[发明专利]自愈合陶瓷基复合材料燃烧室火焰筒及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及航空用结构材料技术领域，具体涉及一种自愈合陶瓷基复合材料燃烧室火焰筒及其制备方法与应用。

背景技术

燃烧室是航空发动机的核心部件之一，其主要功能是将燃料的化学能经过燃烧转变为热能，以提高燃气在涡轮和喷管中膨胀的能力。在燃烧室的结构组成中，火焰筒是组织燃烧的场所，是保证空气分股、燃烧充分、掺混均匀并使壁面得到有效冷却的关键部件。燃烧室的可靠性、经济性和寿命在很大程度上取决于火焰筒的可靠性和有效程度，因此研制高性能长寿命的燃烧室火焰筒对于提高发动机性能起着至关重要的作用。

燃烧室火焰筒在发动机部件中属于高温部件，长期处于的环境温度在1300℃以上，现有高温合金涡轮部件的使用温度和服役性能已接近极限，因此常常对高温部件采取气冷以及热障涂层等防护措施。但是，冷气的应用不仅会降低发动机燃烧效率；还会使部件结构复杂化，增加设计和加工难度。高性能航空发动机追求不断提升涡轮前温度，推重比为12-15时，涡轮前进口温度高达1800℃以上，现有高温合金涡轮部件的使用温度和服役性能已接近极限，即使采取冷却技术和热障涂层技术，也难以满足下一代航空发动机的设计要求。采用耐高温陶瓷基复合材料制备燃烧室火焰筒是一项先进技术，陶瓷基复合材料具有耐高温、密度低、耐腐蚀和抗氧化等特点，能够满足热端部件在更高温度环境下使用，不仅有益于大幅减重，还可节约冷气甚至无需冷却，从而提高总压比(Overall Pressure Ratios,OPR)，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度300～500℃，结构减重50％～70％，势必成为高推重比航空发动机的关键耐热结构制备材料。

现有的碳化硅陶瓷基复合材料具有优异的性能，是代替高温合金作为航空发动机热端构件用材料的备选材料，但是在高温氧化环境下，SiC_f复合材料中产生的微裂纹和孔洞易成为氧化性介质(O₂和H₂O)和燃气腐蚀的通道，导致SiC组元中的界面相和纤维氧化受损；此外，服役环境中的应力作用会促使复合材料基体开裂，加速材料的损伤和腐蚀，影响其在高温燃气环境下服役长寿命的要求，从而严重制约SiC陶瓷基复合材料在发动机燃烧室火焰筒的应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种自愈合陶瓷基复合材料燃烧室火焰筒及其制备方法与应用，以提高燃烧室火焰筒的弯曲强度、耐高温能力、抗氧化能力和燃气效率，降低燃烧室火焰筒的质量和NOx、COx等废弃物的排放，并且赋予燃烧室火焰筒自愈合性能，当材料出现裂纹和孔洞时，能够原位自生成玻璃相，达到主动封填的效果，阻止氧化性介质向内扩散，降低界面和纤维的氧化腐蚀损伤，提高燃烧室火焰筒的寿命。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种复合材料燃烧室火焰筒的制备方法，包括如下步骤：S1：将燃烧室火焰筒预制体用化学气相沉积法制备SiC界面；其中，化学气相沉积法的反应气为三氯甲基硅烷；S2：以聚碳硅烷和二甲苯的混合溶液为先驱体溶液，将步骤S1得到的产物采用先驱体浸渍裂解法进行致密化；重复采用先驱体浸渍裂解法至得到的碳化硅基体的密度为1.6～1.8g/cm³；S3：在碳化硅基体的表面采用化学气相渗积法制备SiC基体层和BCx基体层，得到密度为2.0～2.5g/cm³的碳硼硅自愈合基体；其中，以三氯甲基硅烷为沉积气制备SiC基体层，以三氯化硼和甲烷为沉积气制备BCx基体层；S4：将碳硼硅自愈合基体在1000℃下进行1～3h改性处理，得到复合材料燃烧室火焰筒。需要说明的是，步骤S4中的改性处理，是为了在碳硼硅自愈合基体内部的孔隙中和表面填充大量致密的硼硅玻璃相；经多元多层自愈合基体改性后的复合材料燃烧室火焰筒，在水氧燃气应力耦合环境下，碳硼硅自愈合基体内部自愈合组元形成的大量的玻璃相，一方面可阻止内部的碳化硅相氧化腐蚀受损，另一方面使碳硼硅自愈合基体致密化，从而提高了得到复合材料燃烧室火焰筒的弯曲强度及模量。