[發明專利]多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環

有效

• 申請號: 201810059256.8
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108316977B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 羅瑞盈;鄧楚燕
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D9/00
• 分類號: F01D9/00;B32B9/00;B32B9/04;B32B15/04;B32B33/00
• 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

本發明涉及一種多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環，渦輪外環是采用纖維增強陶瓷基復合材料制備而成；纖維增強陶瓷基復合材料依次由纖維層、第一基體層和第二基體層組成；其中，第一基體層為氮化鋁層；纖維為碳纖維和/或碳化硅纖維。本發明提供的多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環，通過在多元多層自愈合陶瓷基復合材料的纖維和碳化硅基體間增加AlN陶瓷界面層，可以降低渦輪外環內部的最大應力，從而有效實現材料內部在冷卻過程中的能量釋放，控制裂紋的形成，能夠更好的滿足發動機尤其是高性能航空發動機的需求。

技術領域

本發明涉及陶瓷基復合材料技術領域，具體涉及一種多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環。

背景技術

隨著民用和軍用航空發動機的發展，對于航空發動機的要求越來越高，如推重比越來越高。而渦噴發動機提高推重比的主要途徑為降低重量、提高渦輪前溫度，從而對發動機內部構件高溫強度、抗腐蝕性及抗氧化性能要求也越來越高，其中發動機渦輪外環是渦輪主要靜子件，承受高溫、高壓，要求能自由膨脹、耐磨，以適應機匣的膨脹和轉子的適當碰磨。目前渦輪外環通常采用鎳基和鈷基高溫合金材料并通冷氣冷卻，難以滿足發動機安全可靠工作所必需的高溫蠕變強度和高溫抗氧化腐蝕能力，以及降低發動機結構重量提高功重比的需求，因此，國內和國外正在開展陶瓷基渦輪外環的材料、工藝及應用研究。由于陶瓷基復合材料相較于高溫合金有更高的耐受溫度、更低的密度、對裂紋不敏感、不發生災難性的損毀等優異性能，已成為發動機渦輪外環的首選材料。但由于航空發動機內部構件工作在高溫水氧耦合環境下，為了提高陶瓷基復合材料抗高溫氧化能力，需通過對基體進行自愈合改性，改善陶瓷基復合材料的長時間高溫抗氧化性能。

對于傳統的多元多層自愈合陶瓷基復合材料，由于纖維、SiC、BC4等熱膨脹系數相差大，它們之間易因熱膨脹失配而產生裂紋形成氧的快速擴散通道，導致纖維/SiC零件失效。因此，控制裂紋形成，是需要克服的難點。

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多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環，以降低渦輪外環內部的最大應力，從而有效實現材料內部在冷卻過程中的能量釋放，控制裂紋的形成。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明提供了一種多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環，渦輪外環是采用纖維增強陶瓷基復合材料制備而成；纖維增強陶瓷基復合材料依次由纖維層、第一基體層和第二基體層組成；其中，第一基體層為氮化鋁層；纖維為碳纖維和/或碳化硅纖維。需要說明的是，本發明在碳纖維和碳化硅基體間通過鋁的氧化物與石墨通氮還原合成法引入了一種新的界面相：AlN，由于氮化硼的熱膨脹系數介于碳化硅纖維和碳化硅基體之間，可以有效緩解纖維基體界面的應力集中，有效控制裂紋形成。需要說明的是，在碳纖維和碳化硅基體間通過鋁的氧化物與石墨通氮還原合成法引入AlN界面相具體包括步驟：采用質量比為1:3的氧化鋁粉和石墨為原料，通過球磨混合，得到粒徑為5～15μm的粉末，然后將碳化硅預制體包埋在粉末中，置于石墨坩堝中，在N₂氣氛下進行AlN合成，合成溫度為1600℃，保溫4h；之后在空氣中于600℃保溫10h，即可制得AlN界面層。

優選地，第二基體層由交替沉積的碳化硅層和自愈合層組成。

優選地，自愈合層為BC₄層。

優選地，第二基體層中，交替沉積的次數為多次，多次優選指2～5次，更優選為2次，得到依次由纖維層、氮化鋁層、碳化硅層、自愈合層、碳化硅層和自愈合層組成的纖維增強陶瓷基復合材料。

優選地，第一基體層的厚度為2μm，各碳化硅層和各自愈合層的厚度均為2μm。

優選地，纖維層和第一基體層的厚度比為2:1。

優選地，多元多層自愈合陶瓷基復合材料發動機渦輪外環的內部的最大應力不高于1.86GPa。