[发明专利]大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件熔融渗硅工装及方法

说明书

本发明涉及一种大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件熔融渗硅工装及方法，解决对于大尺寸圆截面陶瓷基复合材料零构件LSI工艺制备过程存在的过程控制难度大、构件密度均匀差、易变形及底部液硅易堆积、粘接等问题，工装包括由石墨材料制成的多个坩埚单元，各坩埚单元依次同轴从下至上叠放形成坩埚，相邻两个坩埚单元之间铺设环形石墨纸层。方法包括加工大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件半成品及制备大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件的步骤。本发明通过设计分层结构形式的坩埚，采用该结构坩埚，可有效将高温熔融的原料按区域分割，防止因重力作用导致高温时熔融原料下沉，出现下部致密化程度高，上部致密化程度低的现象，有效地提高构件密度的均匀性。

技术领域

本发明涉及一种大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件熔融渗硅工装及工艺方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有耐高温、强度高、密度低、抗腐蚀和低的热膨胀系数等优异的性能，已成为航空、航天等耐热部件、高强度部件最具潜力的新型复合材料之一。复合材料在使用的过程中，材料孔隙率的高低直接决定着材料的各项性能，决定材料孔隙率的关键是致密化技术。陶瓷基复合材料普遍采用的致密化工艺主要有料浆浸渍-热压烧结法、有机先驱体热解法、化学气相渗透法(CVI法)等。

料浆浸渍-热压烧结法，其基本原理是将具有可烧结性的基体原料粉体和预制体用浸渍工艺制成坯件，然后在高温下加压烧结，使基体与纤维结合成复合材料。该方法烧结温度低且烧结时间短，但只适用于单件或者小规模生产。

有机先驱体浸渍-裂解法，其先将纤维编织成所需形状，然后放入装有先驱体溶液的装置中浸渍，然后交联固化，之后在惰性氛围下进行高温裂解，重复浸渍-裂解工艺，使材料致密化，但该方法在裂解过程中有大量气体逸出，在产物内部留下气孔，最终依然有较大的孔隙率。

化学气相渗透法，该方法目前主要分为等温等压化学气相渗透工艺(ICVI)和温度压力梯度化学气相渗透工艺(FCVI)，前者由于致密化过程中主要靠的是反应物沿着空隙的扩散来形成陶瓷基复合材料，因而致密化周期长，效率低，也不易于生产尺寸较大且壁厚较厚的构件，而后者制备的孔隙率又较高，达不到实际应用要求。

目前，为了实现孔隙率较低的陶瓷基复合材料，行业内大多采用CVI(化学气相渗透法)工艺结合LSI(熔融渗硅)工艺或者PIP(有机先驱体浸渍-裂解法)工艺结合LSI(熔融渗硅)工艺实现致密化。

尽管通过LSI工艺可快速致密化，但对于大尺寸圆截面陶瓷基复合材料零构件LSI工艺制备过程仍存在如下问题：

1)构件尺寸大，LSI工艺熔融过程控制难度大；

2)改性后构件密度均匀差且易变形；

3)构件底部液硅易堆积、粘接。

发明内容

为了解决对于大尺寸圆截面陶瓷基复合材料零构件LSI工艺制备过程存在的过程控制难度大、构件密度均匀差、易变形及底部液硅易堆积、粘接等问题，本发明提供一种大尺寸圆截面陶瓷基复合材料零构件LSI工艺过程使用的分段式结构工装及工艺方法。

本发明的技术方案是提供一种大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件熔融渗硅工装，其特殊之处在于：用于大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件的熔融渗硅工艺过程，包括由石墨材料制成的n个坩埚单元，将n个坩埚单元分别定义为第一坩埚单元、第二坩埚单元……第n坩埚单元；所述第一坩埚单元为桶体状，第二坩埚单元至第n坩埚单元均为环状；其中n为大于等于2的自然数；

第一坩埚单元、第二坩埚单元……第n坩埚单元依次同轴从下至上叠放，形成坩埚，坩埚空腔的形状与大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件形状相适配，且坩埚每一径向截面的内径均大于大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件相应径向截面的外径；

相邻两个坩埚单元之间铺设环形石墨纸层，环形石墨纸层的外径与相邻坩埚单元的外径相同，环形石墨纸层的内径与大尺寸圆截面陶瓷基复合材料构件外径相同。