一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法技术

本发明专利技术公开一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法，该发明专利技术将陶瓷粉末表面覆膜酚醛树脂，加入粘结剂辅助成型，并加入适量短纤维增韧，利用增材制造技术将零件堆积成型；该发明专利技术提出对陶瓷零件进行渗硅或浸渍处理，并通过化学气相渗透技术填充零件内部孔隙，提高致密度。该发明专利技术适用于燃气轮机复杂结构零件的制造，可极大地提高制造效率与成功率，具有很强的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法
本专利技术属于快速铸造领域，特别涉及一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法。
技术介绍
随着燃气轮机冷却系统不断复杂化，其制造加工难度不断加大，传统的机械加工方式已经很难满足其加工要求。新型、有效的制造方法的开发研究成为该领域科研工作者所追求的目标。目前国内外主要采用熔模铸造技术制备燃气轮机热端部件复杂结构零件：首先通过热压注等工艺制备出具有复杂形状的陶瓷型芯；然后制造出金属模具，将陶瓷型芯装配在金属模具中，用蜡将金属模具和陶瓷型芯之间的间隙填充后将金属模具去除，从而获得具有内部陶瓷型芯的蜡模；最后，将蜡模进行多次挂浆、干燥等工艺操作，制得一定厚度的型壳；在炉中将蜡熔化流出或蒸发，将型芯型壳一起烧结，获得陶瓷铸型，最后浇注金属获得零件。这种方法工艺周期长、难度大、成本高，不利于新产品的开发，并且型芯型壳通过装配结合在一起，会引入装配误差导致零件的偏芯、穿孔等缺陷。激光烧结技术是一种较成熟的增材制造技术，其适用材料必须具有适度的导热性，经激光烧结后要有足够的粘接强度。而陶瓷的烧结温度很高，很难用激光直接烧结。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法，该方法利用增材制造技术将复杂结构陶瓷零件直接加工成型，通过渗硅或浸渍处理、化学气相渗透等工艺提高机械性能以满足使用要求。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法，包括以下步骤：1)、将表面覆膜的陶瓷粉末、短纤维、粘结剂在搅拌机中混合均匀得到混合均匀的陶瓷粉末混合物；2)、通过激光烧结技术将混合均匀的陶瓷粉末混合物烧结成型，得到燃气轮机复杂结构零件的陶瓷坯体；3)、在真空环境下，将陶瓷坯体中覆膜材料热解碳化；4)、在真空环境下，对陶瓷坯体进行高温渗硅/浸渍；5)、利用化学气相渗透技术在陶瓷坯体内部孔隙进行渗透沉积碳化硅/氧化硅。优选的，步骤1)中，所述陶瓷粉末为碳化硅陶瓷粉末或氧化物陶瓷粉末；所述表面覆膜的陶瓷粉末占陶瓷粉末混合物总质量的质量分数为75％～85％。优选的，所述碳化硅陶瓷粉末的粒径为2～45μm，氧化物陶瓷粉末的粒径为10～80μm。优选的，步骤1)中采用氧化物陶瓷粉末时，所述陶瓷粉末混合物中还包括助烧剂，所述助烧剂占陶瓷粉末混合物的质量分数为5％～10％；所述助烧剂氧化硅、氧化锆、氧化镁中一种或多种的混合物。优选的，步骤1)中，所述短纤维的材质与陶瓷粉末的材质相同，短纤维占陶瓷粉末混合物的质量分数为5％～15％。优选的，所述粘结剂为固态颗粒聚甲基丙烯酸甲酯，粘结剂占陶瓷粉末混合物总质量的质量分数为10％～15％。优选的，步骤2)中激光烧结的参数设置为：激光功率20W，铺粉厚度0.1mm，激光扫描速度2000mm/s，扫描间距0.1mm，预热温度100℃。优选的，步骤3)具体包括以下步骤：将陶瓷坯体放入加热炉，在真空环境下，以3℃/min的升温速率升温至240℃，保温2h；随后以1℃/min的升温速率升温至320℃，保温2h，然后以2～3℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，在此温度下，覆膜在陶瓷粉末表面的酚醛树脂分解。优选的，步骤1)中采用碳化硅陶瓷粉末时，步骤4)中采用高温渗硅工艺；步骤4)中高温渗硅的具体工艺为：首先将陶瓷叶片埋入硅粉中，在真空环境下经3～5h将温度升至1410℃，然后经0.5h～2h将温度升至1550℃，保温0.5h，完成渗硅工艺，最后将温度升至1600℃，保温1h，完成排硅工艺。优选的，步骤1)中采用氧化物陶瓷粉末时，步骤4)中采用浸渍工艺；步骤4)中浸渍的具体工艺为：对于氧化物陶瓷叶片，进行真空热浸渍处理，浸渍压强为0.02～0.04MPa，浸渍温度为30～100℃，浸渍至浸渍液中不再产生气泡，然后在真空条件下以10℃/min的升温速率升温至1600℃进行裂解处理。优选的，步骤5)中化学气相渗透的具体工艺为：以甲基三氯硅烷为气源物质,氩气为稀释气体，氢气为载气，通过气体扩散进行深孔沉积,在叶片内沉积碳化硅，沉积温度1050℃,气氛压力5kPa,氢气流量300ml/min,氩气流量350ml/min,氢气流量与甲基三氯硅烷流量的摩尔质量比为10，沉积时间120h；或者，步骤5)中化学气相渗透的具体工艺为：以正硅酸乙酯为气源物质,正硅酸乙酯水浴恒温65℃,氩气为稀释气体，氧气为载气，通过气体扩散进行深孔沉积，在叶片内沉积氧化硅，沉积温度680℃，气氛压力1kPa，氧气流量15ml/min，氩气流量350ml/min，沉积时间60h；沉积完成后通过1400℃后处理使氧化硅与氧化物陶瓷颗粒完全反应生成莫来石，提高陶瓷叶片力学性能，实现陶瓷叶片的致密化。优选的，所述氧化物陶瓷粉末为氧化铝陶瓷粉末或氧化锆陶瓷粉末。优选的，所述短纤维为长度为1mm的碳化硅纤维或氧化铝纤维。优选的，步骤1)中采用氧化物陶瓷粉末时，步骤4)中采用浸渍工艺；步骤4)中浸渍的具体工艺为：对于氧化物陶瓷叶片进行真空复合浸渍，在抽真空的条件下使复合浸渍液——有机聚锆和聚碳硅烷的二甲苯溶液浸入陶瓷叶片孔隙中，其中，有机聚锆和聚碳硅烷质量比为2：1，浸渍压强为0.02MPa，复合浸渍液的温度为80℃，浸渍时间为30min；浸渍后的陶瓷叶片放入烘干机中烘干24h，烘干温度50℃；最后将陶瓷叶片放入高温石墨电阻炉，真空环境下以10℃/min的升温速率升温至1600℃进行裂解处理。相对于现有技术，本专利技术具有以下优点：本专利技术利用激光烧结技术不受成型件结构复杂程度限制的特点，将燃气轮机复杂结构零件直接加工成型，极大地提高了成型效率，避免了传统制件铸型制造过程中型芯、型壳装配误差和型芯易变形、断裂的缺陷。陶瓷粉末本身烧结温度高，在激光烧结过程中很难烧结成型，本专利技术采用陶瓷粉末表面覆膜酚醛树脂的方法，在激光的作用下，利用低熔点的酚醛树脂将陶瓷粉末粘结成型，保证了激光烧结陶瓷的可行性。短纤维的加入提高了陶瓷零件的韧性，通过纤维桥联作用，降低了区域应力集中，减小了裂纹扩展的驱动力，提高了基体抗力。同时，陶瓷配方中添加固态颗粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为粘结剂，PMMA质地优异，性能稳定、耐冲击性强，烧失后可实现造孔功能，为后续渗硅或浸渍作准备。为提高陶瓷零件力学性能，本专利技术利用反应熔渗法，在真空、高温条件下，对陶瓷零件进行熔融渗硅处理，原位反应生成碳化硅结合陶瓷基体，提高了陶瓷零件的机械性能；或者通过真空浸渍后处理填充陶瓷零件孔隙，使其致密化，并提高陶瓷零件的强度。为提高致密度，对陶瓷零件进行化学气相渗透处理，通过气体扩散进行深孔沉积,实现陶瓷零件的致密化。本专利技术将难熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘结剂，应用到激光烧结设备上，激光熔化粘结剂以烧结各层陶瓷粉末，从而制备出陶瓷生坯，通过粘结剂烧失、渗硅或浸渍、化学气相渗透致密化等后处理，得到最终的陶瓷零件。该方法可成型复杂结构陶瓷件，通过工艺优化、强化处理可使陶瓷件满足使用要求。传统熔模铸造方法需预先制备型芯型壳，然后进行金属浇注，工艺复杂，且型芯易变形、断裂，失败率高。本专利技术利用激光烧结技术不受成型件结构复杂程度限制的特点，无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将表面覆膜的陶瓷粉末、短纤维、粘结剂在搅拌机中混合均匀得到混合均匀的陶瓷粉末混合物；2)、通过激光烧结技术将混合均匀的陶瓷粉末混合物烧结成型，得到燃气轮机复杂结构零件的陶瓷坯体；3)、在真空环境下，将陶瓷坯体中覆膜材料热解碳化；4)、在真空环境下，对陶瓷坯体进行高温渗硅/浸渍；5)、利用化学气相渗透技术在陶瓷坯体内部孔隙进行渗透沉积碳化硅/氧化硅。

【技术特征摘要】
1.一种面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将表面覆膜的陶瓷粉末、短纤维、粘结剂在搅拌机中混合均匀得到混合均匀的陶瓷粉末混合物；所述陶瓷粉末为氧化物陶瓷粉末；所述表面覆膜的陶瓷粉末占陶瓷粉末混合物总质量的质量分数为75％～85％；其中，表面覆膜的陶瓷粉末的覆膜材料为酚醛树脂；所述短纤维的长度为1mm；2)、通过激光烧结技术将混合均匀的陶瓷粉末混合物烧结成型，得到面向燃气轮机热端部件的复杂结构陶瓷零件的陶瓷坯体；步骤2)中激光烧结的参数设置为：激光功率20W，铺粉厚度0.1mm，激光扫描速度2000mm/s，扫描间距0.1mm，预热温度100℃；所述陶瓷坯体为陶瓷叶片；3)、在真空环境下，将陶瓷坯体中覆膜材料热解碳化；4)、在真空环境下，对陶瓷坯体进行浸渍；浸渍具体为在抽真空的条件下使复合浸渍液——POZ和PCS的二甲苯溶液浸入陶瓷叶片孔隙中，其中，POZ与PCS质量比为2：1；复合浸渍液中POZ与PCS质量之和占复合浸渍液的质量分数为20-40％，浸渍压强为0.02MPa；采用热浸渍，加热温度为80℃，浸渍至浸渍液中不再产生气泡；然后将浸渍后的陶瓷叶片放入烘干机中烘干24h，烘干温度50℃；最后将叶片放入高温石墨电阻炉，真空环境下以10℃/min的升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，白树钊，刘涛，曹继伟，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61