[发明专利]一种碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法，包含如下步骤：设计满足轻量化目标及反射镜服役条件的光学反射镜支撑体结构；制备高性能碳化硅陶瓷‑树脂复合粉末材料；成型碳化硅陶瓷复合材料大尺寸超轻型光学反射镜预制体；热解碳化和反应熔渗硅致密化处理；采用CVD对反应熔渗烧结后大尺寸光学反射镜镜面侧表面生长碳化硅致密涂层；最后进行光学加工及验证。本发明具有生产效率高、制造精度高、可设计性好及材料利用率高等优点，较适合碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的高效整体制造，能够克服现有技术中制造大尺寸超轻型光学反射镜轻量化结构的局限性。

技术领域

本发明涉及激光增材制造的技术领域，尤其涉及一种碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法。

背景技术

现代遥感领域对空间光学遥感器分辨率不断提高的需求，使得反射式空间光学主镜的口径需要持续增大，但大尺寸光学反射镜带来了上天难的问题，因而产生了空间光学反射镜轻量化发展需求。目前，反射镜多采用铝、铍、镍等金属材料，抑或是采用各种光学玻璃。其中铝及其合金热性能差,难以适应太空环境；铍及其合金存在毒性且价格过于昂贵；镍及其合金低温性能差且密度大；光学玻璃也存在刚度差,热扩散性较低的问题。近年来，碳化硅凭借着其机械强度高、密度低、抗热冲击性优良和化学性能稳定等优点，成为了空间反射镜的首选材料之一。但是，碳化硅陶瓷材料硬而脆，难以加工成轻量化设计所需要的复杂结构，如单拱形、弯月面型、背面平反型、双面凹型等外形结构，以及三角形、正方形、六边形、扇形、圆形、各向异性蜂窝等加强筋结构。轻量化结构可以更低的质量保证结构的刚度，但也导致镜坯形状的复杂化。若采用传统工艺，不但加工步骤繁琐耗时长，而且大部分传统工艺只能实现开放式轻量化设计，限制了轻量化结构的复杂性。因此，找到一种可以满足大尺寸碳化硅陶瓷高精度、复杂结构的成型方法是迫切的，以满足碳化硅陶瓷用于大尺寸空间反射镜的加工制。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法，具有生产效率高、制造精度高、可设计性好及材料利用率高等优点，较适合碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的高效整体制造，克服现有技术中制造大尺寸超轻型光学反射镜轻量化结构的局限性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法，包含如下步骤：

(1)设计满足轻量化目标及反射镜服役条件的光学反射镜支撑体结构；

(2)制备高性能碳化硅陶瓷-树脂复合粉末材料；

(3)采用大台面粉床激光选区烧结增材制造工艺成型碳化硅陶瓷复合材料大尺寸超轻型光学反射镜预制体；

(4)对大尺寸光学反射镜碳化硅陶瓷复合材料预制体进行热解碳化和反应熔渗硅致密化处理；

(5)采用化学气相沉积技术(CVD)对反应熔渗烧结后大尺寸光学反射镜镜面侧表面生长碳化硅致密涂层，所述涂层厚度大于100μm；

(6)对化学气相沉积(CVD)后的大尺寸光学反射镜镜面进行光学加工及验证。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的碳化硅复合材料大尺寸超轻型光学反射镜的激光增材制造方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)使用UG、Pro/E等三维造型软件对光学反射镜支撑体结构进行设计。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(2)中，高性能碳化硅陶瓷-树脂复合粉末材料按照质量分数包含如下组分：碳化硅陶瓷粉末82～92wt％，粘接剂8～18wt％，固化剂占为粘接剂质量分数的2～4wt％；