[发明专利]一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涡轮叶片制造技术领域，涉及一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一。涡轮叶片工作在航空发动机中环境最恶劣、温度最高、应力最复杂的部位，其设计与制造水平将对航空发动机的综合性能产生直接影响。航空发动机叶片的制造代表着制造业的最高水平，在一定程度上已经成为衡量一个国家制造水平的重要标志。航空发动机叶片的工作环境温度一般在1000℃以上，并且燃烧室中燃气温度越高，能源利用率越高、发动机产生的推力越大。由于金属熔点的限制，涡轮前燃气温度已经达到高温合金所能承受的极限。改善叶片冷却结构在一定程度上能够提高叶片的承温能力，但叶片冷却结构的复杂化对制造水平提出了更高的要求，受现有制造水平的限制，具有复杂冷却结构的空心涡轮叶片的制造难度很大，制造成本很高。

开发高温下能够保持高性能的结构材料，对航空发动机的制造有着重要意义。先进陶瓷材料由于具有优良高温力学性能，一直受到材料科学工作者的重视。陶瓷材料具有强度高、耐高温、质量轻等优点，是制造涡轮叶片的理想材料。然而，陶瓷材料由于硬度高、脆性大，难以加工成型，而叶片的表面形状复杂，因此，解决陶瓷叶片的成型问题至关重要。

凝胶注模成型技术为陶瓷叶片的成型提供了一种新的途径。凝胶注模成型技术是美国橡树岭国家重点实验室发明的一种新的陶瓷成型技术。该技术将传统的陶瓷制作工艺与高分子化学相结合，是一种新型的制备复杂形状陶瓷零件的近净成型技术。该方法首先配置出高固相、低粘度的陶瓷浆料，然后将流动性良好的陶瓷浆料在真空环境下浇注到模具中，陶瓷浆料在催化剂、引发剂的作用下发生原位固化反应，形成陶瓷零件坯体。该方法可用于陶瓷叶片的制造，成功解决了陶瓷叶片成型困难的问题。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，使金属骨架与陶瓷涡轮叶片的相结合，得到内部带有金属骨架的陶瓷涡轮叶片，增强了陶瓷涡轮叶片的韧性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤：

1）通过金属3D打印工艺制备涡轮叶片的金属增韧骨架，然后通过气相沉积在金属增韧骨架表面形成陶瓷界面层；

2）将具有陶瓷界面层的金属增韧骨架与涡轮叶片的光固化树脂模具相结合，得到内部带有金属增韧骨架的树脂模具；

3）通过凝胶注模工艺制备出陶瓷浆料，在真空环境下浇注陶瓷浆料至树脂模具中，得到陶瓷涡轮叶片坯体；

4）通过化学腐蚀方法去除树脂模具，采用真空冷冻干燥去除陶瓷坯体中的水分，以提高精度，然后在保护气氛下于1200～1400℃烧结3～6h，实现多孔复合材料涡轮叶片原型；

5）通过化学气相沉积在复合材料涡轮叶片的孔隙中生成碳化硅陶瓷，进行致密化，实现陶瓷基复合材料涡轮叶片。

所述金属增韧骨架的金属3D打印包括：

首先通过三维造型软件设计出所需结构形式的金属增韧骨架；

然后将金属增韧骨架的三维模型进行分层切片处理后，导入3D打印设备中，通过选区激光熔化金属粉末得到金属增韧骨架。

所述的金属粉末为钛合金粉末或者不锈钢粉末；

激光的设置为：功率为120～200W，扫描速度50～100mm/s，扫描间距0.05～0.1mm，层厚0.05～0.1mm。

所述的陶瓷界面层的材料为氮化硅或者碳化硅。

所述的氮化硅陶瓷界面层是以硅烷和氨气分别做为硅源和氮源，在金属增韧骨架表面化学气相沉积形成陶瓷界面层；

所述的碳化硅陶瓷界面层是以三氯甲基硅烷为气源，氢气或者氮气为载气，在金属增韧骨架表面化学气相沉积形成陶瓷界面层。

所述的涡轮叶片的光固化树脂模具是通过光固化快速成型设备制造所需要结构的涡轮叶片的树脂外壳。

所述得到陶瓷涡轮叶片坯体的操作包括：

1）将有机单体丙烯酰胺和交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，按照质量比20～25:1溶解到水中，添加分散剂后搅拌溶解，配制成固相质量浓度为10～20%的预混液；

2）按照碳化硅粉：碳粉：硅粉=（20～60）：（12～24）：（28～56）的质量比将碳化硅、碳和硅粉末充分混合均匀，得到固体粉料；

3）将预混液与固体粉料通过球磨充分制成固相含量为50～60%的陶瓷浆料，并将陶瓷浆料通过球磨充分分散；