[发明专利]基于SiC纤维陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘制备方法

摘要

本发明公开了一种基于SiC纤维陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘制备方法，用于解决现有整体涡轮叶盘制备方法实用性差的技术问题。技术方案是首先采用平面极坐标织造方法制备涡轮叶盘预制体单元层，使得经向和纬向两个主应力方向上有连续SiC纤维，然后采用Z向穿刺、缝合和模压，完成预制体定型，再利用化学气相渗透法在预制体的SiC纤维表面制备BN界面层，采用化学气相渗透工艺对涡轮盘预制体预致密化，在多轴数控机床上采用立方氮化硼或金刚石特种刀具涡轮盘叶片进行加工，最后制备防氧化涂层。由于预制体经向和纬向两个主应力方向上有连续SiC纤维，提高了整体涡轮叶盘的承载性能，缩短了整体涡轮叶盘的制备周期，实用性好。

主权项

1.一种基于SiC纤维陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、采用平面极坐标织造方法制备SiC纤维整体涡轮叶盘预制体单元层；经向SiC纤维以极坐标原点为圆心，等角度间隔，顺时针射线状圆形排布；纬向SiC纤维以交织方式，从圆心最内圈开始，沿周向一圈一圈逐渐向外圈缠绕；随着纬向SiC纤维环数增加，两根经向SiC纤维之间均匀加纱，使得局部经向和纬向SiC纤维体积分数一致，直至完成所需直径的预制体单元层，预制体单元层厚度0.2～0.5mm，SiC纤维体积分数控制在30％～50％；步骤二、以预制体单元层的圆心为定位基准，将预制体单元层平铺、堆叠，上下层的经向SiC纤维交错叠压，厚度超过整体涡轮叶盘设计厚度2～5mm后终止叠层；然后Z向穿刺、缝合和模压，形成整体涡轮叶盘预制体毛坯，预制体毛坯的平面度和平行度小于等于1/500mm，完成整体涡轮叶盘预制体定型；Z向穿刺采用SiC或Si₃N₄纤维；步骤三、利用化学气相渗透法在整体涡轮叶盘预制体的SiC纤维表面制备BN界面层；将整体涡轮叶盘预制体放置于沉积炉内，保持真空度10^‑3Pa，升温至1000～1200℃；NH₃作为氮源，BCl₃提供硼源，H₂为稀释气体，NH₃、BCl₃和H₂的体积流量分别为500ml/min、1000ml/min和2000ml/min，沉积时间20～30h，沉积的BN厚度范围是50～100μm；步骤四、采用化学气相渗透工艺对整体涡轮叶盘预制体预致密化；沉积炉内气压保持在10^‑2Pa，三氯甲基硅烷作为SiC前驱体，H₂和Ar为稀释气体，H₂:Ar的体积混合比为10:1，混合气体流量为1000～1500ml/min，通过鼓泡方式将三氯甲基硅烷气体导入炉内反应区，炉内温度1000～1100℃，沉积时间40～80h；步骤五、当整体涡轮叶盘的密度≥1.5g/cm³以后，通过聚合物浸渍裂解工艺对整体涡轮叶盘快速致密化；将整体涡轮叶盘浸渍到聚碳硅烷溶液中，保持真空度10^‑2Pa20～30min；然后执行高温裂解，裂解温度700～1000℃，裂解时间60～200min；步骤六、当整体涡轮叶盘密度≥2.0g/cm³以后，在多轴数控机床上采用立方氮化硼或者金刚石刀具加工整体涡轮盘叶片，进给量保持0.3‑0.5mm/r，设备主轴转速1000‑5000转/min；步骤七、重复步骤五，当整体涡轮叶盘密度≥2.5g/cm³后重复步骤四，在整体涡轮叶盘表面沉积60～100μm的SiC防氧化涂层，完成SiC纤维陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘制备。