高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制造方法

摘要

本发明公开一种高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制造方法，采用3D打印技术制备了航空发动机叶片模具，再通过凝胶注模法制备出加入碳纤维的SiC陶瓷素坯件，经过冷冻干燥、脱脂等工艺得到多孔SiC陶瓷预制件，然后多次浸渍裂解有机物前驱体，利用裂解产物填充预制件的孔隙，使其达到初步致密，为了保证制件强度与致密度，最终使用热等静压方法制造出高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片。该方法结合多种近净成型技术克服了SiC材料加工困难等缺点，与传统的合金叶片相比较，SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片具有质量轻、耐高温的优势，是未来航空发动机叶片发展的趋势。

说明书

【技术领域】

本发明属于陶瓷基复合材料复杂零件制造技术领域，涉及一种高性能SiC陶瓷基复合 材料航空发动机叶片的制造方法。

【背景技术】

叶片是航空发动机的关键部件，为了不断提高航空发动机的综合性能，则需要提高航 空发动机的燃气温度，这就要求叶片有足够高的承热能力。传统采用的高温合金使用温度 有限，且密度较高(8.03-8.06g/cm³)，制约了航空发动机性能的进一步提升。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制造方法， 该方法基于3D打印技术，经过凝胶注模、热等静压工艺制造出高性能SiC陶瓷基复合材 料航空发动机叶片，该叶片耐高温且密度低，有利于提高航空发动机的综合性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制造方法，包括以下步骤：

1)制备航空发动机叶片的树脂模具；

2)制备固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆料；

3)采用真空注型技术将SiC悬浮浆料浇入树脂模具内，得到SiC陶瓷素坯；

4)将得到的SiC陶瓷素坯进行冷冻干燥处理，去除坯体内的结晶水得到干燥的生坯； 并使用液氮将其树脂模具去除；

5)在气氛保护下对干燥的生坯进行脱脂工艺，将坯体内部有机物烧蚀，得到多孔的 SiC陶瓷叶片；

6)通过进行多次前驱体浸渍裂解工艺，将多孔的SiC陶瓷叶片初步致密化；

7)利用等静压技术，将初步致密化的SiC陶瓷叶片烧结，最终制造出致密度大于或 等于95％的SiC陶瓷基复合材料叶片。

优选的，步骤2)具体包括：

2.1)按照具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维：纳米SiC：预混液＝1：(5～15)：45的 体积比将具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维和纳米SiC加入到配置好的预混液当中，并 进行超声分散得到分散好的预混液；

2.2)将微米SiC混合粉末加入步骤2.1)分散好的预混液中得到混合浆料，然后加入 混合浆料中固相成分0.5～2wt％的聚丙烯酸钠作为分散剂；然后把混合浆料置入机械搅拌 器内搅拌均匀，最终得到固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆料；其中，微米SiC混合粉末的 加入量与步骤2.1)中所使用的预混液的体积比为(39～49)：45；

所述预混液的制备方法为：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(6～24):1混合，然后在室温下溶解到去离子水中，配制成质量分数为15～25％ 的预混液；

所述具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维的制备方法为：将固态PCS研磨成粉末，溶 于二甲苯中，配制成质量分数的20wt％～25wt％的PCS/Xylene浸渍液；将长度为0.5～4mm 短碳纤维加入浸渍液中，超声波处理排除短碳纤维表面沟壑中的气泡；静置1h后取出， 于140℃保温8h使PCS与空气中的氧发生氧化自交联反应；然后将完成交联的短碳纤维 在二甲苯中超声分散5min，取出后烘干；循环上述操作1～2次，得到表面具有均匀而光 滑的PCS涂层的松散单丝短碳纤维；

微米SiC混合粉末由粗SiC粉和细SiC粉以质量比(3～5):1混合而成，所述粗SiC 粉的粒径为40～60um，细SiC粉的粒径为2～10μm。

优选的，步骤3)具体包括以下步骤：将SiC悬浮浆料置入真空注型机内，先后加入 催化量的催化剂和引发剂，搅拌均匀后开始向树脂模具内浇注悬浮浆料，同时开启振动台， 排尽树脂模具内气泡；待真空浇注完成后，在大气环境常温静置彻底完成单体交联固化得 到凝胶后的叶片素坯；其中，所述催化剂为质量分数为25％的四甲基乙二胺溶，所述引 发剂为质量分数为30％过硫酸铵溶液，催化剂的质量与引发剂的质量比为1:6-7。

优选的，步骤4)具体包括：将凝胶后的叶片素坯放置于-60℃冻柜内，冷冻3～5h， 使生坯中的水分完全冷冻结晶；然后使用液氮剥离树脂模具，再将生坯放入冷冻干燥机的 真空负压舱内，持续抽真空至真空度保持在0.1Pa～10Pa，使得生坯内的结晶水完全升华 得到干燥的生坯。

优选的，步骤5)具体包括：将干燥的生坯在气氛箱式炉内完成脱脂工艺，以氩气为 保护气体，脱脂升温工艺：以5℃/min的升温速率从室温升温至200℃，然后以1℃/min 的升温速率从200℃升温至700℃，然后以2℃/min的升温速率从700℃升温至～900℃并 保温1h；脱脂后，得到多孔的SiC陶瓷叶片。

优选的，步骤6)具体包括：将得到的多孔的SiC陶瓷叶片放置真空罐内，抽真空后 吸入SiC/PCS/xylene浸渍浆料，真空度为8×10^-2，保压浸渍30min；将浸渍后的制件，于 80℃下干燥2～4h，然后升温到150℃完成氧化交联；然后在Ar气保护下，以5℃/min的 速度升温至1300℃进行裂解，并在1300℃保温1～1.5h；然后将浸渍剂更换为PCS/xylene 溶液，重复上述浸渍裂解工艺得到初步致密化的SiC陶瓷叶片；SiC/PCS/xylene浸渍浆料 中SiC的质量分数为10％，PCS的质量分数为40％，SiC为纳米颗粒；PCS/xylene浸渍 浆料中PCS的质量分数为40％。

优选的，步骤7)具体包括：将初步致密化的SiC陶瓷叶片从室温以5℃/min的升温 速率进行升温至1500℃，并在1500℃保温时间1.5～2h进行热等静压烧结，热等静压烧结 以氩气为传压介质，压力100MPa；热等静压烧结完成后随炉冷却至室温，得到所要制备 的高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片。

优选的，步骤2)具体包括：

2.1)按照具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维：预混液＝(5～15)：45的体积比将具有 PCS涂层的松散单丝短碳纤维加入到配置好的预混液当中，并进行超声分散得到分散好 的预混液；

2.2)再以石墨：硅粉：SiC：预混液＝6：14：(20～30)：45的体积将石墨、硅粉和SiC 粉末加入分散好的预混液中得到混合浆料，然后加入混合浆料中固相成分0.5～2wt％的分 散剂；然后把浆料置入机械搅拌器内搅拌均匀，最终得到固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆 料；石墨粒径为15～25um，硅粉粒径为5um，SiC粉末粒径为40～60um；

所述预混液的制备方法为：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(6～24):1混合，然后在室温下溶解到去离子水中，配制成质量分数为15～25％ 的预混液；

所述具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维的制备方法为：将固态PCS研磨成粉末，溶 于二甲苯中，配制成质量分数的20wt％～25wt％的PCS/Xylene浸渍液；将长度为0.5～4mm 短碳纤维加入浸渍液中，超声波处理排除短碳纤维表面沟壑中的气泡；静置1h后取出， 于140℃保温8h使PCS与空气中的氧发生氧化自交联反应；然后将完成交联的短碳纤维 在二甲苯中超声分散5min，取出后烘干；循环上述操作1～2次，得到表面具有均匀而光 滑的PCS涂层的松散单丝短碳纤维。

优选的，步骤1)具体包括：使用三维建模软件构建航空发动机叶片三维原型，然后 对原型抽壳得到叶片模具，将其导出为stl格式，再将其导入分层软件Magics中，对叶片 模具模型进行分层处理；将Magics处理数据导入光固化快速成型机中，启动程序，完成 叶片光固化树脂模具的制造；扫描参数：光斑大小为0.14mm，激光功率为300mw，扫描 速度为5500mm/s，层厚0.1mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制造方法，采用3D打 印技术制备出光固化叶片负型模具，使用凝胶注模法得到SiC陶瓷素坯，然后经过冷冻干 燥、脱脂等工艺得到的SiC零件，然而其致密度低，难以实现SiC陶瓷在高性能航空发动 机上的应用。本发明结合先驱体浸渍裂解法和热等静压技术克服了其致密度低的缺陷，得 到了韧性、结构性好，致密度高SiC陶瓷基航空发动机叶片。

本发明制造的SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片，采用浸渍先驱体(聚碳硅烷)， 在纤维表面裂解生成表面完整SiC界面层，有效防止纤维与基体反应，并提高了其与陶瓷 基体的结合强度。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是 限定。

下面具体以航空发动机叶片的制备来进行具体的说明。

实施例1

一种高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：

1.航空发动机叶片负型模具设计与制造

1.1使用三维建模软件(UG、ProE等)构建航空发动机叶片三维原型，然后对原型 抽壳(抽壳厚度为0.5-1.0mm)得到叶片模具，将其导出为stl格式，再将其导入分层软 件Magics中，对叶片模具模型进行分层处理。

1.2将Magics处理数据导入光固化快速成型机(SPS600)RP制造程序内，启动程序， 完成叶片光固化树脂模具的制造。扫描参数：光斑大小为0.14mm，激光功率为300mw， 扫描速度为5500mm/s，层厚0.1mm。

2.浆料的制备

2.1预混液的制备

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 (6～24):1混合，然后在室温下(25℃)溶解到去离子水中，配制成质量分数为15～25％ 的预混液。

2.2纤维涂层制备

将固态PCS(聚碳硅烷)研磨成粉末，溶于二甲苯(Xylene)中，配制成质量分数的 20wt％～25wt％的PCS/Xylene浸渍液。将长度为0.5～4mm短碳纤维加入浸渍液中，超声波 处理(28Hz)30min，以排除短碳纤维表面沟壑中的气泡。静置1h，取出后于140℃保温 8h使PCS与空气中的氧发生氧化自交联反应；然后将完成交联的短碳纤维在二甲苯中超 声分散5min，取出后烘干。循环上述操作1～2次，即可得到表面具有均匀而光滑的PCS 涂层的松散单丝短碳纤维。

2.3固相组分制备

固相成份为：步骤2.2制备的具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维、纳米SiC(平均粒 径50nm，形状为球形)和微米级α-SiC混合粉末；其中微米级α-SiC混合粉末的纯度99.8％， 并由粗SiC和细SiC组成，粗SiC粉的粒径为40～60um、细SiC粉的粒径为2～10μm，粗 SiC：细SiC的质量比为(3～5):1，混合均匀形成微米级α-SiC混合粉末。

2.3.1按照具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维：纳米SiC：预混液＝1：(5～15)：45的 体积比将上述短碳纤维和纳米SiC加入到配置好的预混液当中，并进行5min的超声分散 得到分散好的预混液。

2.3.2将微米SiC混合粉末加入步骤2.3.1分散好的预混液中，然后加入固相成分 0.5～2wt％的聚丙烯酸钠作为分散剂。然后把浆料置入机械搅拌器内搅拌，搅拌时间设定 为20～45min，最终得到固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆料。微米SiC混合粉末的加入量 与步骤2.3.1中所使用的预混液的体积比为(39～49)：45。

3.凝胶注模成型

将SiC悬浮浆料置入真空注型机内(真空度为8×10^-2)，先后加入催化量的催化剂(质 量分数为25％的四甲基乙二胺溶液)和引发剂(质量分数为30％过硫酸铵溶液)，继续搅 拌。1min后开始向叶片模具内浇注悬浮浆料，同时开启振动台，排尽模具内气泡保证充 型完整。待真空浇注完成后，在大气环境常温静置30min彻底完成单体交联固化得到凝 胶后的叶片素坯。其中，催化剂的质量与引发剂的质量比为1:6-7。

4.冷冻干燥

将凝胶后的叶片素坯放置于-60℃冻柜内，冷冻3～5h，使生坯中的水分完全冷冻结晶。 然后使用液氮将生坯的树脂模具剥离，再将其放入冷冻干燥机的真空负压舱内，持续抽真 空(真空度保持在0.1Pa～10Pa)，使得生坯内的结晶水完全升华，从而达到干燥的目的以 得到干燥的生坯。

5.真空脱脂

将干燥的生坯在气氛箱式炉内完成脱脂工艺，以氩气为保护气体，脱脂升温工艺：室 温～200℃(升温速率5℃/min)；200～700℃(升温速率1℃/min)；700～900℃(升温速率 2℃/min)；900℃保温1h。脱脂后，得到孔径在5um左右的多孔SiC陶瓷基复合材料叶片。

6.有机物前驱体的浸渍与裂解

6.1配制两种浸渍剂：配置SiC/PCS/xylene浆料(浆料中SiC的质量分数为10％，PCS 的质量分数为40％，SiC为纳米颗粒)与PCS/xylene溶液(PCS的质量分数为40％)。

6.2将得到的多孔SiC陶瓷预制件放置真空罐内，抽真空后吸入SiC/PCS/xylene浸渍 浆料。真空度为8×10^-2，保压浸渍30min。将浸渍后的制件，于80℃下干燥2～4h，升温 到150℃完成氧化交联。在Ar气保护下，以5℃/min的速度升温至1300℃进行裂解，并 在1300℃保温1～1.5h。然后将浸渍剂更换为PCS/xylene溶液，重复浸渍-裂解工艺。待裂 解工艺完成后得到致密度较高的SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片(其致密度可达 85％～90％)。

7.热等静压

将步骤6.2制备的SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片从室温以5℃/min的升温速率 进行升温至1500℃，并在1500℃保温时间1.5～2h进行热等静压烧结，热等静压烧结以氩 气为传压介质，压力100MPa。热等静压烧结完成后随炉冷却至室温，取出样件，最终得 到密度为2.75-2.82g/cm³，高温(1300℃)抗弯强度为270MPa的SiC陶瓷基复合材料航 空发动机叶片。

实施例2

一种高性能SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：

1.与实例1的步骤1相同；

2.浆料的配制

2.1.与实例1步骤2.1相同

2.2.与实例1步骤2.2相同

2.3.按照具有PCS涂层的松散单丝短碳纤维：预混液＝(5～15)：45的体积比将其混 合，并进行5min的超声分散。再以石墨：硅粉：SiC：预混液＝6：14：(20～30)：45的体 积将石墨、硅粉和SiC粉末加入分散好的预混液中，然后加入整个固相成分0.5～2wt％的 聚丙烯酸钠作为分散剂。然后把浆料置入机械搅拌器内搅拌，搅拌时间设定为20～45min， 最终得到固相颗粒分散均匀的SiC悬浮浆料。石墨粒径为15～25um，Si粉粒径为5um， SiC粉末粒径为40～60um。

3.凝胶注模成型

将SiC悬浮浆料置入真空注型机内(真空度为8×10^-2)，先后加催化量的催化剂(质 量分数为25％的四甲基乙二胺溶液)和引发剂(质量分数为30％过硫酸铵溶液)，继续搅 拌。1min后开始向叶片模具内浇注悬浮浆料，同时开启振动台，排尽模具内气泡以保证 充型完整。待真空浇注完成后，在大气环境常温静置30min彻底完成单体交联固化得到 凝胶后的叶片制件。其中，催化剂的质量与引发剂的质量比为1:6-7。

4.冷冻干燥

将凝胶后的叶片制件放置于-60℃冻柜内，冷冻3～5h，使生坯中的水分完全冷冻结晶。 然后使用液氮将生坯的树脂模具剥离，再将其放入冷冻干燥机的真空负压舱内，持续抽真 空(真空度保持在0.1Pa～10Pa)，使得生坯内的结晶水完全升华，从而达到干燥的目的， 以得到干燥的生坯。

5.真空脱脂

在气氛箱式炉内完成脱脂工艺，以氩气为保护气体，脱脂升温工艺：室温～200℃(升 温速率5℃/min)；200～700℃(升温速率1℃/min)；700～900℃(升温速率2℃/min)；900℃ 保温1h。脱脂后，得到孔径在5um左右的多孔SiC陶瓷。

6.有机物前驱体的浸渍与裂解

6.1配制两种浸渍剂，配置SiC/PCS/xylene浆料(浆料中SiC的质量分数为10％，PCS 的质量分数为40％，SiC为纳米颗粒)与PCS/xylene溶液(PCS的质量分数为40％)。

6.2将得到的多孔SiC陶瓷预制件放置真空罐内，抽真空后吸入SiC/PCS/xylene浸渍 浆料。真空度为8×10^-2，保压浸渍30min。将浸渍后的制件，于80℃下干燥2～4h，升温 到150℃完成氧化交联。在Ar气保护下，以5℃/min的速度从室温升温至1300℃进行裂 解，并在1300℃保温1～1.5h。然后将浸渍剂更换为PCS/xylene溶液，重复浸渍-裂解工艺。 待裂解工艺完成后得到致密度较高的SiC复合材料叶片。

7.热等静压

将步骤6.2制备的SiC陶瓷基复合材料航空发动机叶片从室温以5℃/min的升温速率 进行升温至1500℃，并在1500℃保温时间1.5～2h进行热等静压烧结，热等静压烧结以氩 气为传压介质，压力100MPa。热等静压烧结完成后随炉冷却至室温，取出样件，最终得 到密度为2.75-2.82g/cm³，高温(1300℃)抗弯强度为270MPa的SiC陶瓷基复合材料航 空发动机叶片。