本发明专利技术公开了一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，将金属3D打印技术、光固化快速成型技术、化学气相沉积技术、凝胶注模成型技术相结合，通过金属3D打印技术制造出所需结构形式的金属增韧骨架，实现陶瓷制品中植入金属增韧骨架，增强了陶瓷涡轮叶片的韧性。本发明专利技术在陶瓷制件中植入金属增韧骨架，大大提高了陶瓷制件的韧性，通过先驱体转化制备的碳化硅陶瓷材料具有较好的强度。与传统的金属叶片相比，可大大减轻叶片的质量，提高发动机的推重比。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于涡轮叶片制造
，涉及。
技术介绍
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°c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专利技术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。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供，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。本专利技术是通过以下技术方案来实现:—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:I)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°C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:I)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；4)向陶瓷浆料中加入催化剂、引发剂，搅拌均匀后通过真空注型机浇注到树脂模具中，瓷浆料中的有机物在催化剂、引发剂的作用下发生固化反应，待固化反应完成后，得到陶瓷涡轮叶片坯体。所述的化学腐蚀去除树脂模具为:将带有树脂模具的陶瓷涡轮叶片坯体放入腐蚀液中，树脂模具在腐蚀液的腐蚀作用下逐层去除；所述的腐蚀液为氢氧化钾、醇和水的混合溶液，其中氢氧化钾的质量分数为5 35%，醇和水的体积比为2 5:4 8，所述的醇为甲醇或乙醇。所述的真空冷冻干燥去除陶瓷坯体中的水分的操作包括:在-30°C -60°C下，待陶瓷坯体中结晶水冻结成冰晶后，在真空度为10 30Pa下真空冷冻干燥。所述的碳化硅致密化是以三氯甲基硅烷为气源，以氢气或者氮气为载气，通过化学气相沉积转化为碳化硅陶瓷材料，填充在复合涡轮叶片的孔隙中。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果:本专利技术提供的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，将金属3D打印技术、光固化快速成型技术、化学气相沉积技术、凝胶注模成型技术相结合，具体的:采用气相沉积技术在金属骨架表面制备陶瓷界面层，然后将金属增韧骨架与光固化树脂模具相结合；通过凝胶注模工艺向树脂模具中浇注陶瓷浆料，在催化剂、引发剂的作用下陶瓷浆料发生固化反应得到涡轮叶片坯体；采用化学腐蚀的方法去除树脂模具，通过真空冷冻干燥保证涡轮叶片的尺寸精度；陶瓷涡轮叶片烧结后，通过化学气相沉积实现碳化硅陶瓷填充在涡轮叶片内部孔隙，实现致密碳化硅陶瓷叶片的制备。这样就通过金属3D打印技术制造出所需结构形式的金属增韧骨架，实现陶瓷制品中植入金属增韧骨架，增强了陶瓷涡轮叶片的韧性。本专利技术提供的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，在陶瓷制件中植入金属增韧骨架，大大提高了陶瓷制件的韧性，同时，通过先驱体转化制备的碳化硅陶瓷材料具有较好的强度。本专利技术尤其适用于低压涡轮叶片的制造，通过该方法制造的涡轮叶片不仅具有良好的高温强度和高温韧性，而且，与传统的金属叶片相比，可大大减轻叶片的质量，提高发动机的推重比。具体实施例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。实施例1:，包括以下步骤:(I)金属增韧骨架的制造。I)首先通过三维造型软件(UG、Pio/E等)设计出所需结构形式的金属骨架。2)将得到的金属骨架的三维模型进行分层切片处理后，导入3D打印设备中进行加工。所用金属粉末为高熔点粉末，具体为钛合金粉末，3D打印设备具体参数如下，激光功率 150W,激光扫描速度 50mm/s-100mm/s,扫描间距 0.0Smm-Q.1mm,层厚 0.0Smm-Q.1mm。3)以硅烷和氨气分别做为硅源和氮源，通过化学气相沉积在金属骨架表面形成一层氮化硅陶瓷界面层。(2)通过光固化快速成型设备制造零件树脂外壳，树脂材料选用19120树脂。将制备出的金属骨架与光固化树脂外壳相结合，得到面向复杂零件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高固相、低粘度的陶瓷浆料，在真空环境下浇注陶瓷浆料到模具中，得到陶瓷制品坯体。I)首先将有机单体AM (丙烯酰胺)和交联剂MBAM (N, N'本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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，然后在保护气氛下于1200～1400℃烧结3～6h，得到多孔复合材料涡轮叶片原型；5）通过化学气相沉积在多孔复合材料涡轮叶片原型的孔隙中生成碳化硅陶瓷，进行致密化，得到金属增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。
【技术特征摘要】
1.一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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，然后在保护气氛下于1200 1400°C烧结3 6h，得到多孔复合材料涡轮叶片原型； 5)通过化学气相沉积在多孔复合材料涡轮叶片原型的孔隙中生成碳化硅陶瓷，进行致密化，得到金属增韧的陶瓷基复合材料涡轮叶片。2.如权利要求1所述的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷界面层的材料为氮化硅或者碳化硅。5.如权利要求4所述的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，其特征在于，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，李涤尘，刘涛，荆慧，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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