[发明专利]具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片、模具及制备方法

权利要求书

1.一种具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，其特征在于采用陶瓷基复合材料一体成型，结构包括叶身(2)和其下端的榫头(3)；所述叶身(2)的叶背侧(4)与叶盆侧(5)之间设有多条冷却用槽道(1)，所述槽道(1)自叶身(2)顶部贯通至榫头(3)底部。

2.根据权利要求1所述具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，其特征在于：所述槽道(1)的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形或长方形。

3.根据权利要求1所述具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，其特征在于：所述陶瓷基复合材料是碳纤维和碳化硅纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，其特征在于：所述碳纤维和碳化硅纤维中基体是碳化硅、氮化硅和碳化硼中的一种或多种。

5.一种权利要求1～4任一项所述具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的模具的制备方法，其特征在于包括叶盆侧(4)和叶背侧(5)两个零件的几何模型以及槽道的几何模型；以叶片径向的几何中性面为参考，将叶片分为叶盆侧(4)和叶背侧(5)两个零件的几何模型，两个模型衔接的型面中，以槽道壁面的型面为参考，建立槽道的几何模型；再以高纯石墨为原材料，按照叶盆侧和叶背侧两个零件的流道面为参考，制备叶盆模具和叶背模具；所述叶盆模具和叶背模具上均匀分布通气孔。

6.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述叶盆模具和叶背模具的壁厚为2.5-8mm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述通气孔的孔径为3-8mm。

8.一种利用权利要求5～7任一项所制备的模具制备权利要求1～4任一项具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的方法，步骤如下：

步骤1、纤维布铺层：分别以叶盆模具和叶背模具的内型面为参考，采用碳纤维布和碳化硅纤维布中的一种或多种为原材料，通过叠层铺放的方式，堆叠至叶盆侧零件盒叶背侧零件设计厚度的1.05-1.2倍；本步骤完成后，制得叶盆侧纤维叠层和叶背侧纤维叠层；所述纤维布的经向在叶片径向方向上连续；

根据叶片的设计要求，在厚度逐渐变小的叶片顶部，需逐渐减少纤维布铺层；在厚度逐渐变大的榫头部位，需逐渐增加局部纤维布夹层，以满足设计尺寸要求；

步骤2、槽道预制：以步骤1获得的槽道的几何模型为参考，采用含碳薄片制备槽道型材，并将其铺放于叶盆侧纤维叠层或叶背侧纤维叠层相应位置，采用PVA胶及逆行固定；

步骤3、合模缝制：将带有槽道型材的叶盆侧纤维叠层和叶背侧纤维叠层连同模具合并，以碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线，贯穿通气孔，将叶背模具和叶盆模具连同其内部的纤维布缝合为一体，并采用高纯石墨材质的连接件完成模具的夹紧；

步骤4、界面层制备：将模具和带有槽道型材的叶片预制体放置在化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备界面层；

所述界面层材料是氮化硼或热解碳；

所述氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为50-1000Pa，升温至650-1000℃，保温1-2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积15-35h后继续保温1-2h，降温至室温；此步骤可能需循环执行1-3次；

所述热解碳界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为200-2200Pa，升温至650-1100℃，保温1-2h后，依次通入丙烯、天然气和氢气，沉积24-72h后继续保温1-2h，降温至室温；此步骤可能需循环执行1-3次；

步骤5、陶瓷基体预制：将步骤4得到的具有界面层的叶片预制体和模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体；去除叶背模具和叶盆模具；此步骤完成后，得到密度为1.8-2.2g/cm³的半致密化的叶片坯体；

所述碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为200-5000Pa，升温至900-1200℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶5-15∶15-25，沉积30-60h后继续保温2h，降温至室温；此步骤可能需循环执行3-5次；

步骤6、槽道型材去除：步骤5执行完毕后，槽道型材在高温下已完全碳化或挥发；采用出气口直径接近槽道截面的喷气设备，将出气口塞入槽道的叶身顶部出口或榫头底部出口，将槽道内部的槽道型材残留物吹除；

步骤7、陶瓷基体制备：将半致密化的叶片坯体放置于碳化硅化学气相沉积炉内，继续制备碳化硅陶瓷基体，工艺参数与步骤4所述一致；此步骤完成后，得到密度为2.3-2.5g/cm³的致密化叶片坯体；

步骤8、机械加工：按照设计图纸，通过机械加工方式，将致密化叶片坯体加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料转子叶片半成品；

步骤9、加工损伤修复：将陶瓷基复合材料转子叶片半成品置于碳化硅化学气相沉积炉内，将碳化硅陶瓷覆盖至所有加工面，此步骤可能需循环执行1-3次；本步骤所述化学气相沉积工艺参数与步骤5一致；

步骤10：精密修配：加工损伤修复工序完成后，采用抛光设备对叶片的榫头部位进行精密修配，并去除叶片其他部位的毛刺；此步骤完成后，得到密度为2.5-2.8g/cm³的陶瓷基复合材料转子叶片成品。