬裂解(PIP)法致密化后再進行CVI形成陶瓷基體，通過CAM模型實現(xiàn)幾凈無余量制造，是一種“高性能材料制備與構(gòu)件成型一體化”變革性技術(shù)，具有界面結(jié)構(gòu)好、致密化效率高，不破壞纖維整體增強完整性等獨特優(yōu)勢，材料綜合性能優(yōu)異，為航空發(fā)動機熱端關(guān)鍵構(gòu)件的制造開拓了新的技術(shù)途徑。