本發明涉及航空用發動機結構材料技術領域，具體涉及一種連續纖維增強陶瓷基復合材料火焰穩定器及其制備方法與應用。
背景技術：
在現代先進軍用航空飛機(如渦噴、渦扇等)中，加力燃燒室是發動機里不可缺少的加力裝置。軍用航空飛機若要提高靈活性、保持足夠升力并達到超音速巡航，就需要在機身后面額外噴射燃料，使得推力增加，提高飛機速度與升力，這個額外噴射燃料的燃燒室就叫加力燃燒室。加力燃燒能夠在最短時間內快速增加發動機的基本推力，在不增大發動機迎風面積和降低油耗量的基礎上提高飛機的起飛、爬升以及作戰時急劇加速等性能。所以，加力燃燒室的發展是航空發動機性能提升的必然需求，在軍用飛機的發展中占有重要地位。現代先進航空發動機對加力燃燒室的提出的要求嚴格，要求其點火迅速并平穩，可靠性高。火焰穩定程度也是決定燃燒效率的重要因素，而加力燃燒室中由于進口總壓低，氣流速率大，進口總溫高，火焰穩定困難，因此保持火焰穩定是提高加力燃燒室性能的關鍵，選擇合適的火焰穩定器原材料能從根本上改善其使用性能，再根據選擇的材料對火焰穩定器的結構設計，保證其強度符合發動機加力燃燒室工作要求。現有加力燃燒室部件大多采用鈦、鎳合金等金屬材料，重量大，耐溫不高，需要額外氣冷裝置，增加發動機載重，并且合金在高溫高速火焰摩擦下可能會導致著火風險，金屬火焰能迅速擴散并持續燃燒，導致發動機部件燒毀，致使發動機嚴重毀壞，因此開發新型的耐高溫高性能復合材料應用于航空發動機熱端部件已成為當前制造軍用航空發動機的必然發展趨勢。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明目的在于提供一種連續纖維增強陶瓷基復合材料火焰穩定器及其制備方法與應用，以降低發動機的質量，提高火焰穩定器的工作效率，增加發動機推力，消除由于火焰高速摩擦產生著火風險，以滿足新一代航空發動機的發展需求。
為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：
第一方面，本發明提供了一種復合材料火焰穩定器的制備方法，包括如下步驟：s1：在火焰穩定器預制體的表面采用化學氣相沉積法制備(c-sic)n復合材界面相，其中，火焰穩定器預制體是采用sic纖維制備而成；s2：以三氯甲基硅烷為反應氣，將s1得到的產物采用化學氣相滲透法致密化，得到致密化火焰穩定器；s3：將致密化火焰穩定器機械加工成最終的設計尺寸，得到復合材料火焰穩定器。
在本發明的進一步實施方式中，在s1中，(c-sic)n復合材界面相包括c界面層和sic界面層：c界面層的制備方法包括：以甲烷為碳源氣體，以氬氣為載氣，沉積溫度為960℃～1000℃，沉積壓力為4kpa～10kpa，沉積時間為60～100min，甲烷和氬氣的流量比為(4～6):1；sic界面層的制備方法包括：以三氯甲基硅烷(ch3sicl3)為碳源氣體，氫氣為載氣，沉積溫度為1000℃～1100℃，沉積壓力為4kpa～10kpa，沉積時間為60～100min，三氯甲基硅烷和氫氣的流量比為(3～4):1。
在本發明的進一步實施方式中，在s1中，在火焰穩定器預制體的表面，依次交替制備c界面層和sic界面層，其中，n＝1～5，且與火焰穩定器預制體表面接觸的為c界面層。
在本發明的進一步實施方式中，在s2中，化學氣相滲透法包括：以三氯甲基硅烷為反應氣，氫氣為載氣，氬氣為稀釋氣，滲積溫度為1100℃～1250℃，滲積壓力為4kpa～10kpa，得到密度為2.12～2.55g/cm3的致密化火焰穩定器；其中，三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為8.5:1:1～10:1:1。需要說明的是，滲積時間的長短可以根據所需密度控制，最終密度為2.12～2.55g/cm3的致密化火焰穩定器。
在本發明的進一步實施方式中，還包括在復合材料火焰穩定器的表面制備環境障涂層的步驟，環境障涂層依次包括硅層、莫來石層和硅酸鐿層，硅層是采用電子束物理氣相沉積方法(eb-pvd)沉積在復合材料火焰穩定器的表面，莫來石層是采用等離子噴涂方法噴涂在硅層上，硅酸鐿層是采用等離子噴涂方法噴涂在莫來石層上；其中，制備莫來石層和硅酸鐿層的粉體均采用溶膠凝膠法制備。
在本發明的進一步實施方式中，硅層的厚度為50～70μm，莫來石層的厚度為70～90μm，硅酸鐿層的厚度為100～120μm。
在本發明的進一步實施方式中，火焰穩定器預制體是采用連續sic纖維以三維四向編織法制備而成；其中，在火焰穩定器預制體中，連續sic纖維的體積分數為51.2％～54.6％。需要說明的是，在制備火焰穩定器預制體過程中，可以根據發動機加力燃燒室工作要求設計連續纖維增強陶瓷基復合材料火焰穩定器預制體的結構及尺寸，如v型鈍體火焰穩定器；然后將連續長sic纖維進行去膠處理，再放入高溫石墨爐中，抽真空，升溫至800℃，恒溫1h；然后采用三維四向編織法制備火焰穩定器預制體，其尺寸可以根據紗線徑向數量控制，預制體的密度可以通過編織力度及紗線角度進行控制。
在本發明的進一步實施方式中，在s1中，在采用化學氣相沉積法制備(c-sic)n復合材界面相之前，還包括步驟：將火焰穩定器預制體按照設計進行形狀和尺寸的加工，整體尺寸保留0.1～0.5mm的再次加工余量。需要說明的是，加工可以在石墨模具中進行：根據上述設計的火焰穩定器預制體設計石墨模具，將火焰穩定器預制體放入石墨模具中，調整火焰穩定器預制體在模具中的位置和形狀，使火焰穩定器預制體均勻并接近實際形狀及尺寸的分布于模具中，保留0.1～0.5mm的再次加工余量，將模具合并并固定；并且，石墨模具上可以加工有孔洞，孔洞的數量根據前期火焰穩定器預制體的密度大小、致密化方法和構件所需密度的大小而確定。在s3中，機械加工可以是在之前石墨模具加工的基礎上，對致密化后的火焰穩定器進行打磨拋光和/或去除預留的0.1～0.5mm的再次加工余量，加工成最終的設計尺寸；也可以是一次性將致密化火焰穩定器機械加工成最終的設計尺寸。
第二方面，本發明提供了根據上述方法制備得到的復合材料火焰穩定器。
第三方面，本發明提供了上述復合材料火焰穩定器在制備發動機尤其是制備航空發動機中的應用。
本發明提供的技術方案，可以降低發動機的質量，提高火焰穩定器的工作效率，增加發動機推力，消除由于火焰高速摩擦產生著火風險，以滿足新一代航空發動機的發展需求。本發明選用的sic纖維具有高比模量、高比強度，是一種耐高溫、抗氧化、抗腐蝕的優質多晶陶瓷纖維，可用作高性能陶瓷基復合材料的增強相。sicf/sic復合材料密度低、耐高溫，能夠明顯減少冷卻氣體，增加工作效率并大幅減輕構件重量；并且具有可設計性，能按照火焰穩定器實際尺寸需求進行材料結構設計。火焰穩定器的雙壁很薄，傳統材料的后期加工難度大，采用長纖維編織法可以通過控制紗線數量及編織力度得到整體近壁厚尺寸的火焰穩定器預制體，編織工藝可控性很強，后期可配合成型模具進行增密工藝處理，能夠制備得到高比強度和高比模量的火焰穩定器的整體構件，減少傳統制備方法后期機械加工帶來的原生缺陷對其使用性能產生的影響。本發明采用三維四向編織法制備復合材料，由于其多向紗線構成的空間互鎖網狀結構，使得材料具有較好的抗熱沖擊性、抗疲勞特性、抗沖擊損傷性、抗分層、垂直結構方向強度高和損傷擴展慢等優異性能。
本發明選用質輕高強的材料代替原有金屬材料制備發動機構件，提供了一種幾凈無余量成型方法來滿足火焰穩定器壁薄且均勻的結構要求，減少制備后期機械加工給其帶來的強度損失，提高火焰穩定器工作效率，增加發動機推力，消除由于火焰高速摩擦產生著火的風險，以滿足新一代航空發動機的發展需求。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
圖1為本發明實施例中的火焰穩定器預制體結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
下述實施例中的實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的試驗材料，如無特殊說明，均為自常規試劑商店購買得到的。
以下實施例中的定量試驗，均設置三次重復實驗，數據為三次重復實驗的平均值或平均值±標準差。
本發明提供一種復合材料火焰穩定器的制備方法，包括如下步驟：
s1：采用連續sic纖維以三維四向編織法制備火焰穩定器預制體，在火焰穩定器預制體中，連續sic纖維的體積分數為51.2％～54.6％，將火焰穩定器預制體按照設計進行形狀和尺寸的加工，整體尺寸保留0.1～0.5mm的再次加工余量；在加工后的火焰穩定器預制體表面采用化學氣相沉積法制備(c-sic)n復合材界面相，n＝1～5，即依次交替制備c界面層和sic界面層，且與火焰穩定器預制體表面接觸的為c界面層；(c-sic)n復合材界面相包括c界面層和sic界面層：c界面層的制備方法包括：以甲烷為碳源氣體，以氬氣為載氣，沉積溫度為960℃～1000℃，沉積壓力為4kpa～10kpa，沉積時間為60～100min，甲烷和氬氣的流量比為(4～6):1；sic界面層的制備方法包括：以三氯甲基硅烷為碳源氣體，氫氣為載氣，沉積溫度為1000℃～1100℃，沉積壓力為4kpa～10kpa，沉積時間為60～100min，三氯甲基硅烷和氫氣的流量比為(3～4):1。在火焰穩定器預制體的表面，依次交替制備c界面層和sic界面層，其中，與火焰穩定器預制體表面接觸的為c界面層。
s2：以三氯甲基硅烷為反應氣，將s1得到的產物采用化學氣相滲透法致密化，得到致密化火焰穩定器；化學氣相滲透法包括：以三氯甲基硅烷為反應氣，氫氣為載氣，氬氣為稀釋氣，滲積溫度為1100℃～1250℃，滲積壓力為4kpa～10kpa，得到密度為2.12～2.55g/cm3的致密化火焰穩定器；其中，三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為8.5:1:1～10:1:1。
s3：將致密化火焰穩定器機械加工成最終的設計尺寸，得到復合材料火焰穩定器。
s4：在復合材料火焰穩定器的表面制備環境障涂層，環境障涂層依次包括硅層、莫來石層和硅酸鐿層，硅層是采用電子束物理氣相沉積方法沉積在復合材料火焰穩定器的表面，莫來石層是采用等離子噴涂方法噴涂在硅層上，硅酸鐿層是采用等離子噴涂方法噴涂在莫來石層上；其中，制備莫來石層和硅酸鐿層的粉體均采用溶膠凝膠法制備，硅層的厚度為50～70μm，莫來石層的厚度為70～90μm，硅酸鐿層的厚度為100～120μm。
下面結合具體實施例對本發明提供的復合材料火焰穩定器及其制備方法作進一步說明。
實施例一
根據發動機加力燃燒室工作要求設計連續纖維增強陶瓷基復合材料火焰穩定器預制體的結構及尺寸；將連續sic纖維放入高溫石墨爐中，抽真空，升溫至800℃，恒溫1h，然后根據火焰穩定器結構及設計尺寸并采用三維四向編織方法制備得到火焰穩定器預制體；根據尺寸要求設計對應的石墨模具，且石墨模具上加工有孔洞，將制得的火焰穩定器預制體放入石墨模具中，調整火焰穩定器預制體在模具中的位置和形狀，使預制體均勻并接近實際形狀及尺寸的分布于模具中，保留0.1mm的再次加工余量，將模具合并并固定，得到如圖1所示的火焰穩定器預制體。
在火焰穩定器預制體的表面采用化學氣相沉積法制備(c-sic)3復合材界面相，其中：c界面層的制備方法包括：以甲烷為碳源氣體，以氬氣為載氣，甲烷和氬氣的流量比為4:1，沉積溫度為1000℃，沉積壓力為4kpa，沉積時間為80min；sic界面層的制備方法包括：以三氯甲基硅烷為碳源氣體，氫氣為載氣，三氯甲基硅烷和氫氣的流量比為3:1，沉積溫度為1100℃，沉積壓力為4kpa，沉積時間為80min，得到的界面相厚度為0.36μm。
將得到的產物采用化學氣相滲透法致密化，包括：以三氯甲基硅烷(ch3sicl3)為反應氣，氫氣為載氣，氬氣為稀釋氣，三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為10:1:1，滲積溫度為1250℃，滲積壓力為5kpa，得到密度為2.38g/cm3的致密化火焰穩定器，得到復合材料火焰穩定器。
將復合材料火焰穩定器通過打磨拋光加工成最終的設計尺寸，然后在復合材料火焰穩定器的表面制備環境障涂層，環境障涂層依次包括硅層、莫來石層和硅酸鐿層，硅層是采用電子束物理氣相沉積方法(eb-pvd)沉積在復合材料火焰穩定器的表面，莫來石層是采用等離子噴涂方法噴涂在硅層上，硅酸鐿層是采用等離子噴涂方法噴涂在莫來石層上；其中，制備莫來石層和硅酸鐿層的粉體均采用溶膠凝膠法制備，硅層的厚度為50μm，莫來石層的厚度為80μm，硅酸鐿層的厚度為100μm。
實施例二
根據發動機加力燃燒室工作要求設計連續纖維增強陶瓷基復合材料火焰穩定器預制體的結構及尺寸；將連續sic纖維放入高溫石墨爐中，抽真空，升溫至800℃，恒溫1h，然后根據火焰穩定器結構及設計尺寸并采用三維四向編織方法制備得到火焰穩定器預制體；根據尺寸要求設計對應的石墨模具，且石墨模具上加工有孔洞，將制得的火焰穩定器預制體放入石墨模具中，調整火焰穩定器預制體在模具中的位置和形狀，使預制體均勻并接近實際形狀及尺寸的分布于模具中，保留0.1mm的再次加工余量，將模具合并并固定。
在火焰穩定器預制體的表面采用化學氣相沉積法制備(c-sic)4復合材界面相，其中：c界面層的制備方法包括：以甲烷為碳源氣體，以氬氣為載氣，甲烷和氬氣的流量比為4:1，沉積溫度為960℃，沉積壓力為10kpa，沉積時間為100min；sic界面層的制備方法包括：以三氯甲基硅烷為碳源氣體，氫氣為載氣，三氯甲基硅烷和氫氣的流量比為3:1，沉積溫度為1100℃，沉積壓力為10kpa，沉積時間為100min，得到的界面相厚度為0.44μm。
將得到的產物采用化學氣相滲透法致密化，包括：以三氯甲基硅烷(ch3sicl3)為反應氣，氫氣為載氣，氬氣為稀釋氣，三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為8.5:1:1，滲積溫度為1150℃，滲積壓力為10kpa，得到密度為2.44g/cm3的致密化火焰穩定器，得到復合材料火焰穩定器。
將復合材料火焰穩定器通過打磨拋光加工成最終的設計尺寸，然后在復合材料火焰穩定器的表面制備環境障涂層，環境障涂層依次包括硅層、莫來石層和硅酸鐿層，硅層是采用電子束物理氣相沉積方法(eb-pvd)沉積在復合材料火焰穩定器的表面，莫來石層是采用等離子噴涂方法噴涂在硅層上，硅酸鐿層是采用等離子噴涂方法噴涂在莫來石層上；其中，制備莫來石層和硅酸鐿層的粉體均采用溶膠凝膠法制備，硅層的厚度為70μm，莫來石層的厚度為90μm，硅酸鐿層的厚度為120μm。
將本發明實施例一至實施例二制備得到的復合材料火焰穩定器，進行性能測定，并且以現有技術中的高溫合金材料為對比例，測定得到的結果如下表1所示，其中，表中的線膨脹系數是測定的室溫至1100℃間的平均線膨脹系數。
表1復合材料火焰穩定器的性能
需要說明的是，除了上述實施例一至實施例二列舉的情況，選用其它的制備方法參數也是可行的。
本發明提供的技術方案，可以降低發動機的質量，提高火焰穩定器的工作效率，增加發動機推力，消除由于火焰高速摩擦產生著火風險，以滿足新一代航空發動機的發展需求。本發明選用的sic纖維具有高比模量、高比強度，是一種耐高溫、抗氧化、抗腐蝕的優質多晶陶瓷纖維，可用作高性能陶瓷基復合材料的增強相。sicf/sic復合材料密度低、耐高溫，能夠明顯減少冷卻氣體，增加工作效率并大幅減輕構件重量；并且具有可設計性，能按照火焰穩定器實際尺寸需求進行材料結構設計。火焰穩定器的雙壁很薄，傳統材料的后期加工難度大，采用長纖維編織法可以通過控制紗線數量及編織力度得到整體近壁厚尺寸的火焰穩定器預制體，編織工藝可控性很強，后期可配合成型模具進行增密工藝處理，能夠制備得到高比強度和高比模量的火焰穩定器的整體構件，減少傳統制備方法后期機械加工帶來的原生缺陷對其使用性能產生的影響。本發明采用三維四向編織法制備復合材料，由于其多向紗線構成的空間互鎖網狀結構，使得材料具有較好的抗熱沖擊性、抗疲勞特性、抗沖擊損傷性、抗分層、垂直結構方向強度高和損傷擴展慢等優異性能。
本發明選用質輕高強的材料代替原有金屬材料制備發動機構件，提供了一種幾凈無余量成型方法來滿足火焰穩定器壁薄且均勻的結構要求，減少制備后期機械加工給其帶來的強度損失，提高火焰穩定器的工作效率，增加發動機推力，消除由于火焰高速摩擦產生著火的風險，以滿足新一代航空發動機的發展需求。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型，而并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。