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CN113929467B - 带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法 - Google Patents

带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，具体涉及一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其目的是解决现有SiC/SiC陶瓷复合叶身类构件存在出气孔加工难度较大，难以通过调整出气孔的尺寸实现叶身类构件透气降温的技术问题。该方法将SiC/SiC二维平纹布缠绕至叶身内模定型模具上，在叶身后端的出气孔端预制宽度为0.7mm缝隙，经界面层沉积、高温处理、碳化硅基体层沉积，达到一定密度后，加工成满足相应要求规格的叶身零件，再经过在保证叶身预留缝隙前提下，在叶身后端按一定尺寸铆接碳化硅销钉，再进行碳化硅基体层沉积，使得叶身构件最终达到满足要求的密度和性能要求，制造出满足设计使用要求的叶身构件。

Description

带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备 方法
技术领域
本发明涉及一种SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，具体涉及一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法。
背景技术
SiC/SiC陶瓷复合材料叶身构件属于典型航空发动机高温热结构件，除需具有优异的防热性能外，还需具有较好的承载能力，随着发动机技术的不断发展，发动机对叶身构件的结构强度、刚度以及抗疲劳性能提出了更严苛的要求，故需要进一步探索SiC/SiC陶瓷复合材料耐受更高温度的工艺方法。但是，现有叶身类构件出气孔的加工难度较大，难以通过调整出气孔的尺寸实现叶身类构件的透气降温。
发明内容
本发明的目的是解决现有SiC/SiC陶瓷复合叶身类构件存在出气孔加工难度较大，难以通过调整出气孔的尺寸实现叶身类构件透气降温的技术问题，提供一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)原材料选用和叶身内外模定型模具加工
A)选用高强石墨，加工制造叶身内外模定型模具；
B)选用SiC/SiC二维平纹布；
2)定型
利用叶身内外模定型模具，采用二维叠层、原位缝制法，定型并缝制满足工艺要求的预制体，在预制体透气孔处预留缝隙；
3)氮化硼界面层制备
将预制体放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间在预制体纤维表面沉积一定厚度的氮化硼界面层；
4)碳化硅基体层制备
将已沉积氮化硼界面层的预制体在化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间，在表面沉积一定厚度的碳化硅基体层；
5)数铣
按照预先设定的加工数学模型及数控加工程序，对沉积了碳化硅基体层的预制体加工叶身外型尺寸；
6)扰流柱加工
清理预留的所述缝隙，在预制体叶身后缘加工扰流柱孔，并在扰流柱孔处铆接SiC/SiC销钉作为扰流柱；
7)碳化硅基体沉积
将铆接完成的预制体再次放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间，在预制体表面沉积满足一定密度要求的碳化硅基体层，得到带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件。
进一步地，步骤2)中，所述的利用叶身内外模定型模具，采用二维叠层、原位缝制法，定型并缝制满足工艺要求的预制体，具体是指：
2.1)将SiC/SiC二维平纹布缠绕于叶身内模定型模具上；
2.2)使用碳化硅纤维对缠绕后的SiC/SiC二维平纹布进行缝制，使得SiC/SiC二维平纹布与叶身内模定型模具紧密贴合；
2.3)使用外模模具对缝制后的SiC/SiC二维平纹布进行固定，利用内外模具之间的间隙得到满足预定厚度的预制体。
进一步地，步骤3)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为200-1000℃，压强为＜1500Pa，时间为24～100h；
流量为：稀释氩气流量0.2～1.5L/min、稀释氢气流量0.2～1.5L/min、氨气流量0.05～0.8L/min、三氯化硼流量0.01～0.8L/min。
进一步地，步骤4)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为500～1500℃，压强为＜3500Pa，时间为24～180h；
流量为：鼓泡氢气1～10L/min、稀释氢气0.1～10L/min、稀释氩气0.1～10L/min、甲基三氯硅烷5～70L/min。
进一步地，步骤7)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为500～1500℃，压强为＜3500Pa，时间为24～180h；
流量为：鼓泡氢气1～10L/min、稀释氢气0.1～10L/min、稀释氩气0.1～10L/min、甲基三氯硅烷5～70L/min。
进一步地，步骤6)中清理预留的所述缝隙，直至预留缝隙处平整，无凹凸点。
进一步地，步骤2)中，所述缝隙的宽度为0.7mm。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，将SiC/SiC二维平纹布缠绕至叶身内模定型模具上，在叶身后端的出气孔端预制宽度为0.7mm缝隙，经界面层沉积、高温处理、碳化硅基体层沉积，达到一定密度后，加工成满足相应要求规格的叶身零件，然后在保证叶身预留缝隙前提下，在叶身后端按一定尺寸铆接碳化硅销钉(即扰流柱)，之后再进行碳化硅基体层沉积，使得叶身构件最终达到密度和性能要求，制造出满足设计使用要求的叶身构件(零件)。本发明的方法，创新性地在叶身零件缝隙(劈缝)中增加了扰流柱，增大了冷空气在叶身内部的接触面积及延长了冷空气的留滞时间，大大提升了陶瓷基复合材料叶身类零件的透气降温性能，有效解决了叶身类零件出气孔加工难度大的问题，对提升SiC/SiC陶瓷复合材料叶身零件防热性能具有非常重要的意义和积极的作用。
2、本发明提供的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，工艺稳定，质量可控；工艺性强，对预制体预留缝隙的要求不高；工艺适应性好，可满足多种规格叶身类零件的生产。
附图说明
图1为本发明带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件的预定厚度的预制体的制备流程图，图中，A为叶身内模定型模具，B为SiC/SiC二维平纹布，C1为外模模具下半部，C2为外模模具上半部；
图2为本发明带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件的结构示意图；
图3为本发明带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件的侧视图；
图4为图3中扰流柱处的局部放大图；
附图标记说明：
1-叶身构件、2-缝隙、3-扰流柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，包括以下步骤：
1)原材料选用和叶身内外模定型模具加工
A)选用高强石墨(体积密度为≥1.75g/cm3，电阻率≤8USLm，抗折强度≥13MPa，抗压强度≥30MPa，热膨胀系数≤2.5，灰度≤0.3％)，加工制造叶身内外模定型模具(石墨内模模具)；
B)选用SiC/SiC二维平纹布(碳化硅布)；
2)定型
利用叶身内外模定型模具，采用二维叠层、原位缝制法，定型并缝制满足工艺要求的预制体，在预制体透气孔处预留0.7mm宽的缝隙，所述工艺要求具体是指：
如图1所示，具体方法如下：
2.1)将SiC/SiC二维平纹布缠绕于叶身内模定型模具上；
2.2)使用碳化硅纤维对缠绕后的SiC/SiC二维平纹布进行缝制，保证SiC/SiC二维平纹布与叶身内模定型模具紧密贴合；
2.3)使用外模模具对缝制后的SiC/SiC二维平纹布进行固定，利用内外模具之间的间隙得到满足预定厚度的预制体(即控制碳化硅布铺层厚度)；
其中，外模模具通过本领域现有常规技术手段可以制备得到，只要保证其与叶身内模定型模具配合使用后，能够得到满足预定厚度的预制体即可；
3)氮化硼界面层制备
将预制体放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度450℃，压强＜1200Pa，时间48h，流量：稀释氩气0.9L/min、稀释氢气0.9L/min、氨气0.75L/min、三氯化硼0.7L/min，在预制体纤维表面沉积一定厚度的氮化硼界面层；
4)碳化硅基体层制备
将已沉积氮化硼界面层的预制体在化学气相沉积炉内，按照预设的温度800℃，压强2300Pa，时间120h，流量：鼓泡氢气8L/min、稀释氢气8L/min、稀释氩气6.8L/min、甲基三氯硅烷25L/min，在表面沉积一定厚度的碳化硅基体层；
5)数铣
按照预先设定的加工数学模型及数控加工程序，如图1所示，对沉积了碳化硅基体层的预制体加工叶身外型尺寸；
6)扰流柱加工
清理预留的所述缝隙，保证预留缝隙处平整，无凹凸点，在预制体叶身后缘加工扰流柱孔，并在扰流柱孔处铆接SiC/SiC销钉作为扰流柱；扰流柱孔位在叶身后缘排布成品字形，孔间距为8～10mm，但不局限于品字形排布，也可设计为曲线阵列或直线阵列；
7)碳化硅基体沉积
将铆接完成的预制体再次放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度800℃，压强2300Pa，时间96h，流量：鼓泡氢气7L/min、稀释氢气7L/min、稀释氩气5L/min、甲基三氯硅烷20L/min，在预制体表面沉积满足一定密度要求的碳化硅基体层，最终得到如图2至图4所示的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件。
制备完成后，按照相关技术要求对所得叶身构件的尺寸、外观、密度、强度进行检验，结果表明：扰流柱及叶身缝隙(劈缝)尺寸稳定可控，满足零件(叶身构件)使用要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原材料选用和叶身内外模定型模具加工
A)选用高强石墨，加工制造叶身内外模定型模具；
B)选用SiC/SiC二维平纹布；
2)定型
利用叶身内外模定型模具，采用二维叠层、原位缝制法，定型并缝制满足工艺要求的预制体，在预制体透气孔处预留缝隙；
所述的利用叶身内外模定型模具，采用二维叠层、原位缝制法，定型并缝制满足工艺要求的预制体，具体是指：
2.1)将SiC/SiC二维平纹布缠绕于叶身内模定型模具上；
2.2)使用碳化硅纤维对缠绕后的SiC/SiC二维平纹布进行缝制，使得SiC/SiC二维平纹布与叶身内模定型模具紧密贴合；
2.3)使用外模模具对缝制后的SiC/SiC二维平纹布进行固定，利用内外模具之间的间隙得到满足预定厚度的预制体；
3)氮化硼界面层制备
将预制体放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间在预制体纤维表面沉积一定厚度的氮化硼界面层；
4)碳化硅基体层制备
将已沉积氮化硼界面层的预制体在化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间，在表面沉积一定厚度的碳化硅基体层；
5)数铣
按照预先设定的加工数学模型及数控加工程序，对沉积了碳化硅基体层的预制体加工叶身外型尺寸；
6)扰流柱加工
清理预留的所述缝隙，直至预留缝隙处平整，无凹凸点，在预制体叶身后缘加工扰流柱孔，并在扰流柱孔处铆接SiC/SiC销钉作为扰流柱；
7)碳化硅基体沉积
将铆接完成的预制体再次放入化学气相沉积炉内，按照预设的温度、压力、流量和时间，在预制体表面沉积满足一定密度要求的碳化硅基体层，得到带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件。
2.根据权利要求1所述的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特征在于：
步骤3)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为200-1000℃，压强为＜1500Pa，时间为24～100h；
流量为：稀释氩气流量0.2～1.5L/min、稀释氢气流量0.2～1.5L/min、氨气流量0.05～0.8L/min、三氯化硼流量0.01～0.8L/min。
3.根据权利要求2所述的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特征在于：
步骤4)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为500～1500℃，压强为＜3500Pa，时间为24～180h；
流量为：鼓泡氢气1～10L/min、稀释氢气0.1～10L/min、稀释氩气0.1～10L/min、甲基三氯硅烷5～70L/min。
4.根据权利要求3所述的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特征在于：
步骤7)中，所述预设的温度、压强、流量和时间具体为：
温度为500～1500℃，压强为＜3500Pa，时间为24～180h；
流量为：鼓泡氢气1～10L/min、稀释氢气0.1～10L/min、稀释氩气0.1～10L/min、甲基三氯硅烷5～70L/min。
5.根据权利要求4所述的带有微小扰流柱降温缝隙的SiC/SiC陶瓷复合叶身构件制备方法，其特征在于：
步骤2)中，所述缝隙的宽度为0.7mm。
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