[發明專利]一種碳化硅陶瓷-鎳基合金復合材料零件及其制備方法

有效

• 申請號: 201910817692.1
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110449563B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 王富;方顏;徐文梁;楊強;李滌塵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22D19/00
• 分類號: B22D19/00;C23C30/00;C23C14/35;C23C14/16;B22C9/02;B22C1/00;G16C60/00;G06T17/00;G06F30/17;G06F113/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

1.一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1，對碳化硅陶瓷基體連接部位進行拓撲優化設計，使碳化硅陶瓷基體連接部位具有三維的網狀形貌；

S2，根據設計的碳化硅陶瓷基體，制得碳化硅陶瓷連接基體坯體，對碳化硅陶瓷連接基體坯體進行處理，得到碳化硅陶瓷連接基體；

S3，對碳化硅陶瓷連接基體表面進行預合金化處理，增加碳化硅陶瓷連接基體連接面的金屬活性；

S4，制備氧化鈣基陶瓷模殼；

S5，利用氧化鈣基陶瓷模殼與經預合金化處理后的碳化硅陶瓷連接基體進行澆注；

S6，澆注完成后保溫、冷卻至預設溫度，在水中浸泡，以去除氧化鈣基陶瓷模殼，得到碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件；

S1中，設計碳化硅陶瓷基體的三維模型，對碳化硅陶瓷基體的三維模型進行網狀劃分，將碳化硅陶瓷基體的三維模型的整體結構劃分為若干單元；其次選擇變密度法為拓撲優化方法，采用以下優化模型進行拓撲優化設計：

式中，x_i為陶瓷側需要的設計變量，代表離散單元的相對密度，取值在[x_min，1]之間的連續值；n代表設計變量個數；K為總剛度陣；U為金屬澆注過程中陶瓷產生熱膨脹的位移向量；I為陶瓷結構在金屬澆注過程中產生的熱應力向量；V為結構的體積；V^*為優化后體積的上限值；Min C(x)為最小虛功；Find x為陶瓷側設計變量矩陣；為總體約束條件；

S1中，對優化后碳化硅陶瓷基體連接部位的結構采用ANSYS軟件支持的進化結構優化方法，通過對結合區域進行設計計算，確認低應力或低應變能量密度的單元，并在結構中刪除低應力或低應變能量密度的單元，通過循環遞進作用獲得剩余結構，以剩余結構作為最終碳化硅陶瓷基體表層形貌和拓撲分布的初步數字化模型。

2.根據權利要求1所述的一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，其特征在于，S1中，所述網狀形貌采用四面體、六面體、八面體或十二面體；

S2中，利用SL光固化技術原型得到樹脂負型后，利用凝膠注模方法得到碳化硅陶瓷連接基體坯體，將碳化硅陶瓷連接基體坯體經過冷凍干燥、燒結工藝得到碳化硅陶瓷連接基體；或者將碳化硅陶瓷連接基體坯體經過冷凍干燥、溶滲工藝得到碳化硅陶瓷連接基體。

3.根據權利要求1所述的一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，其特征在于，S3中，碳化硅陶瓷連接基體表面進行預合金化處理的過程包括：

通過化學氣相沉積的方式在碳化硅陶瓷連接基體表面先沉積一層厚度為5-10μmTi，再沉積一層厚度為0.5-1μm的Mo，然后采用磁控濺射方式，選擇鈦鎳合金作為靶材，濺射厚度為5-35μm，濺射時間為5-36h，形成梯度層，鈦鎳合金中，鎳的摩爾分數為10％-60％。

4.根據權利要求1所述的一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，其特征在于，S4中，制備氧化鈣基陶瓷模殼的過程包括：

在氧化鈣基陶瓷模殼中開設半徑為0.5-1mm的流道，流道用于在脫除氧化鈣基陶瓷模殼過程中，水能夠在流道中充分與氧化鈣基陶瓷模殼進行反應，使氧化鈣基陶瓷模殼脫除；

然后通過布爾運算得到樹脂模具三維模型，該樹脂模具三維模型對應的樹脂模具用于制備氧化鈣基陶瓷模殼。

5.根據權利要求4所述的一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，其特征在于，將樹脂模具三維模型導入Hypermesh中進行劃分網狀，網狀大小設置為1.0-3.0，然后劃分單元；通過Hyperworks中的Optistruct對樹脂模具三維模型的結構進行優化；

將優化后的樹脂模具三維模型轉換為STL格式并分層切片及加支撐處理后導入SL成型設備，制備樹脂模具三維模型，然后清洗掉表面液態殘余樹脂并去除支撐，固化后得到內部有層狀結構的樹脂模具；

利用凝膠注模方法和樹脂模具制備得到氧化鈣基陶瓷模殼坯體；

氧化鈣基陶瓷模殼坯體經過冷凍干燥、燒結工藝得到氧化鈣基陶瓷模殼；或者氧化鈣基陶瓷模殼坯體經過冷凍干燥、溶滲工藝得到氧化鈣基陶瓷模殼。