[發明專利]自愈合陶瓷基復合材料燃燒室火焰筒及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201611056545.X
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106966738B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 羅瑞盈;王天穎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C04B35/66
• 分類號: C04B35/66;C04B35/80;C04B35/565;C04B41/89;F23R3/42
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產權代理有限公司11514
• 代理人: 安娜

技術領域

本發明涉及航空用結構材料技術領域，具體涉及一種自愈合陶瓷基復合材料燃燒室火焰筒及其制備方法與應用。

背景技術

燃燒室是航空發動機的核心部件之一，其主要功能是將燃料的化學能經過燃燒轉變為熱能，以提高燃氣在渦輪和噴管中膨脹的能力。在燃燒室的結構組成中，火焰筒是組織燃燒的場所，是保證空氣分股、燃燒充分、摻混均勻并使壁面得到有效冷卻的關鍵部件。燃燒室的可靠性、經濟性和壽命在很大程度上取決于火焰筒的可靠性和有效程度，因此研制高性能長壽命的燃燒室火焰筒對于提高發動機性能起著至關重要的作用。

燃燒室火焰筒在發動機部件中屬于高溫部件，長期處于的環境溫度在1300℃以上，現有高溫合金渦輪部件的使用溫度和服役性能已接近極限，因此常常對高溫部件采取氣冷以及熱障涂層等防護措施。但是，冷氣的應用不僅會降低發動機燃燒效率；還會使部件結構復雜化，增加設計和加工難度。高性能航空發動機追求不斷提升渦輪前溫度，推重比為12-15時，渦輪前進口溫度高達1800℃以上，現有高溫合金渦輪部件的使用溫度和服役性能已接近極限，即使采取冷卻技術和熱障涂層技術，也難以滿足下一代航空發動機的設計要求。采用耐高溫陶瓷基復合材料制備燃燒室火焰筒是一項先進技術，陶瓷基復合材料具有耐高溫、密度低、耐腐蝕和抗氧化等特點，能夠滿足熱端部件在更高溫度環境下使用，不僅有益于大幅減重，還可節約冷氣甚至無需冷卻，從而提高總壓比(Overall Pressure Ratios,OPR)，實現在高溫合金耐溫基礎上進一步提升工作溫度300～500℃，結構減重50％～70％，勢必成為高推重比航空發動機的關鍵耐熱結構制備材料。

現有的碳化硅陶瓷基復合材料具有優異的性能，是代替高溫合金作為航空發動機熱端構件用材料的備選材料，但是在高溫氧化環境下，SiC_f復合材料中產生的微裂紋和孔洞易成為氧化性介質(O₂和H₂O)和燃氣腐蝕的通道，導致SiC組元中的界面相和纖維氧化受損；此外，服役環境中的應力作用會促使復合材料基體開裂，加速材料的損傷和腐蝕，影響其在高溫燃氣環境下服役長壽命的要求，從而嚴重制約SiC陶瓷基復合材料在發動機燃燒室火焰筒的應用。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明目的在于提供一種自愈合陶瓷基復合材料燃燒室火焰筒及其制備方法與應用，以提高燃燒室火焰筒的彎曲強度、耐高溫能力、抗氧化能力和燃氣效率，降低燃燒室火焰筒的質量和NOx、COx等廢棄物的排放，并且賦予燃燒室火焰筒自愈合性能，當材料出現裂紋和孔洞時，能夠原位自生成玻璃相，達到主動封填的效果，阻止氧化性介質向內擴散，降低界面和纖維的氧化腐蝕損傷，提高燃燒室火焰筒的壽命。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：

第一方面，本發明提供了一種復合材料燃燒室火焰筒的制備方法，包括如下步驟：S1：將燃燒室火焰筒預制體用化學氣相沉積法制備SiC界面；其中，化學氣相沉積法的反應氣為三氯甲基硅烷；S2：以聚碳硅烷和二甲苯的混合溶液為先驅體溶液，將步驟S1得到的產物采用先驅體浸漬裂解法進行致密化；重復采用先驅體浸漬裂解法至得到的碳化硅基體的密度為1.6～1.8g/cm³；S3：在碳化硅基體的表面采用化學氣相滲積法制備SiC基體層和BCx基體層，得到密度為2.0～2.5g/cm³的碳硼硅自愈合基體；其中，以三氯甲基硅烷為沉積氣制備SiC基體層，以三氯化硼和甲烷為沉積氣制備BCx基體層；S4：將碳硼硅自愈合基體在1000℃下進行1～3h改性處理，得到復合材料燃燒室火焰筒。需要說明的是，步驟S4中的改性處理，是為了在碳硼硅自愈合基體內部的孔隙中和表面填充大量致密的硼硅玻璃相；經多元多層自愈合基體改性后的復合材料燃燒室火焰筒，在水氧燃氣應力耦合環境下，碳硼硅自愈合基體內部自愈合組元形成的大量的玻璃相，一方面可阻止內部的碳化硅相氧化腐蝕受損，另一方面使碳硼硅自愈合基體致密化，從而提高了得到復合材料燃燒室火焰筒的彎曲強度及模量。