一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，先制作两端开口的零件树脂外壳；通过单体、交联剂和陶瓷粉末配制悬浮浆料并向零件树脂外壳中完成浇注，通过设置温度场使得悬浮浆料中的溶剂沿着温度梯度的方向冷却凝固定向结晶，悬浮浆料完全凝固后进行真空冷冻干燥，再在900～1200℃保温，去除有机物，得到陶瓷零件多孔体；使用CVD/CVI方法在陶瓷零件多孔体内部纤维表面上沉积SiC界面层；结合先驱体浸渍裂解工艺将沉积有SiC界面层的陶瓷零件多孔体致密化，得到定向组织陶瓷基复合材料零件。本发明专利技术通过低温下控制溶剂结晶，以及快速成型、纤维增强和先驱体浸渍裂解等工艺步骤，形成定向组织，能够有效增强和增韧。

【技术实现步骤摘要】
一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法
本专利技术涉及陶瓷零件制造领域，具体涉及一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法。
技术介绍
航空航天领域中，许多零件需要在高温下工作，而高温合金的使用温度制约了其发展。陶瓷较强的耐高温能力使之成为最有前途的航空航天材料，但是陶瓷的韧性较低容易脆断，因此提高陶瓷的韧性很关键，需要探索一种具有定向组织在零件内部增强的成型方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，利用溶剂结晶产生的定向孔隙来对陶瓷零件进行增韧。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：包括以下步骤：1)建立零件三维模型，然后通过SLA光固化成型技术，根据零件三维模型制作两端开口的零件树脂外壳；2)通过有机单体、交联剂、纤维和陶瓷粉末配制悬浮浆料并向零件树脂外壳中完成浇注，通过设置温度场使得悬浮浆料中的溶剂沿着温度梯度的方向冷却凝固定向结晶，悬浮浆料完全凝固后去壳得到零件素坯；3)对零件素坯进行真空冷冻干燥，得到具有定向孔隙的零件素坯；4)在900～1200℃的真空条件下保温，去除具有定向孔隙的零件素坯内部的有机物，得到陶瓷零件多孔体；5)使用化学气相沉积/渗透的方法在陶瓷零件多孔体内部纤维表面上沉积SiC界面层；6)结合先驱体浸渍裂解工艺将沉积有SiC界面层的陶瓷零件多孔体致密化，得到定向组织陶瓷基复合材料零件。进一步地，步骤2)中，悬浮浆料的配制过程包括：201、将有机单体丙烯酰胺和交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，按照质量比为(5～25):1混合，并配制成质量分数为15％～25％的水基预混液；202、将陶瓷粉末和纤维加入水基预混液中，得到陶瓷浆料，并加入分散剂，得到预混浆料；其中，陶瓷浆料中陶瓷粉末和纤维的固相含量为10～45％，纤维的加入量占陶瓷浆料总质量的5～25％；分散剂的添加量为陶瓷粉末和纤维总质量的1～2％；203、将预混浆料搅拌均匀，得到固相颗粒分散均匀的悬浮浆料。进一步地，陶瓷粉末的粒径为0.05～2μm，陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆和氧化铝中的一种或两种以上以任意比例的混合物；纤维的长度为0.1～4mm，纤维为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维中的一种或两种以上以任意比例的混合物；分散剂采用质量分数为25％的四甲基氢氧化铵的水溶液。进一步地，步骤2)中浇注的具体步骤包括：先将两端开口的零件树脂外壳一端固定连接金属板，并在零件树脂外壳的外部包裹隔热材料；将悬浮浆料置入真空注型机内，并加入占水基预混液质量0.2～0.5％的催化剂和占水基预混液质量1～2％的引发剂，搅拌均匀后向零件树脂外壳内浇注，并排尽气泡。进一步地，催化剂为四甲基乙二胺和水按照1:3的质量比配成的水溶液，引发剂为过硫酸铵和水按照3:7的质量比配成的水溶液。进一步地，步骤2)中将浇注悬浮浆料的零件树脂外壳两端分别置于-80～-10℃的冷端和温度为室温的热端，形成从冷端到热端的温度场。进一步地，步骤2)中悬浮浆料完全凝固后，使用液氮去除零件树脂外壳，得到零件素坯；步骤3)中将零件素坯放入冷冻干燥机的真空负压舱内，真空度保持在0.1～10Pa，从-20℃逐渐升温至0℃，进行梯度冷冻，冷冻总时间为25h，持续抽真空使零件素坯内的结晶水完全升华，得到具有定向孔隙的零件素坯。进一步地，陶瓷零件多孔体沉积SiC界面层的具体步骤是：首先将陶瓷零件多孔体放在化学气相沉积/渗透炉中，以三氯甲基硅烷MTS作为气源物质，氢气作为载气，氩气作为稀释气，氩气流量200～400mL/min，氢气流量250～300mL/min；然后使沉积温度900～1000℃，气氛压力0.5～1.5kPa，沉积时间2～24h；最后使沉积温度为1100～1300℃，气氛压力2～5kPa，沉积时间2～24h。进一步地，步骤6)中先驱体浸渍裂解工艺具体包括：先将沉积有SiC界面层的陶瓷零件多孔体使用聚碳硅烷乙二醇溶液在19～21kpa下浸渍0.5h，然后进行固化热解，生成SiC；再依次降低聚碳硅烷乙二醇溶液的浓度，重复浸渍和固化热解，直至生成的SiC填满陶瓷零件多孔体的孔洞。进一步地，步骤4)中的保温是在真空脱脂炉内进行的，升温过程为：以升温速率为5℃/min从室温升至200℃，然后以升温速率为1℃/min从200℃升至700℃，再以升温速率为2℃/min从700℃升至900～1200℃，并在900～1200℃保温0.5～1h；步骤6)中的固化是在60℃的烘箱内进行的；步骤6)中的热解是在真空烧结炉内进行的，升温过程为：以升温速率为5℃/min从室温升至200℃，然后以升温速率为1℃/min从200℃升至700℃，再以升温速率为2℃/min从700℃升至900～1500℃，并在900～1500℃保温0.5～1h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术利用快速成型结合凝胶注模技术，能够完成复杂零件的制造；具有能够制作精度高、表面质量好的复杂精细结构的优势。本专利技术根据零件的具体的受载情况来设置温度梯度的方向，控制短纤维的排布，使溶剂沿着该温度梯度的方向凝固结晶，达到定向增强的目的；结晶完成并冷冻干燥之后，溶剂结晶的位置就成为具有一定尺寸大小的孔洞，这些孔洞上搭接镶嵌着短纤维，由此得到具有短纤维排布的多孔复合材料零件素坯。脱脂之后，利用CVI/CVD的方法沉积SiC，使用先驱体浸渍裂解的方法填充致密，最终得到具有定向纤维组织的陶瓷零件。本专利技术通过低温下控制陶瓷/纤维浆料溶剂结晶，以及快速成型、纤维增强和先驱体浸渍裂解等多种陶瓷零件的制造工艺步骤，形成高致密且具有定向组织的结构，能够有效增强和增韧。进一步地，本专利技术通过调节温度梯度的大小，能够控制冰晶生产的速率和冰晶的大小，进而控制孔径的大小；温度梯度的大小对短纤维的定向排布也有一定作用，温度梯度越大短纤维的排布方向越接近于温度梯度的方向。进一步地，本专利技术利用化学气相沉积/渗透技术在短纤维的表面均匀的沉积一层SiC作为界面层，对短纤维具有一定的保护作用。因为化学气相沉积/渗透工艺费时较长，所以在多孔体内部纤维表面上沉积一层SiC界面层，形成界面层之后采用先驱体浸渍裂解技术生成SiC致密化。进一步地，本专利技术中保温进行脱脂，以及热解均是在真空条件下进行，以防止纤维同时热解。附图说明图1是本专利技术实施例三制备的零件的SEM图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术包括以下步骤：(1)建立零件三维模型，然后通过SLA光固化成型技术制作两端开口的零件树脂外壳；(2)配制满足浇注要求的悬浮浆料浆料并完成浇注。根据零件在工作时的受载情况，通过设置温度场使得悬浮浆料中的溶剂沿着温度梯度的方向冷却凝固定向结晶，也就是通过温度梯度大小和方向来控制悬浮浆料中溶剂凝固的冰晶大小和结晶方向；其具体步骤包括：201、将有机单体(丙烯酰胺AM)和交联剂(N,N′-亚甲基双丙烯酰胺MBAM)，按照质量比为(5～25):1混合配制成质量分数为15％～25％的水基预混液。202、将一定量的陶瓷粉末和短纤维加入水基预混液中，得到陶瓷浆料，并加入分散剂，得到预混浆料。陶瓷浆料中的陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立零件三维模型，然后通过SLA光固化成型技术，根据零件三维模型制作两端开口的零件树脂外壳；2)通过有机单体、交联剂、纤维和陶瓷粉末配制悬浮浆料并向零件树脂外壳中完成浇注，通过设置温度场使得悬浮浆料中的溶剂沿着温度梯度的方向冷却凝固定向结晶，悬浮浆料完全凝固后去壳得到零件素坯；3)对零件素坯进行真空冷冻干燥，得到具有定向孔隙的零件素坯；4)在900～1200℃的真空条件下保温，去除具有定向孔隙的零件素坯内部的有机物，得到陶瓷零件多孔体；5)使用化学气相沉积/渗透的方法在陶瓷零件多孔体内部纤维表面上沉积SiC界面层；6)结合先驱体浸渍裂解工艺将沉积有SiC界面层的陶瓷零件多孔体致密化，得到定向组织陶瓷基复合材料零件。

【技术特征摘要】
1.一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立零件三维模型，然后通过SLA光固化成型技术，根据零件三维模型制作两端开口的零件树脂外壳；2)通过有机单体、交联剂、纤维和陶瓷粉末配制悬浮浆料并向零件树脂外壳中完成浇注，通过设置温度场使得悬浮浆料中的溶剂沿着温度梯度的方向冷却凝固定向结晶，悬浮浆料完全凝固后去壳得到零件素坯；3)对零件素坯进行真空冷冻干燥，得到具有定向孔隙的零件素坯；4)在900～1200℃的真空条件下保温，去除具有定向孔隙的零件素坯内部的有机物，得到陶瓷零件多孔体；5)使用化学气相沉积/渗透的方法在陶瓷零件多孔体内部纤维表面上沉积SiC界面层；6)结合先驱体浸渍裂解工艺将沉积有SiC界面层的陶瓷零件多孔体致密化，得到定向组织陶瓷基复合材料零件。2.根据权利要求1所述一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，步骤2)中，悬浮浆料的配制过程包括：201、将有机单体丙烯酰胺和交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，按照质量比为(5～25):1混合，并配制成质量分数为15％～25％的水基预混液；202、将陶瓷粉末和纤维加入水基预混液中，得到陶瓷浆料，并加入分散剂，得到预混浆料；其中，陶瓷浆料中陶瓷粉末和纤维的固相含量为10～45％，纤维的加入量占陶瓷浆料总质量的5～25％；分散剂的添加量为陶瓷粉末和纤维总质量的1～2％；203、将预混浆料搅拌均匀，得到固相颗粒分散均匀的悬浮浆料。3.根据权利要求2所述一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，陶瓷粉末的粒径为0.05～2μm，陶瓷粉末为碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼化锆和氧化铝中的一种或两种以上以任意比例的混合物；纤维的长度为0.1～4mm，纤维为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维中的一种或两种以上以任意比例的混合物；分散剂采用质量分数为25％的四甲基氢氧化铵的水溶液。4.根据权利要求2所述一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，步骤2)中浇注的具体步骤包括：先将两端开口的零件树脂外壳一端固定连接金属板，并在零件树脂外壳的外部包裹隔热材料；将悬浮浆料置入真空注型机内，并加入占水基预混液质量0.2～0.5％的催化剂和占水基预混液质量1～2％的引发剂，搅拌均匀后向零件树脂外壳内浇注，并排尽气泡。5.根据权利要求4所述一种定向组织陶瓷基复合材料零件的制造方法，其特征在于，催化剂为四甲基乙二胺和水按...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，赵洪炯，曹继伟，苗恺，冯朋帅，李涤尘，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61