CN106278335B - 一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：1)根据涡轮叶片在工作时的受力，首先设计纤维在叶片内部的走向排布，建立纤维预制体三维模型，然后通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体，再通过SLA光固化成型法制备叶片树脂外形，将纤维预制体与叶片树脂外形组合装配；2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料并完成浇注，待陶瓷浆料固化后得到涡轮叶片素坯；3)去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面的溶剂与有机物，得到叶片多孔体；4)通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法得到纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。本发明能够定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片，提高了零件的力学性能与使用温度。

Description

一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料涡轮叶片的加工方法，具体涉及一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法。

背景技术

涡轮叶片作为燃气涡轮发动机的热端关键件，其工作条件恶劣，需要在高温、高压、高转速带来的复杂负荷下安全可靠的工作，其承温能力直接决定着发动机性能。

镍基高温合金是目前燃气涡轮发动机热端零部件主要采用的材料，其密度约为8.03-9.20g/cm³，当前承温上限约为1150℃，而其熔化温度在1350℃左右。

与镍基高温合金相比，陶瓷基复合材料具有轻质、耐高温、耐腐蚀、高比强和高比模等优点，被认为是是未来高性能发动机热端零部件(涡轮叶片、燃烧室等)的理想材料，在航空航天、国防军工等高新技术领域具有非常广阔的应用前景，但陶瓷材料脆性大、可靠性较差，需要引入增韧相提高材料韧性，并且需要探索一种保持纤维在叶片内部定向成型的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中问题，提供一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，有效提高零件的力学性能与使用温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据涡轮叶片在工作时的受力，首先设计纤维在叶片内部的走向排布，建立纤维预制体三维模型，然后通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体，再通过SLA光固化成型法制备叶片树脂外形，将纤维预制体与叶片树脂外形进行组合装配；

2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料并完成浇注，待陶瓷浆料固化后得到涡轮叶片素坯；

3)去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面的溶剂与有机物，得到叶片多孔体；

4)通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法得到纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。

所述步骤1)中制备纤维预制体的具体操作为：首先将粘结材料融化并包裹在连续纤维表面，然后按照设计的成形路径分层进行连续纤维打印，在纤维预制体的上下两端设置用于连接、支撑各层以及提供各层沉积起始位置的工艺支架结构，连续纤维搭接在工艺支架结构上，调整纤维间距后即得到沿叶片主应力定向连续排布的纤维预制体。

所述的工艺支架结构包括若干个工艺隔层以及连接所有工艺隔层两端的支架体，调整纤维间距包括调整纤维的稀疏程度以及工艺隔层的层距。

将粘结材料与纤维通入加热喷头融化，粘结材料包裹在连续纤维表面并从打印喷嘴挤出。

所述的纤维预制体由芯部增强材料与外部粘结材料组成，芯部增强材料为碳纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维，外部粘结材料为热塑性材料或者热塑性材料与短纤维组成的混合材料。

所述的步骤3)中去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面溶剂与有机物的工艺包括干燥及热解，经过热解工艺使纤维预制体表面的粘结材料碳化烧蚀，形成间隙。

所述陶瓷浆料中的陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆或氧化铝中的一种或多种组合而成的混合物。

所述陶瓷浆料经过三级级配，固相含量为20vol％～65vol％，浆料粘度小于1Pa.s，颗粒的粒径范围为0.5μm～50μm。

所述的步骤2)中陶瓷浆料的浇注在真空注型机内完成。

所述的步骤4)中首先通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法对叶片多孔体沉积一层热解碳涂层，然后再沉积碳化硅实现基体致密化，最终得到纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片。

与现有技术相比，本发明具通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体，制备出的纤维沿涡轮叶片工作时的主应力方向连续排布，能够按照零件工作需求定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片。此外，通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法进行零件致密化，既实现了在较低的温度下完成高性能陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造，同时在纤维表面制备出一层均匀的沉积物，有效提高了零件的力学性能与使用温度。相比于纤维编织与铺放，本发明使用的FDM熔融沉积法能够使制备得到的纤维预制体具有一定形状精度，满足复杂结构的要求，而且纤维走向排布沿着涡轮叶片叶身的主应力方向，纤维与纤维之间孔隙结构可控。SLA光固化成型法的特点是成形精度高、制造零件的表面质量好，特别适合于制作含有复杂精细结构的叶片树脂外形，利用这一优势特点为定制化制造三维模具以支持纤维预制体成形提供了有利条件。

进一步的，本发明在制备纤维预制体时，在纤维预制体的上下两端设置有用于连接、支撑各层以及提供各层沉积起始位置的工艺支架结构，并且工艺支架结构包括若干个工艺隔层以及连接所有工艺隔层两端的支架体，在结构上引入支架体与工艺隔层的目的是为了控制纤维与纤维之间的孔隙，在浇注过程中，陶瓷颗粒能够进入到这些孔隙当中，最终得到陶瓷颗粒从外到内包裹纤维的均匀组织，这有助于叶片性能的提升。

进一步的，本发明在制备陶瓷浆料时选用多级级配，颗粒粒径从0.5μm到50μm，浆料粘度控制在1Pa.s以内，保证了浆料的充型能力，尤其对于孔隙较小的结构也能有效充型。

进一步的，本发明浇注过程中陶瓷浆料为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆或氧化铝中的一种或多种组合而成的混合物，随涡轮叶片的使用温度与性能要求相应进行选择。

进一步的，本发明在使用CVD/CVI化学沉积/渗透工艺过程中，首先将叶片多孔体在低温条件下快速进行化学气相沉积，能够在纤维表面沉积出一层均匀的热解碳保护纤维，然后再缓慢进行碳化硅的沉积与渗透，该工艺在纤维表面沉积两层涂层(热解碳、碳化硅)，使得叶片在工作时，延长了裂纹扩展路径，消耗了大量的断裂能从而提高叶片力学性能。

附图说明

图1本发明制造方法的工艺流程图；

图2纤维预制体与叶片树脂外形组合装配图；

图3本发明纤维预制体的结构示意图；

图4(a)纤维预制体中连续纤维增强层成型路径图；

图4(b)纤维预制体中工艺隔层成型路径图；

附图中：1-纤维预制体；2-叶片树脂外形；3-支架体；4-工艺隔层；5-成型初始/终止位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：

(1)制造纤维预制体；

根据涡轮叶片工作时的主应力方向，确定纤维在叶片内部的排布。使用UG三维造型软件设计叶片内部纤维预制体1的三维模型。设计过程中考虑快速成型分层厚度，使切片分层处理后的成形路径与设计相一致，通过设计定向纤维的疏密或添加工艺隔层4控制纵向及横向的间距，如图3，4所示，最终得到沿叶片主应力定向连续排布的纤维预制体模型。

输出STL文件，使用快速成型后处理软件Magics进行模型切片分层，将处理后数据文件导入熔融沉积成型设备制造纤维预制体1，经后处理用于后续工艺。

(2)制造叶片树脂模具；

采用三维造型软件设计叶片树脂外形2模具，树脂模具包括叶片外形型壳、预制体定位结构，及陶瓷浆料浇注***。然后将三维模型转化为STL格式，并使用后处理软件对三维模型进行分层处理及添加支撑，将处理后数据文件导入光固化快速成型设备进行制造。

(3)凝胶注模成型；

1)将纤维预制体1与叶片树脂外形2组合装配，如图2所示。

2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料：将有机单体丙烯酰胺AM和交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺MBAM，按照质量比为(6～24):1混合，然后在室温下(25℃)溶解到去离子水中，配制成质量分数为15％～25％的预混液。将微米SiC混合粉末加入分散好的预混液中，然后加入固相成分0.5wt％～2wt％的聚丙烯酸钠作为分散剂。然后把浆料置入机械搅拌器内搅拌，搅拌时间设定为20min～45min，最终得到固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆料。微米SiC混合粉末的加入量与预混液的体积比为(39～49)：45。

3)将SiC悬浮浆料置入真空注型机内，先后加入适量的催化剂和引发剂，搅拌均匀后开始向树脂模具内浇注悬浮浆料，并在树脂模具内排尽浆料内的气泡。待真空浇注完成后，在大气环境下常温静置，完成单体交联固化得到凝胶后的叶片素坯；

其中，所述催化剂为质量分数为25％的四甲基乙二胺溶液，引发剂为质量分数为30％过硫酸铵溶液，催化剂的质量与引发剂的质量比为1:(6～7)。

(4)冷冻干燥；

将凝胶后的叶片素坯放置于-60℃的冻柜内，冷冻3h～5h，使素坯中的水分完全冷冻结晶。然后使用液氮将素坯的树脂模具剥离，并去除纤维预制体在叶片以外的部分，再将其放入冷冻干燥机的真空负压舱内，持续抽真空(真空度保持在0.1Pa～10Pa)，使得生坯内的结晶水完全升华，从而得到干燥的叶片素坯。

(5)脱脂；

将干燥的素坯在气氛箱式炉内进行脱脂，以氩气为保护气体，以室温～200℃(升温速率为5℃/min)、200～700℃(升温速率为1℃/min)、700～900℃(升温速率为2℃/min)、900℃保温1h作为升温工艺参数。脱脂完成后去除素坯内部以及纤维表面的有机物，得到孔径在5μm左右的SiC陶瓷叶片多孔体。

(6)化学气相沉积/渗透；

将步骤(5)中叶片多孔体放在化学气相沉积/渗透炉中，以丙烯为气源物质，氢气作为载气，氢气流量300ml/min，，炉内温度为900-1100℃，快速沉积热解碳，沉积时间2～8h。然后以三氯甲基硅烷(MTS)作为气源物质，氢气作为载气，氩气作为稀释气，沉积温度1100～1300℃，气氛压力3kPa，氩气流量200～400ml/min，氢气流量300ml/min，沉积时间100h。

通过气体扩散对孔隙进行碳化硅化学气相沉积/渗透，得到连续纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。

Claims (10)

1.一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据涡轮叶片在工作时的受力，首先设计纤维在叶片内部的走向排布，建立纤维预制体三维模型，然后通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体(1)，再通过SLA光固化成型法制备叶片树脂外形(2)，将纤维预制体(1)与叶片树脂外形(2)进行组合装配；

2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料并完成浇注，待陶瓷浆料固化后得到涡轮叶片素坯；

3)去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面的溶剂与有机物，得到叶片多孔体；

4)通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法得到纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。

2.根据权利要求1所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中制备纤维预制体(1)的具体操作为：首先将粘结材料融化并包裹在连续纤维表面，然后按照设计的成形路径分层进行连续纤维打印，在纤维预制体(1)的上下两端设置用于连接、支撑各层以及提供各层沉积起始位置的工艺支架结构，连续纤维搭接在工艺支架结构上，调整纤维间距后即得到沿叶片主应力定向连续排布的纤维预制体(1)。

3.根据权利要求2所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述的工艺支架结构包括若干个工艺隔层(4)以及连接所有工艺隔层(4)两端的支架体(3)，调整纤维间距包括调整纤维的稀疏程度以及工艺隔层(4)的层距。

4.根据权利要求2所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：将粘结材料与纤维通入加热喷头融化，粘结材料包裹在连续纤维表面并从打印喷嘴挤出。

5.根据权利要求2所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述的纤维预制体(1)由芯部增强材料与外部粘结材料组成，芯部增强材料为碳纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维，外部粘结材料为热塑性材料或者热塑性材料与短纤维组成的混合材料。

6.根据权利要求2所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面溶剂与有机物的工艺包括干燥及热解，经过热解工艺使纤维预制体(1)表面的粘结材料碳化烧蚀，形成间隙。

7.根据权利要求1所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述陶瓷浆料中的陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆或氧化铝中的一种或多种组合而成的混合物。

8.根据权利要求1或7所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述陶瓷浆料经过三级级配，固相含量为20vol％～65vol％，浆料粘度小于1Pa.s，颗粒的粒径范围为0.5μm～50μm。

9.根据权利要求1所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中陶瓷浆料的浇注在真空注型机内完成。

10.根据权利要求1所述纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，其特征在于：所述的步骤4)中首先通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法对叶片多孔体沉积一层热解碳涂层，然后再沉积碳化硅实现基体致密化，最终得到纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片。