CN106955988A - 耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法 - Google Patents

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Abstract

耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，本发明涉及高温耐烧蚀复合材料制备技术领域。本发明要解决现有耐烧蚀材料如C/C、C/C‑SiC由于加工精度低以及高温环境下力学性能差的问题。方法：一、确定连接形式；二、加工金属零件和非金属零件；三、装配组合构件；四、刷涂脱模剂，放入石墨胎膜；五、预热，将浸渗合金倒入模具中，施加压力，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件。本发明工艺简单，成本低、可获得近净尺寸的结构功能一体化的、具有良好耐烧蚀性能的耗散防热复合材料构件。本发明方法用于耐烧蚀材料的制备。

Description

耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法
技术领域
本发明涉及高温耐烧蚀复合材料制备技术领域。
背景技术
目前高速飞行器的主要受热部件用的耐烧蚀材料是C/C及C/C-SiC复合材料、高温陶瓷材料等。上述耐烧蚀材料虽然具有良好的耐烧蚀性能，但是在制备某些特殊部位如传动轴等耐烧蚀构件时，由于加工精度低，存在构件与其它部件的连接及装配配合精度低，连接强度低等问题。尤其是对于一些在高温高压的条件下，一些构件不仅要承受高的热流，还要承受较大的应力，而C/C及C/C-SiC复合材料由于材料自身强度的限制，无法满足构件的力学性能要求；而高温陶瓷材料虽然强度较高，但由于材料的本征脆性也无法满足超高速气流产生的力的冲击。由于上述材料的制备工艺的限制，对于耐烧蚀部位和连接部位无法分别加工成零件后再进行装配，更无法实现一体化成型。
专利CN201610474241.9是关于金属材料与塑料连接的方法，专利CN201610406278.8、CN201610339408.0、CN103231203A、CN104722919A、CN102794572A等都是关于异种金属材料的焊接方式连接的方法。现有的一些关于异种材料连接的专利多数是关于两种不同材质的金属材料通过焊接方法来实现的。而关于非金属耐烧蚀材料与金属之间的异种材料的连接还未见报到。
综上所述,目前还没有一种能够将用于抗高温氧化烧蚀的石墨或C/C材料与金属材料进行镶嵌一体化连接成型的制备工艺方法。
发明内容
本发明要解决耐烧蚀材料加工及装配连接精度低以及转轴等承力部位强度不能满足设计要求的问题，而提供耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式；
二、按照步骤一确定的连接形式，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；
五、预热模具和浸渗合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
本发明中金属零件用于构件与其它零件具有装配精度要求的部位。非金属部分用于抵抗高温及气流冲刷的部位。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单，成本低、能够综合考虑复合材料的防热性能与连接金属零件韧性好的优势，金属零件与非金属耗散防热材料连接紧密、可靠，可在很短的加工周期内获得近净尺寸的结构功能一体化的、具有良好耐烧蚀性能的耗散防热复合材料构件，并解决了防热结构件与整体结构的尺寸配合精度问题。
本发明方法用于耐烧蚀材料的制备。
附图说明
图1为实施例一步骤一中连接形式示意图，其中1代表非金属零件材料，2代表带螺纹金属轴；
图2为实施例三步骤一中连接形式示意图，其中a代表非金属零件材料，b代表金属销，c代表带孔金属轴。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式；
二、按照步骤一确定的连接形式，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；
五、预热模具和浸渗合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中连接形式为螺纹连接或销轴连接。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中连接形式为销轴连接时，销为圆形或扁片形。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中金属零件的材料为耐热钢、Fe基/Ni基高温合金、Mo合金、Ti合金或W合金。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中非金属零件的材料为石墨或C\C。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：非金属零件的材料是密度为1.6g/cm3～1.8g/cm3的C/C复合材料。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中非金属零件的材料为电极石墨或高纯石墨。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中脱模剂为BN。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中浸渗合金为Al、Mg、Si、Mo、Zr和Ta元素中的两种、三种或四种的混合。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一中金属零件材料为耐热钢，非金属零件材料为密度为1.7g/cm3的高纯石墨时，步骤五中将模具在箱式电阻炉中预热至600～700℃，将浸渗合金预热至750～900℃，浸渗合金为Al、Si按质量比4:1配制的AlSi合金。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为AlSi Mo三元合金，将浸渗合金预热至860～980℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为AlSiZr三元合金，将浸渗合金预热至800～950℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为AlSiTa三元合金，将浸渗合金预热至880～1050℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为AlSiMoTa四元合金，将浸渗合金预热至700～850℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为AlMg合金，将浸渗合金预热至700～850℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中浸渗合金为Al、Si按质量比3:2配制的AlSi合金，将浸渗合金预热至1000～1100℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤五中预热温度为高于浸渗合金熔点100～200℃。其它与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同的是：步骤五中施加压力为20～50MPa。其它与具体实施方式一至十七之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式为螺纹连接；其中金属零件材料为耐热钢，非金属零件材料为密度为1.7g/cm3的高纯石墨；
二、按照步骤一确定的螺纹连接，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；脱模剂为BN；
五、将模具在箱式电阻炉中预热至650℃，将浸渗合金预热至800℃，浸渗合金为Al、Si按质量比4:1配制AlSi合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力25MPa，保持10min，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
本实施例步骤一中连接形式示意图如图1所示，其中1代表非金属零件材料，2代表带螺纹金属轴。
实施例二：
本实施例耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式为螺纹连接；其中金属零件材料为耐热钢，非金属零件材料为密度为1.7g/cm3的高纯石墨；
二、按照步骤一确定的螺纹连接，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；脱模剂为BN；
五、将模具在箱式电阻炉中预热至800℃，将浸渗合金预热至1100℃，浸渗合金为Al、Si按质量比3:2配制AlSi合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力25MPa，保持10min，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
实施例三：
本实施例耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式为销轴连接；其中，金属零件材料为耐热钢，非金属零件材料为密度为1.7g/cm3的高纯石墨；销为圆形，销和轴的材质为耐热钢；
二、按照步骤一确定的销轴连接，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入与组合构件外形一致的石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；脱模剂为BN；
五、将模具在箱式电阻炉中预热至650℃，将浸渗合金预热至800℃，浸渗合金为Al、Si按质量比4:1配制AlSi合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力25MPa，保持10min，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
本实施例步骤一中连接形式示意图如图2所示，其中a代表非金属零件材料，b代表金属销，c代表带孔金属轴。
实施例四：
本实施例耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式为销轴连接；其中，金属零件材料为耐热钢，非金属零件材料为密度为1.7g/cm3的C/C复合材料；销为扁形，销的材质为W合金，轴的材质为Mo合金；
二、按照步骤一确定的销轴连接，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入与组合构件外形一致的石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；脱模剂为BN；
五、将模具在箱式电阻炉中预热至650℃，将浸渗合金预热至800℃，浸渗合金为Al、Si、Mg按质量比3:1:1配制AlSi合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力25MPa，保持10min，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
本发明工艺简单，成本低、能够综合考虑复合材料的防热性能与连接金属零件韧性好的优势，金属零件与非金属耗散防热材料连接紧密、可靠，可在很短的加工周期内获得近净尺寸的结构功能一体化的、具有良好耐烧蚀性能的耗散防热复合材料构件，并解决了防热结构件与整体结构的尺寸配合精度问题。

Claims (10)

1.耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、根据要求设计金属零件与非金属零件的连接形式；
二、按照步骤一确定的连接形式，加工金属零件和非金属零件；
三、将步骤二加工的金属零件和非金属零件装配成组合构件；
四、将步骤三装配的组合构件刷涂脱模剂，放入石墨胎膜中；然后将石墨胎膜放入模具中；
五、预热模具和浸渗合金，然后将浸渗合金倒入模具中，放石墨压头，施加压力，将浸渗合金渗入组合构件中；冷却，脱模，获得非金属复合材料镶嵌金属构件，完成耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法。
2.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤一中连接形式为螺纹连接或销轴连接。
3.根据权利要求2所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤一中连接形式为销轴连接时，销为圆形或扁片形。
4.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤一中金属零件的材料为耐热钢、Fe基/Ni基高温合金、Mo合金、Ti合金或W合金。
5.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤一中非金属零件的材料为石墨或C\C。
6.根据权利要求5所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤一中非金属零件的材料为电极石墨或高纯石墨。
7.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于浸渗合金为Al、Mg、Si、Mo、Zr和Ta元素中的两种、三种或四种的混合。
8.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤四中脱模剂为BN。
9.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤五中预热温度为高于浸渗合金熔点100～200℃。
10.根据权利要求1所述的耗散放热复合材料与金属材料一体化镶嵌制备方法，其特征在于步骤五中施加压力为20～50MPa。
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