一種纖維定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片的製造方法與流程

2023-06-21 07:53:27

本發明涉及一種複合材料渦輪葉片的加工方法，具體涉及一種纖維定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片的製造方法。

背景技術：

渦輪葉片作為燃氣渦輪發動機的熱端關鍵件，其工作條件惡劣，需要在高溫、高壓、高轉速帶來的複雜負荷下安全可靠的工作，其承溫能力直接決定著發動機性能。

鎳基高溫合金是目前燃氣渦輪發動機熱端零部件主要採用的材料，其密度約為8.03-9.20g/cm3，當前承溫上限約為1150℃，而其熔化溫度在1350℃左右。

與鎳基高溫合金相比，陶瓷基複合材料具有輕質、耐高溫、耐腐蝕、高比強和高比模等優點，被認為是是未來高性能發動機熱端零部件(渦輪葉片、燃燒室等)的理想材料，在航空航天、國防軍工等高新技術領域具有非常廣闊的應用前景，但陶瓷材料脆性大、可靠性較差，需要引入增韌相提高材料韌性，並且需要探索一種保持纖維在葉片內部定向成型的方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術中問題，提供一種纖維定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片的製造方法，有效提高零件的力學性能與使用溫度。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案包括以下步驟：

1)根據渦輪葉片在工作時的受力，首先設計纖維在葉片內部的走向排布，建立纖維預製體三維模型，然後通過FDM熔融沉積法製備纖維預製體，再通過SLA光固化成型法製備葉片樹脂外形，將纖維預製體與葉片樹脂外形進行組合裝配；

2)配製滿足澆注要求的陶瓷漿料並完成澆注，待陶瓷漿料固化後得到渦輪葉片素坯；

3)去除渦輪葉片素坯內部以及纖維表面的溶劑與有機物，得到葉片多孔體；

4)通過CVD/CVI化學氣相沉積/滲透法得到纖維定向增韌的陶瓷基複合材料渦輪葉片。

所述步驟1)中製備纖維預製體的具體操作為：首先將粘結材料融化並包裹在連續纖維表面，然後按照設計的成形路徑分層進行連續纖維列印，在纖維預製體的上下兩端設置用於連接、支撐各層以及提供各層沉積起始位置的工藝支架結構，連續纖維搭接在工藝支架結構上，調整纖維間距後即得到沿葉片主應力定向連續排布的纖維預製體。

所述的工藝支架結構包括若干個工藝隔層以及連接所有工藝隔層兩端的支架體，調整纖維間距包括調整纖維的稀疏程度以及工藝隔層的層距。

將粘結材料與纖維通入加熱噴頭融化，粘結材料包裹在連續纖維表面並從列印噴嘴擠出。

所述的纖維預製體由芯部增強材料與外部粘結材料組成，芯部增強材料為碳纖維、碳化矽纖維或氧化鋁纖維，外部粘結材料為熱塑性材料或者熱塑性材料與短纖維組成的混合材料。

所述的步驟3)中去除渦輪葉片素坯內部以及纖維表面溶劑與有機物的工藝包括乾燥及熱解，經過熱解工藝使纖維預製體表面的粘結材料碳化燒蝕，形成間隙。

所述陶瓷漿料中的陶瓷粉末為碳化矽、氮化矽、碳化硼、硼化鋯或氧化鋁中的一種或多種組合而成的混合物。

所述陶瓷漿料經過三級級配，固相含量為20vol％～65vol％，漿料粘度小於1Pa.s，顆粒的粒徑範圍為0.5um～50um。

所述的步驟2)中陶瓷漿料的澆注在真空注型機內完成。

所述的步驟4)中首先通過CVD/CVI化學氣相沉積/滲透法對葉片多孔體沉積一層熱解碳塗層，然後再沉積碳化矽實現基體緻密化，最終得到纖維定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片。

與現有技術相比，本發明具通過FDM熔融沉積法製備纖維預製體，製備出的纖維沿渦輪葉片工作時的主應力方向連續排布，能夠按照零件工作需求定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片。此外，通過CVD/CVI化學氣相沉積/滲透法進行零件緻密化，既實現了在較低的溫度下完成高性能陶瓷基複合材料渦輪葉片的製造，同時在纖維表面製備出一層均勻的沉積物，有效提高了零件的力學性能與使用溫度。相比於纖維編織與鋪放，本發明使用的FDM熔融沉積法能夠使製備得到的纖維預製體具有一定形狀精度，滿足複雜結構的要求，而且纖維走向排布沿著渦輪葉片葉身的主應力方向，纖維與纖維之間孔隙結構可控。SLA光固化成型法的特點是成形精度高、製造零件的表面質量好，特別適合於製作含有複雜精細結構的葉片樹脂外形，利用這一優勢特點為定製化製造三維模具以支持纖維預製體成形提供了有利條件。

進一步的，本發明在製備纖維預製體時，在纖維預製體的上下兩端設置有用於連接、支撐各層以及提供各層沉積起始位置的工藝支架結構，並且工藝支架結構包括若干個工藝隔層以及連接所有工藝隔層兩端的支架體，在結構上引入支架體與工藝隔層的目的是為了控制纖維與纖維之間的孔隙，在澆注過程中，陶瓷顆粒能夠進入到這些孔隙當中，最終得到陶瓷顆粒從外到內包裹纖維的均勻組織，這有助於葉片性能的提升。

進一步的，本發明在製備陶瓷漿料時選用多級級配，顆粒粒徑從0.5um到50um，漿料粘度控制在1Pa.s以內，保證了漿料的充型能力，尤其對於孔隙較小的結構也能有效充型。

進一步的，本發明澆注過程中陶瓷漿料為碳化矽、氮化矽、碳化硼、硼化鋯或氧化鋁中的一種或多種組合而成的混合物，隨渦輪葉片的使用溫度與性能要求相應進行選擇。

進一步的，本發明在使用CVD/CVI化學沉積/滲透工藝過程中，首先將葉片多孔體在低溫條件下快速進行化學氣相沉積，能夠在纖維表面沉積出一層均勻的熱解碳保護纖維，然後再緩慢進行碳化矽的沉積與滲透，該工藝在纖維表面沉積兩層塗層(熱解碳、碳化矽)，使得葉片在工作時，延長了裂紋擴展路徑，消耗了大量的斷裂能從而提高葉片力學性能。

附圖說明

圖1本發明製造方法的工藝流程圖；

圖2纖維預製體與葉片樹脂外形組合裝配圖；

圖3本發明纖維預製體的結構示意圖；

圖4(a)纖維預製體中連續纖維增強層成型路徑圖；

圖4(b)纖維預製體中工藝隔層成型路徑圖；

附圖中：1-纖維預製體；2-葉片樹脂外形；3-支架體；4-工藝隔層；5-成型初始/終止位置。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

本發明纖維定向增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片的製造方法，包括以下步驟：

(1)製造纖維預製體；

根據渦輪葉片工作時的主應力方向，確定纖維在葉片內部的排布。使用UG三維造型軟體設計葉片內部纖維預製體1的三維模型。設計過程中考慮快速成型分層厚度，使切片分層處理後的成形路徑與設計相一致，通過設計定向纖維的疏密或添加工藝隔層4控制縱向及橫向的間距，如圖3，4所示，最終得到沿葉片主應力定向連續排布的纖維預製體模型。

輸出STL文件，使用快速成型後處理軟體Magics進行模型切片分層，將處理後數據文件導入熔融沉積成型設備製造纖維預製體1，經後處理用於後續工藝。

(2)製造葉片樹脂模具；

採用三維造型軟體設計葉片樹脂外形2模具，樹脂模具包括葉片外形型殼、預製體定位結構，及陶瓷漿料澆注系統。然後將三維模型轉化為STL格式，並使用後處理軟體對三維模型進行分層處理及添加支撐，將處理後數據文件導入光固化快速成型設備進行製造。

(3)凝膠注模成型；

1)將纖維預製體1與葉片樹脂外形2組合裝配，如圖2所示。

2)配製滿足澆注要求的陶瓷漿料：將有機單體丙烯醯胺AM和交聯劑N,N′-亞甲基雙丙烯醯胺MBAM，按照質量比為(6～24):1混合，然後在室溫下(25℃)溶解到去離子水中，配製成質量分數為15％～25％的預混液。將微米SiC混合粉末加入分散好的預混液中，然後加入固相成分0.5wt％～2wt％的聚丙烯酸鈉作為分散劑。然後把漿料置入機械攪拌器內攪拌，攪拌時間設定為20min～45min，最終得到固相顆粒分散均勻的SiC懸浮漿料。微米SiC混合粉末的加入量與預混液的體積比為(39～49)：45。

3)將SiC懸浮漿料置入真空注型機內，先後加入適量的催化劑和引發劑，攪拌均勻後開始向樹脂模具內澆注懸浮漿料，並在樹脂模具內排盡漿料內的氣泡。待真空澆注完成後，在大氣環境下常溫靜置，完成單體交聯固化得到凝膠後的葉片素坯；

其中，所述催化劑為質量分數為25％的四甲基乙二胺溶液，引發劑為質量分數為30％過硫酸銨溶液，催化劑的質量與引發劑的質量比為1:(6～7)。

(4)冷凍乾燥；

將凝膠後的葉片素坯放置於-60℃的凍櫃內，冷凍3h～5h，使素坯中的水分完全冷凍結晶。然後使用液氮將素坯的樹脂模具剝離，並去除纖維預製體在葉片以外的部分，再將其放入冷凍乾燥機的真空負壓艙內，持續抽真空(真空度保持在0.1Pa～10Pa)，使得生坯內的結晶水完全升華，從而得到乾燥的葉片素坯。

(5)脫脂；

將乾燥的素坯在氣氛箱式爐內進行脫脂，以氬氣為保護氣體，以室溫～200℃(升溫速率為5℃/min)、200～700℃(升溫速率為1℃/min)、700～900℃(升溫速率為2℃/min)、900℃保溫1h作為升溫工藝參數。脫脂完成後去除素坯內部以及纖維表面的有機物，得到孔徑在5um左右的SiC陶瓷葉片多孔體。

(6)化學氣相沉積/滲透；

將步驟(5)中葉片多孔體放在化學氣相沉積/滲透爐中，以丙烯為氣源物質，氫氣作為載氣，氫氣流量300ml/min，，爐內溫度為900-1100℃，快速沉積熱解碳，沉積時間2～8h。然後以三氯甲基矽烷(MTS)作為氣源物質，氫氣作為載氣，氬氣作為稀釋氣，沉積溫度1100～1300℃，氣氛壓力3kPa，氬氣流量200～400ml/min，氫氣流量300ml/min，沉積時間100h。

通過氣體擴散對孔隙進行碳化矽化學氣相沉積/滲透，得到連續纖維定向增韌的陶瓷基複合材料渦輪葉片。