一种SiCf/SiC 陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103113123A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103113123103113123A(43)申请公布日2013.05.22(21)申请号201310044298.1(22)申请日2013.02.04(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁西路28号(72)发明人鲁中良李涤尘陆峰曹继伟卢秉恒(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人汪人和(51)Int.Cl.C04B35/80(2006.01)C04B35/565(2006.01)C04B35/622(2006.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书6页说明书6页附图2页附图2页(54)发明名称一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法(57)摘要本发明公开了一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，该方法通过分析叶片在使用状态下的应力分布，以此为据，设计采用快速成型、高性能连续纤维编织、凝胶注模，反应烧结等方法制造性能可控型SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片。该方法通过使用非均质材料制造叶片等零件，解决了材料的均一性与不均匀受载结构之间的矛盾，可根据制件承载需要灵活设置材料性能，且具有近净成形变截面复杂结构、材料性能可控、柔性加工、生产周期短、成本低等特点，可应用于航空航天等耐高温复杂结构零件的开发与制造。CN103113123ACN1032ACN103113123A权利要求书1/2页1.一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）根据涡轮叶片在使用条件下的状态，得到其对局部区域材料的性能要求，对应材料设计准则，反求得到局部区材料的组织结构参数；2）将各区域整合，得到陶瓷基复合材料涡轮叶片的零件结构、材料组织结构一体化模型，用光固化快速成型方法制造出涡轮叶片型壳模具和具有拓扑特征的导向支撑支架；3）在预制的导向支撑支架上编织SiC连续纤维；4）将编织有SiC连续纤维的导向支撑支架放入固相浓度为10～25%的聚碳硅烷-二甲苯溶液中，进行多次真空浸渍-干燥-交联工艺；5）采用先驱体涂覆裂解法，在SiC连续纤维表面制备SiC界面层；6）将纤维编织的导向支撑支架固定在光固化树脂型壳内，在真空注型机内浇注陶瓷浆料，得到内部有SiC纤维骨架的陶瓷叶片生坯；7）将陶瓷叶片生坯在50～60℃预固化5～8h，然后以1～2℃/h的升温速率升至180～200℃并保温3～6小时使其完全固化；然后在保护气氛下，将陶瓷叶片生坯升温至800℃使坯体内的有机物裂解，得到叶片素坯；8）将叶片素坯用硅包埋后，升温至1400～1600℃进行反应烧结，烧结30～120min，使液态硅通过毛细管力渗入叶片素坯中，与树脂碳和纳米碳原位反应生成β-SiC，随炉冷却后得到SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片。2.如权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述的涡轮叶片负型模具和模具内部拓扑特的导向支撑支架为：采用CAD软件构建涡轮叶片负型模具和导向支撑支架的三维模型，然后将三维模型转化为STL格式数据；采用分层软件Magics对三维模型进行分层处理，将处理数据导入光固化快速成型制造程序SLARP；采用光固化快速成型方法制造出负型模具和导向支撑支架。3.如权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，连续SiC纤维编织是用连续SiC纤维束，纤维平均直径8～15μm，将纤维束用软质针牵引，在预制支架上进行编织。4.如权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述的在连续纤维的表面制备SiC界面层为：将聚碳硅烷和二甲苯配制成质量分数为15～40%的PCS-xylene溶液，在PCS-xylene溶液中加入占溶液质量20～45%的SiC微粉，配制成SiC-PCS-xylene浆料；将编制好的SiC纤维骨架浸没在SiC-PCS-xylene浆料中，置于真空罐中，抽真空后，加超声波处理，加气压1.0MPa～10.0MPa，保压30min，以确保浸渍液充分进入纤维束孔隙并均匀涂覆于纤维表面；完成浸渍后取出纤维骨架，在空气中于50～80℃干燥1～2h，再于120～150℃保温8～12h完成聚碳硅烷氧化交联；将涂覆有聚碳硅烷的纤维骨架在保护气氛下，以2～5℃/min的速率升温至1000～1200℃进行裂解，保温时间为1～2h，使涂覆在纤维表面的聚碳硅烷无机化生成SiC界面层。5.如权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，2CN103113123A权利要求书2/2页所述步骤6）的陶瓷浆料的制备为：将液