一种制备碳化硅晶须增强碳化硅复合材料零件的方法

摘要

一种制备碳化硅晶须增强碳化硅复合材料零件的方法，属于陶瓷基复合材料及其零部件的制备技术领域。是采用粉末注射成形与先驱体转化相结合工艺制备SiCw/SiC复合材料零件。将SiC微粉和SiC晶须与所配制的粘结剂按照一定的比例混合成均匀的喂料。喂料经制粒后通过模具在注射成形机上注射成形，得到所需形状的SiCw/SiC复合材料零件成形坯。所得的SiCw/SiC复合材料零件成形坯经过热脱脂后，在1300～1500℃温度下预烧结，最后将SiCw/SiC复合材料零件置于烧结炉烧结致密化。优点在于，减少了粉末注射成形SiC陶瓷粘结剂的使用量，提高了零件的性能和尺寸精度以及生产效率，实现了复杂SiCw/SiC复合材料零件的近终形、低成本和批量化生产。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料及其零部件的制备技术领域，特别是提供了一种制备近终形碳化硅晶须增强碳化硅(SiCw/SiC)复合材料零件的方法，实现了低成本、高性能陶瓷基复合材料零部件的制备。

背景技术

现代国防、核能和航空航天技术以及石油化工、海洋工程等的迅速发展，对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承、机械密封零件、轻质卫星反射镜等众多关键材料提出了愈来愈高的要求，迫切需要开发各种新型的高性能材料。碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)等先进陶瓷因其具有高温强度高，耐磨蚀性、抗氧化性、抗热震和热稳定性好以及热膨胀系数小、密度低等优点，在许多领域中得到广泛应用。陶瓷本身固有的脆性使其在高温材料领域中一直难以有所作为，因此，先进陶瓷的增韧已成为世界性的研究课题。在所有的增韧方法中，陶瓷纤维和晶须补强增韧陶瓷基复合材料因其在高强度和高韧性方面的巨大潜力而在结构应用中崭露头角。其中，具有金刚石型结构的SiC晶须(SiCw)成为陶瓷基复合材料中最为重要的补强增韧剂之一。

由于SiCw/SiC复合材料不仅基体本身具有优异的高温性能，同时SiCw与SiC基体完全相容，晶须可以很好地发挥补强增韧效果，因此SiCw/SiC复合材料被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴、发动机和热交换器部件以及卫星反射镜等领域最有希望的候选材料之一。

SiCw增强SiC复合材料的成形方法主要有传统的粉末冶金模压成形、先驱体浸渍裂解法、注浆成形和压滤成形等。传统的粉末冶金模压法虽然工艺简单，但模压形成的成形坯往往密度不均匀，部件的形状复杂程度也受到一定的限制。而先驱体浸渍裂解法除受部件复杂程度限制外，还存在制备周期长、尺寸精度低等缺点。注浆成形和压滤成形虽可成形复杂形状部件，但由于成形坯密度均匀性差以及尺寸精度低等问题而限制了其应用范围。因此，能直接制备出具有最终形状、尺寸精度高和性能优异的零部件，是SiCw增强陶瓷基复合材料能够得到广泛应用的关键。

本发明采用粉末注射成形与先驱体转化相结合工艺制备SiCw/SiC复合材料及其零件。粉末注射成形是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型近终形成形技术。该技术的最大特点是可以直接制备出形状复杂、组织均匀、尺寸精度高的近终形零件，具有成本低、效率高、应用广等诸多优点。

为了进一步提高SiCw/SiC复合材料零件的性能和生产效率，本发明在粉末注射成形基础上引入先驱体转化工艺来制备SiCw/SiC复合材料零件。研究表明，在SiC基体粉末中加入一定量的SiC先驱体(聚碳硅烷)可显著降低SiC陶瓷的致密化温度，这是因为在SiC陶瓷致密化过程中由聚碳硅烷转化而成的微细SiC晶体有利于SiC陶瓷的致密化。另外，聚碳硅烷固有的有机特性使其很适合作为粉末注射成形SiC陶瓷的粘结剂。因此，采用聚碳硅烷作为注射成形粘结剂主要成份不仅可降低注射成形SiC陶瓷的致密化温度，提高零件的性能，同时还大为减少了粉末注射成形SiC陶瓷时其它粘结剂的使用量，从而提高了零件成形坯的脱脂效率和零件的尺寸精度。因此，采用粉末注射成形与先驱体转化相结合工艺制备SiCw/SiC复合材料零件可彻底解决SiCw/SiC复合材料零件的成形问题，实现SiCw/SiC复合材料零件的低成本、批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备SiCw/SiC复合材料零件的方法，解决了SiCw/SiC复合材料零件的成形问题，能够实现低成本、高性能SiCw/SiC复合材料零件的制备。

本发明采用粉末注射成形与先驱体转化相结合工艺制备SiCw/SiC复合材料零件。采用先驱体转化工艺不仅可降低注射成形SiC陶瓷的致密化温度，提高零件的性能，同时还显著减少粉末注射成形SiC陶瓷时其它粘结剂的使用量，从而提高了成形坯的脱脂效率和零件尺寸精度。具体工艺为：

首先将所选用的SiC微粉和SiC晶须与所配制的粘结剂在混炼机上于120℃～140℃温度下混炼1.5～2小时后成为均匀的喂料，粉末装载量为54～60体积％。喂料经制粒后在注射成形机上于140～160℃温度、100～120MPa压力下注射成形，得到所需形状的SiCw/SiC复合材料零件成形坯。所得的SiCw/SiC复合材料零件成形坯经过热脱脂后，在1300～1500℃温度下预烧结。最后将SiCw/SiC复合材料零件置于烧结炉中于1850～1950℃温度、氩气气氛保护下进行烧结，得到合格的SiCw/SiC复合材料零件。工艺流程如图1所示。

本发明所配制的粘结剂为聚碳硅烷基(PCS)多组元粘结剂，以石腊(PW)和高密度聚乙烯(HDPE)作为增塑剂，以硬脂酸(SA)为表面活性剂，各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝(40～60)∶(30～45)∶(5～10)∶(0～5)。

喂料中SiC微粉与SiC晶须的质量比为100∶(8～25)

喂料制粒后在注射成形机上成形，在注射成形机上成形温度为140～160℃、压力为100～120MPa，预烧结温度为1300～1500℃。

先驱体转化和成形坯预烧结工艺为：经热脱脂后的成形坯继续升温至900℃～1100保温0.5小时后，然后升温至1300～1500℃并保温1小时。

由于将SiC粉末与聚碳硅烷基多组元粘结剂混合成均匀的喂料，喂料经制粒后在注射成形机上注射成形得到SiCw/SiC复合材料零件成形坯，因此，成形坯密度均匀，不需任何机加工处理。同时喂料可重复利用，材料利用率达到100％。SiCw/SiC复合材料零件成形坯经脱脂、预烧结和最终烧结后得到尺寸精度高、不需要任何后处理的SiCw/SiC复合材料零件，所得产品不仅组织和性能均匀，产品的尺寸和性能一致性也好，且可大批量生产，成本低。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：

将SiC微粉与SiC晶须按质量百分比SiC微粉∶SiC晶须＝100∶8的比例混合均匀制得预混合粉。粘结剂采用聚碳硅烷基多组元粘结剂，其各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝40∶45∶10∶5。将该粘结剂在混炼机上于120℃温度下混炼2小时后与预混合粉在混炼机上于120℃温度下混炼2小时，粉末装载量为54体积％。制粒后在注射机上注射成形，注射温度为140℃，注射压力为110MPa，模温为30℃。将所得SiCw/SiC复合材料零件成形坯在氢气保护下的热脱脂炉中升温至200℃保温0.5小时，再升温至380℃保温0.5小时，继续升温到500℃保温1小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的零件成形坯继续升温至900℃保温0.5小时后，再升温至1300℃并保温1小时，从而完成先驱体的转化与成形坯的预烧结，得到SiCw/SiC复合材料零件预烧坯。最后将预烧坯置于烧结炉中于1850℃温度、氩气气氛保护下烧结2小时，即得SiCw/SiC复合材料零件产品。

实施例2：

将SiC微粉与SiC晶须按质量百分比SiC微粉∶SiC晶须＝100∶15的比例混合均匀制得预混合粉。粘结剂采用聚碳硅烷基多组元粘结剂，其各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝50∶40∶5∶5。将该粘结剂在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时后与预混合粉在混炼机上于120℃温度下混炼2小时，粉末装载量为58体积％。制粒后在注射机上注射成形，注射温度为150℃，注射压力为100MPa，模温为30℃。将所得SiCw/SiC复合材料零件成形坯在氢气保护下的热脱脂炉中升温至200℃保温0.5小时，再升温至380℃保温0.5小时，继续升温到500℃保温1小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的零件成形坯继续升温至900℃保温0.5小时后，再升温至1400℃并保温1小时，从而完成先驱体的转化与成形坯的预烧结，得到SiCw/SiC复合材料零件预烧坯。最后将预烧坯置于烧结炉中于1850℃温度、氩气气氛保护下烧结2小时，即得SiCw/SiC复合材料零件产品。

实施例3：

将SiC微粉与SiC晶须按质量百分比SiC微粉∶SiC晶须＝100∶15的比例混合均匀制得预混合粉。粘结剂采用聚碳硅烷基多组元粘结剂，其各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝60∶30∶10∶0。将该粘结剂在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时后与预混合粉在混炼机上于130℃温度下混炼2小时，粉末装载量为58体积％。制粒后在注射机上注射成形，注射温度为150℃，注射压力为110MPa，模温为30℃。将所得SiCw/SiC复合材料零件成形坯在氢气保护下的热脱脂炉中升温至200℃保温0.5小时，再升温至420℃保温0.5小时，继续升温到520℃保温1小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的零件成形坯继续升温至1000℃保温0.5小时后，再升温至1500℃并保温1小时，从而完成先驱体的转化与成形坯的预烧结，得到SiCw/SiC复合材料零件预烧坯。最后将预烧坯置于烧结炉中于1900℃温度、氩气气氛保护下烧结2小时，即得SiCw/SiC复合材料零件产品。

实施例4：

将SiC微粉与SiC晶须按质量百分比SiC微粉∶SiC晶须＝100∶20的比例混合均匀制得预混合粉。粘结剂采用聚碳硅烷基多组元粘结剂，其各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝50∶40∶7∶3。将该粘结剂在混炼机上于140℃温度下混炼1.5小时后与预混合粉在混炼机上于140℃温度下混炼1.5小时，粉末装载量为60体积％。制粒后在注射机上注射成形，注射温度为160℃，注射压力为120MPa，模温为30℃。将所得SiCw/SiC复合材料零件成形坯在氢气保护下的热脱脂炉中升温至200℃保温0.5小时，再升温至400℃保温0.5小时，继续升温到540℃保温1小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的零件成形坯继续升温至1100℃保温0.5小时后，再升温至1500℃并保温1小时，从而完成先驱体的转化与成形坯的预烧结，得到SiCw/SiC复合材料零件预烧坯。最后将预烧坯置于烧结炉中于1950℃温度、氩气气氛保护下烧结2小时，即得SiCw/SiC复合材料零件产品。

实施例5：

将SiC微粉与SiC晶须按质量百分比SiC微粉∶SiC晶须＝100∶15的比例混合均匀制得预混合粉。粘结剂采用聚碳硅烷基多组元粘结剂，其各组元重量百分比为PCS∶PW∶HDPE∶SA＝60∶30∶10∶0。将该粘结剂在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时后与预混合粉在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时，粉末装载量为58体积％。制粒后在注射机上注射成形，注射温度为160℃，注射压力为100MPa，模温为30℃。将所得SiCw/SiC复合材料零件成形坯在氢气保护下的热脱脂炉中升温至200℃保温0.5小时，再升温至420℃保温0.5小时，继续升温到520℃保温1小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的零件成形坯继续升温至1000℃保温0.5小时后，再升温至1500℃并保温1小时，从而完成先驱体的转化与成形坯的预烧结，得到SiCw/SiC复合材料零件预烧坯。最后将预烧坯置于烧结炉中于1950℃温度、氩气气氛保护下烧结2小时，即得SiCw/SiC复合材料零件产品。