【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷基复合材料，具体涉及一种单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件及其制备方法。
技术介绍
1、碳纤维增强陶瓷基复合材料(cfrc)具有低密度、高韧性、高强度、高比模量、耐烧蚀等特点，成为航空航天领域极具应用潜力的高温热结构材料。但碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺复杂，难以加工成型结构复杂的或尺寸较大的零件，此外，其较差的加工性能也在很大程度上限制了其应用范围。高温合金材料具有优异的机械强度和高塑性、高韧性以及高延展性等高温力学性能，与cfrc在性能上形成了一定的互补关系，将两者结合起来形成陶瓷/高温合金复合材料，则有望生产出兼具陶瓷和高温合金性能优势的高强度、高刚度又具有高韧性的高温承载零件。
2、但是，由于陶瓷材料与高温合金材料的热膨胀系数以及弹性模量的巨大差异，以及化学键型不匹配导致的润湿性差等问题，在连接及冷却过程中接头中存在较大的残余热应力，连接接头的强度低，当陶瓷/高温合金连接件在服役过程中承受交变载荷或冲击载荷时，结合界面处极易出现因冲击裂纹或交变应力产生的脆性断裂或疲劳失效。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件及其制备方法。缓解了现有技术中陶瓷与高温合金进行连接时接头中因物化性质不同产生的巨大残余热应力的问题。
2、本专利技术具体是通过如下技术方案来实现的。
3、本专利技术的第一个目的是提供一种单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件的
4、s1、碳纤维增强陶瓷基复合材料结构设计及制备；
5、s2、对s1制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面进行金属化处理，增加碳纤维增强陶瓷基复合材料表面与高温合金材料的润湿性；
6、s3、制备氧化物陶瓷模壳；利用所述陶瓷模壳将经过s2表面金属化处理后的碳纤维增强陶瓷基复合材料与单晶高温合金通过真空铸造的方式进行连接，浇筑结束后经保温、冷却、除真空处理，除去陶瓷模壳，得到所述单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件。
7、在本专利技术的一些实施例中，s1中，碳纤维增强陶瓷基复合材料连接表面结构为二维平截面结构、二维变截面结构、梯度结构、多孔结构或基于最小应力、最大刚度、最小质量、最小柔度拓扑优化设计准测优化出的三维结构。
8、在本专利技术的一些实施例中，s1中，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料的陶瓷基体为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷中的一种或几种组成的复合化合物陶瓷；
9、碳纤维为短切碳纤维或长切碳纤维。
10、在本专利技术的一些实施例中，s2中，金属化处理是指在碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面形成金属层，金属层为单层金属层、多层金属层或复合层；
11、所述单层金属层是由单一活泼金属(如ti、ni、cr、zr)组成；
12、所述多层金属层中的每层是由单一活泼金属或者合金组成；
13、所述复合层是由金属与陶瓷纤维、陶瓷颗粒或金属颗粒组成。
14、在本专利技术的一些实施例中，s2中，表面金属化处理的方法包括mo-mn法、气相沉积法、电镀法、离子镀法、化学镀法、喷涂法、离子注入法、粉末冶金、金属浆料浸渗法。
15、在本专利技术的一些实施例中，s3中，制备陶瓷模壳时，首先在单晶高温合金母材上切割出晶粒取向的籽晶，将籽晶、螺旋选晶器蜡模和碳纤维增强陶瓷基复合材料蜡模一同粘浆淋砂，重复多次得到所需厚度的陶瓷模壳，随后进行脱蜡和焙烧处理。
16、在本专利技术的一些实施例中，s3中，氧化物陶瓷模壳材料包括氧化铝陶瓷模壳、氧化硅陶瓷模壳、氧化钙陶瓷模壳或氧化钇陶瓷模壳。
17、在本专利技术的一些实施例中，s3中，具体连接方法为：将s2碳纤维增强陶瓷基复合材料作为预制体置入安放水冷铜盘的陶瓷模壳中，设置真空铸造参数，将单晶高温合金的金属熔液浇入陶瓷模壳内，将模壳沿重力方向或反重力方向抽拉。
18、金属液受到水冷铜盘的激冷作用首先凝固，随后模壳整体以一定的抽拉速度沿重力或反重力方向抽拉，在此过程中，金属熔液经沿抽拉方向反方向定向凝固，晶粒定向生长形成柱状晶组织，经螺旋选晶器后形成单晶组织，最终逐层凝固得到单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件。
19、在本专利技术的一些实施例中，s1中，碳纤维增强陶瓷基复合材料制备方法包括热压烧结法、先驱体转化法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法。
20、本专利技术的第二个目的是提供由上述制备方法制备的单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件。
21、本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
22、本专利技术将陶瓷材料与高温合金材料进行了结合，为了缓解现有技术中陶瓷与高温合金进行连接时，接头中因物化性质不同产生的巨大残余热应力的问题，具体进行了以下改进：
23、1、本专利技术提出采用单晶高温合金代替传统等轴晶高温合金或者柱状晶高温合金，不仅消除了原有晶界，提高了高温合金母体材料的高温热性能。同时，定向凝固过程可以实现高温合金材料的逐层凝固，逐渐释放掉冷却过程中累计的残余热应力，极大地提高了复合材料的力学性能。
24、2、本专利技术采用的是碳纤维增强陶瓷基复合材料，由于材料固有孔隙的存在，在连接过程中，给脆性的陶瓷提供了一定的伪塑性变形能力，一定程度上缓解了接头处的巨大残余热应力。同时，由于纤维的存在，实际承载过程中，可通过纤维扭转、纤维拔出和纤维拉断等方式吸收部分能量，提高接头强度。
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1.一种单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，碳纤维增强陶瓷基复合材料的连接表面结构为二维平截面结构、二维变截面结构、梯度结构、多孔结构或基于拓扑优化设计准测优化出的三维结构。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料的陶瓷基体为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷中的一种或几种组成的复合化合物陶瓷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，金属化处理是指在碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面形成金属层，金属层为单层金属层、多层金属层或复合层；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，表面金属化处理的方法为Mo-Mn法、气相沉积法、电镀法、离子镀法、化学镀法、喷涂法、离子注入法、粉末冶金或金属浆料浸渗法。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，制备陶瓷模壳时，首先在单晶高温合金的母材上切割出晶粒取向
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，氧化物陶瓷模壳材料为氧化铝陶瓷模壳、氧化硅陶瓷模壳、氧化钙陶瓷模壳或氧化钇陶瓷模壳。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，S3中，具体连接方法为：将S2处理后的碳纤维增强陶瓷基复合材料作为预制体置入安放水冷铜盘的陶瓷模壳中，设置真空铸造参数，将金属熔液浇入陶瓷模壳内，将模壳沿重力方向或反重力方向抽拉，金属熔液在温度梯度的作用下逐层凝固，经螺旋选晶器选晶后，形成单晶。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，碳纤维增强陶瓷基复合材料制备方法为热压烧结法、先驱体转化法、化学气相渗透法或反应熔体浸渗法。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备的单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件。
...【技术特征摘要】
1.一种单晶高温合金-碳纤维增强陶瓷基复合材料连接件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中，碳纤维增强陶瓷基复合材料的连接表面结构为二维平截面结构、二维变截面结构、梯度结构、多孔结构或基于拓扑优化设计准测优化出的三维结构。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中，所述碳纤维增强陶瓷基复合材料的陶瓷基体为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷中的一种或几种组成的复合化合物陶瓷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s2中，金属化处理是指在碳纤维增强陶瓷基复合材料的表面形成金属层，金属层为单层金属层、多层金属层或复合层；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s2中，表面金属化处理的方法为mo-mn法、气相沉积法、电镀法、离子镀法、化学镀法、喷涂法、离子注入法、粉末冶金或金属浆料浸渗法。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：王富，王迎鑫，杨强，汪靖，尚岩，李亚洲，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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