一種復雜結構高韌性SiC基復合材料零件的快速制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于SiC基復合材料領域,具體涉及一種復雜結構高韌性Sic基復合材料零件的快速制造方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維增韌SiC陶瓷基復合材料是一種新型的高韌性高溫結構材料,在發動機等裝備的耐熱端結構方面擁有廣闊的發展前景,而碳纖維增韌SiC陶瓷基復合材料由于脆性大、硬度高,復雜結構的零件制造困難,嚴重制約了高韌性SiC陶瓷基復合材料零件的進一步推廣應用。
[0003]目前,現有的制備SiC陶瓷基復合材料零件的方法主要有先驅體浸漬裂解工藝(PIP),化學氣相滲透工藝(CVI),納米浸漬與瞬時共晶(NITE)和液相滲硅工藝(LSI)。其中,PIP工藝周期長,成本高,殘余孔隙率較高,不適于投入生產。CVI工藝設備復雜,制備周期長,成本高,不適宜制備較厚制件。NITE工藝雖然周期短、產品致密度高,但其在高溫高壓環境易對纖維造成損傷,導致纖維性能下降,影響增韌效果,熱壓的方法也無法適用于復雜結構零件。LSI工藝在滲硅過程中也較易發生硅和纖維之間的反應,造成纖維受損,導致性能下降,而且液相硅在浸滲時極易發生孔隙堵塞,導致制件缺陷。另外,上述幾種制備方法只適用于簡單形狀零件的制備,不能滿足高精度復雜結構零件的制造。另外,成型復雜結構SiC基復合材料零件的方法如注射成型技術、注漿成型技術、三維編織技術等,存在模具制造困難,周期長,個性化程度不高等缺點。綜上所述,目前SiC陶瓷基復合材料零件的制造方法不僅制造工藝復雜、制造條件高、生產效率低、成本要求高,而且很難滿足任意復雜結構零件的精度、強度、韌性等要求。因此,傳統SiC陶瓷基復合材料零件的制造方法已大大阻礙了大規模生產和應用。
[0004]目前,采用激光選區燒結(Selective Laser Sintering,SLS)快速制造技術,可成形出具有多孔隙的SiC陶瓷零件形坯,再經脫脂和高溫燒結后形成多孔SiC陶瓷零件毛坯。但用這種方法制造坯件密度、強度和韌性較低,應用范圍窄。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術的不足,目的在于提供一種復雜結構高韌性SiC基復合材料零件的快速制造方法。
[0006]為實現上述發明目的,本發明采用的技術方案為:
[0007]—種復雜結構高韌性SiC基復合材料零件的快速制造方法,其特征在于,包括如下步驟:
[0008](1)將N源和B源混合、充分研磨后,加入碳纖維粉末,濕磨混料、烘干;將混合料置于氫氣爐內高溫煅燒,再經干磨、過篩后,得到BN緊密包覆在碳纖維表面的BN-碳纖維復合粉末;
[0009](2)將BN-碳纖維復合粉末和酚醛樹脂按1:5?1:15的質量比混合,加入5000ml?7000ml的無水乙醇,升溫至60?70°C攪拌均勻后,加熱至80?90°C并保溫
0.5?lh,然后冷卻至室溫,得到混合料,混合料經烘干、過篩后,得到酚醛樹脂緊密包覆在BN-碳纖維復合粉末表面的酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末;
[0010](3)在計算機上對復雜結構零件進行三維數字化建模,將三維數字化建模輸入到SLS成型機,以酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末為原料,利用SLS快速成形工藝進行粉末燒結成型,制備得到復雜結構零件坯件;
[0011 ] (4)將復雜結構零件坯件放入N2保護燒結裝置中,對坯件內的酚醛樹脂進行熱解處理,形成碳骨架,得到Cf/C預制件;將Cf/C預制件放入氣相滲硅爐中,對Cf/C預制件進行滲硅蒸氣處理,滲硅蒸氣結束后,得到Cf/SiC復雜結構零件。
[0012]上述方案中,所述N源為尿素、銨鹽或硝酸鹽;所述B源為硼酸或硼砂。
[0013]上述方案中,所述濕磨混料的介質為無水乙醇,濕磨混料的時間為8?12h。
[0014]上述方案中,所述高溫煅燒為:在流動氫氣氣氛保護下,氫氣爐內加熱到1000 °C ?1100°(:,保溫611?10h。
[0015]上述方案中,所述SLS快速成形工藝為:將酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末預熱至90°C?110°C,控制SLS成型機的激光功率為10?20w,掃描速度1000?2000mm/s,掃描間距0.1?0.2mm,單層層厚0.1?0.2mm。
[0016]上述方案中,所述對坯件內的酚醛樹脂進行熱解處理的工藝條件為:以0.5?2°C /min的速率加熱至850°C?1000°C,保溫1.5?2小時。
[0017]上述方案中,所述對Cf/C預制件進行加熱和滲硅蒸氣處理的工藝條件為:以5°C /min的速率加熱至1500?1700°C,同時打開硅蒸氣產生裝置通入硅蒸氣,保溫2?3小時。
[0018]本發明以酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末為原料,利用SLS/GSI復合成形快速制造工藝,制備得到Cf/SiC復雜結構零件。其中,利用酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末可以解決碳纖維在GSI過程中易受到高溫氣相硅損害的問題,酚醛樹脂可作為SLS成形用粘接劑,也可作為熱解形成碳骨架的碳源。利用SLS技術可成形高精度復雜結構坯件,結合GSI工藝完成致密化,縮短生產周期,快速制造出SiC陶瓷基復合材料零件。
[0019]本發明的有益效果如下:
[0020](1)本發明所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末中,BN可作為界面層材料,有效保護工藝過程中碳纖維的結構不受損傷,碳纖維_SiC陶瓷間的BN界面層除了可以減緩高溫下氣相硅對碳纖維的損傷,還具有松粘裂紋、傳遞載荷、緩解與阻擋熱應力的作用,在碳纖維增韌陶瓷零件受力過程中,可借助裂紋偏轉和纖維橋接、拔出的方式極大地改善陶瓷材料的韌性,從而保證零件的性能;
[0021](2)本發明所述制備方法中,SLS快速成形技術具有成本低,成型周期短,產品精度高,不需要生產模具,可成形任意復雜結構零(坯)件等優點;
[0022](3)本發明采用GSI工藝,制備得到的Cf/SiC復合材料的滲透速度更高,滲透深度更大,選擇合適地工藝條件時,可防止坯體開裂、浸滲孔道堵塞等問題;
[0023](4)本發明所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末材料的致密度高、性能好,可實現高精度任意復雜結構零件的柔性快速制造;
[0024](5)本發明采用酚醛樹脂作為粘結劑,具有SLS粘結效果好,熱解后含碳率高等優點。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的流程圖。
[0026]圖2為本發明制備方法中,所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末經SLS成形、酚醛樹脂熱解、滲硅蒸氣處理后,粉末粘接及致密化示意圖,其中1為碳纖維,2為BN界面層,3為酚醛樹脂,4為碳骨架,5為SiC基體。
【具體實施方式】
[0027]為了更好地理解本發明,下面結合實施例進一步闡明本發明的內容,但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0028]實施例1
[0029]—種復雜結構高韌性SiC基復合材料零件的快速制造方法(工藝流程圖見圖1),具體包括如下步驟:
[0030](1)將尿素和硼酸按照1:4的摩爾比混合,在研缽中充分研磨后,與碳纖維粉末一起放入球磨罐中,加入無水乙醇,使用陶瓷磨柱,濕磨混料8h,然后烘干;將該混合粉料放入陶瓷坩禍,在氫氣爐內加熱到1000°C,保溫6h,流動氫氣氣氛,反應結束后,粉料經干磨、過篩,得到BN緊密包覆在碳纖維表面的BN-碳纖維復合粉末;
[0031](2)將BN-碳纖維復合粉末和酚醛樹脂按1:5的質量比加入到攪拌釜中,加入5000?7000毫升無水乙醇浸過混料和攪拌頭,開始攪拌,同時將溫度升高至60?70°C,混合均勻后,加熱至80?90°C,并保溫0.5?1小時,然后冷卻至室溫,得到混合料,經烘干、過篩后,得到酚醛樹脂緊密包覆在BN-碳纖維復合粉末表面的酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末;
[0032](3)在計算機上對復雜結構零件進行三維數字化建模,將三維數字化建模輸入到SLS成型機,將酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復合粉末預熱至90°C,利用SLS快速成形工藝進行粉末燒結成型,制備得到復雜結構零件坯件;所述SLS快速成形工藝的條件為:控制SLS成型機的激光功率為10w,掃描速度2000mm/s,掃描間距0.1?0.2mm,單層層厚0.1?
0.2mm ;
[0033](3)將復雜結