[发明专利]一种复杂结构高韧性SiC基复合材料零件的快速制造方法

说明书

技术领域

本发明属于SiC基复合材料领域，具体涉及一种复杂结构高韧性SiC基复合材料零件的快速制造方法。

背景技术

碳纤维增韧SiC陶瓷基复合材料是一种新型的高韧性高温结构材料，在发动机等装备的耐热端结构方面拥有广阔的发展前景，而碳纤维增韧SiC陶瓷基复合材料由于脆性大、硬度高，复杂结构的零件制造困难，严重制约了高韧性SiC陶瓷基复合材料零件的进一步推广应用。

目前，现有的制备SiC陶瓷基复合材料零件的方法主要有先驱体浸渍裂解工艺(PIP)，化学气相渗透工艺(CVI)，纳米浸渍与瞬时共晶(NITE)和液相渗硅工艺(LSI)。其中，PIP工艺周期长，成本高，残余孔隙率较高，不适于投入生产。CVI工艺设备复杂，制备周期长，成本高，不适宜制备较厚制件。NITE工艺虽然周期短、产品致密度高，但其在高温高压环境易对纤维造成损伤，导致纤维性能下降，影响增韧效果，热压的方法也无法适用于复杂结构零件。LSI工艺在渗硅过程中也较易发生硅和纤维之间的反应，造成纤维受损，导致性能下降，而且液相硅在浸渗时极易发生孔隙堵塞，导致制件缺陷。另外，上述几种制备方法只适用于简单形状零件的制备，不能满足高精度复杂结构零件的制造。另外，成型复杂结构SiC基复合材料零件的方法如注射成型技术、注浆成型技术、三维编织技术等，存在模具制造困难，周期长，个性化程度不高等缺点。综上所述，目前SiC陶瓷基复合材料零件的制造方法不仅制造工艺复杂、制造条件高、生产效率低、成本要求高，而且很难满足任意复杂结构零件的精度、强度、韧性等要求。因此，传统SiC陶瓷基复合材料零件的制造方法已大大阻碍了大规模生产和应用。

目前，采用激光选区烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)快速制造技术，可成形出具有多孔隙的SiC陶瓷零件形坯，再经脱脂和高温烧结后形成多孔SiC陶瓷零件毛坯。但用这种方法制造坯件密度、强度和韧性较低，应用范围窄。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种复杂结构高韧性SiC基复合材料零件的快速制造方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种复杂结构高韧性SiC基复合材料零件的快速制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将N源和B源混合、充分研磨后，加入碳纤维粉末，湿磨混料、烘干；将混合料置于氢气炉内高温煅烧，再经干磨、过筛后，得到BN紧密包覆在碳纤维表面的BN-碳纤维复合粉末；

(2)将BN-碳纤维复合粉末和酚醛树脂按1：5～1：15的质量比混合，加入5000ml～7000ml的无水乙醇，升温至60～70℃搅拌均匀后，加热至80～90℃并保温0.5～1h，然后冷却至室温，得到混合料，混合料经烘干、过筛后，得到酚醛树脂紧密包覆在BN-碳纤维复合粉末表面的酚醛树脂/BN-双包覆碳纤维复合粉末；

(3)在计算机上对复杂结构零件进行三维数字化建模，将三维数字化建模输入到SLS成型机，以酚醛树脂/BN-双包覆碳纤维复合粉末为原料，利用SLS快速成形工艺进行粉末烧结成型，制备得到复杂结构零件坯件；

(4)将复杂结构零件坯件放入N₂保护烧结装置中，对坯件内的酚醛树脂进行热解处理，形成碳骨架，得到C_f/C预制件；将C_f/C预制件放入气相渗硅炉中，对C_f/C预制件进行渗硅蒸气处理，渗硅蒸气结束后，得到C_f/SiC复杂结构零件。

上述方案中，所述N源为尿素、铵盐或硝酸盐；所述B源为硼酸或硼砂。

上述方案中，所述湿磨混料的介质为无水乙醇，湿磨混料的时间为8～12h。

上述方案中，所述高温煅烧为：在流动氢气气氛保护下，氢气炉内加热到1000℃～1100℃，保温6h～10h。

上述方案中，所述SLS快速成形工艺为：将酚醛树脂/BN-双包覆碳纤维复合粉末预热至90℃～110℃，控制SLS成型机的激光功率为10～20w，扫描速度1000～2000mm/s，扫描间距0.1～0.2mm，单层层厚0.1～0.2mm。

上述方案中，所述对坯件内的酚醛树脂进行热解处理的工艺条件为：以0.5～2℃/min的速率加热至850℃～1000℃，保温1.5～2小时。