[发明专利]2D、3DN陶瓷基复合材料组件内外埋粉熔融渗硅工装及方法

说明书

本发明涉及一种2D、3DN陶瓷基复合材料组件内外埋粉熔融渗硅工装及方法，目的是解决对2D、3DN陶瓷基复合材料组件中大尺寸圆截面3DN喷管预制体RMI工艺制备过程中存在2D零件易受硅熔体侵蚀导致性能劣化、2D零件与3DN喷管预制体接触面部位的3DN喷管预制体高温改性、组件整体致密化的工艺难度大，以及改性过程3DN喷管预制体易变形的技术问题。该工装包括坩埚、2D零件石墨防护工装、石墨柱、石墨托片、石墨内托和复材变形控制工装，以及(N‑1)个第一环形石墨纸叠层；N≥3。该方法利用该工装进行，采用2D零件b预先工装防护、内外埋粉填料等工艺方法，配合专用工装实现大尺寸圆截面陶瓷基复合材料组件近净尺寸RMI过程，减少了后续加工装配难度。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料熔融渗硅改性，特别涉及一种适用于2D、3DN陶瓷基复合材料组合构件的内/外埋粉熔融渗硅工装及方法。

背景技术

连续碳纤维增韧陶瓷基复合材料(Continuous Fiber Reinforced CeramicMatrix Composites,CFCC)继承了陶瓷本身的低密度、高强度和抗氧化等优异特性，又克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱点，表现出类似于金属的断裂行为，且对裂纹不敏感、不易发生灾难性断裂，在航空航天领域具有巨大的应用潜力。尤其是碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，综合了C/C复合材料和SiC陶瓷的优点，可以满足在1650℃以下有氧环境中长时间使用，2000℃以下有限寿命和2800℃以下瞬时寿命的使用要求。C/SiC复合材料具有比强高、比模量高、抗烧蚀、耐高温和低密度等一系列优异性能，是目前最具潜力的热防护系统材料之一。

热结构复合材料的制备工艺可以分为：气相途径，也称为化学气相渗透(CVI)；液相途径，包括聚合物浸渍热解(PIP)和液硅渗透(LSI)或反应熔体渗透工艺(RMI)。采用气相途径可以在900～1000℃的中温、低压或常压条件下由气态先驱体连续沉积复合材料的不同成分，即界面相、基体和外涂层。初始材料是n(通常n＝2或3)维多孔纤维预制体。在预制体致密化过程中(CVI)，界面相和SiC基体被沉积到预制体孔隙内部的纤维表面。无论采用哪种CVI工艺，复合材料内部都会残留一定的开气孔，从而导致较低的热导率。尽管如此，CVI工艺作为制备SiC基复合材料的成熟工艺，具有以下突出优点：实用性强，制备温度较低，可有效实现复合材料在微观尺寸上的成分设计，适于制备高纤维体积分数、形状复杂、净尺寸和尺寸范围宽的制品，制备过程对纤维损伤小。

RMI工艺是一种通过化学反应，原位生成基体的致密化工艺，反应产物通常为碳化物和硼化物。其原理是通过高温熔化的金属单质或合金混合物与含有碳或硼的多孔材料反应来实现碳化物和硼化物的引入。在RMI过程中不需要额外施加机械压力，熔融的金属或合金在毛细管力作用下自发渗入预制体内部，与碳或引入的前驱体反应生成陶瓷基体。多孔材料中的碳或前驱体可以来源于本身预制体基体(如C/C复合材料)，也可以通过浆料浸渗法或PIP法将碳相引入多孔预制体内部。与CVI工艺相比，RMI工艺制备成本低，生产周期短，可以实现复杂形状构件的制备。制备的材料残余孔隙率低，致密性好，热传导性能优异。但是，RMI工艺也存在一些缺点：浸渗反应过程中，如果不加保护，碳纤维与浸渗的金属相会发生反应，腐蚀损伤纤维，影响材料的力学性能。此外，残留在材料内部的未反应金属在高温下会加速蠕变，破坏相稳定，降低材料性能。为了克服这个缺点，通常结合其它制备工艺(CVI，SI等)对碳纤维进行保护。RMI法制备C/SiC复合材料，可采用CVI工艺首先制备具有一定致密度的C/C预制体，然后在高温下与熔融Si反应实现。也可以采用CVI法制备具有一定密度的多孔C/SiC复合材料，随后采用浆料浸渗法将树脂引入多孔C/SiC内裂解生成多余碳，再进行RMI反应将熔融Si引入复合材料内部，得到致密度较高的C/SiC复合材料。预先沉积SiC基体可以使得碳纤维被SiC有效保护，RMI反应过程中碳纤维不会被Si熔体腐蚀，可以更好地发挥碳纤维的承载能力，因此RMI方法常常用来制备飞行器发动机尾喷管壁等构件。

单一大尺寸圆截面三维针刺喷管预制体(简称3DN喷管预制体)陶瓷基复合材料构件RMI改性已有成熟工艺方法，对其工艺路线进行简述如下：