[发明专利]一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法

说明书

一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：1)根据涡轮叶片在工作时的受力，首先设计纤维在叶片内部的走向排布，建立纤维预制体三维模型，然后通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体，再通过SLA光固化成型法制备叶片树脂外形，将纤维预制体与叶片树脂外形组合装配；2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料并完成浇注，待陶瓷浆料固化后得到涡轮叶片素坯；3)去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面的溶剂与有机物，得到叶片多孔体；4)通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法得到纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。本发明能够定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片，提高了零件的力学性能与使用温度。

技术领域

本发明涉及一种复合材料涡轮叶片的加工方法，具体涉及一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法。

背景技术

涡轮叶片作为燃气涡轮发动机的热端关键件，其工作条件恶劣，需要在高温、高压、高转速带来的复杂负荷下安全可靠的工作，其承温能力直接决定着发动机性能。

镍基高温合金是目前燃气涡轮发动机热端零部件主要采用的材料，其密度约为8.03-9.20g/cm³，当前承温上限约为1150℃，而其熔化温度在1350℃左右。

与镍基高温合金相比，陶瓷基复合材料具有轻质、耐高温、耐腐蚀、高比强和高比模等优点，被认为是是未来高性能发动机热端零部件(涡轮叶片、燃烧室等)的理想材料，在航空航天、国防军工等高新技术领域具有非常广阔的应用前景，但陶瓷材料脆性大、可靠性较差，需要引入增韧相提高材料韧性，并且需要探索一种保持纤维在叶片内部定向成型的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中问题，提供一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法，有效提高零件的力学性能与使用温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据涡轮叶片在工作时的受力，首先设计纤维在叶片内部的走向排布，建立纤维预制体三维模型，然后通过FDM熔融沉积法制备纤维预制体，再通过SLA光固化成型法制备叶片树脂外形，将纤维预制体与叶片树脂外形进行组合装配；

2)配制满足浇注要求的陶瓷浆料并完成浇注，待陶瓷浆料固化后得到涡轮叶片素坯；

3)去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面的溶剂与有机物，得到叶片多孔体；

4)通过CVD/CVI化学气相沉积/渗透法得到纤维定向增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。

所述步骤1)中制备纤维预制体的具体操作为：首先将粘结材料融化并包裹在连续纤维表面，然后按照设计的成形路径分层进行连续纤维打印，在纤维预制体的上下两端设置用于连接、支撑各层以及提供各层沉积起始位置的工艺支架结构，连续纤维搭接在工艺支架结构上，调整纤维间距后即得到沿叶片主应力定向连续排布的纤维预制体。

所述的工艺支架结构包括若干个工艺隔层以及连接所有工艺隔层两端的支架体，调整纤维间距包括调整纤维的稀疏程度以及工艺隔层的层距。

将粘结材料与纤维通入加热喷头融化，粘结材料包裹在连续纤维表面并从打印喷嘴挤出。

所述的纤维预制体由芯部增强材料与外部粘结材料组成，芯部增强材料为碳纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维，外部粘结材料为热塑性材料或者热塑性材料与短纤维组成的混合材料。

所述的步骤3)中去除涡轮叶片素坯内部以及纤维表面溶剂与有机物的工艺包括干燥及热解，经过热解工艺使纤维预制体表面的粘结材料碳化烧蚀，形成间隙。

所述陶瓷浆料中的陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆或氧化铝中的一种或多种组合而成的混合物。