一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法技术

本发明专利技术提供了一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，属于陶瓷基复合材料技术领域，包括：碳纤维布热解碳界面层的制备，发动机喷管预制体的制备，基体致密化和喷管毛坯致密化。本发明专利技术采用铺层缝合工艺制备喷管预制体，采用高温模压成型裂解工艺及先驱体浸渍裂解工艺，结合仿形石墨芯模工装维形辅助，实现基体快速致密化，有效缩短制备周期，同时，余量加工位于致密化过程中，能够降低毛坯闭孔率，有助于提高毛坯致密程度，且加工后裸露的纤维在后续致密化过程得到一定程度的包裹，进而提高产品质量。本发明专利技术制备方法制得的喷管成型质量稳定，纤维密度可控，且制备过程对设备和控制技术要求低，成本不高，利于推广和规模化产生。利于推广和规模化产生。

【技术实现步骤摘要】
一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法


[0001]本专利技术涉及一种发动机喷管的制备方法，特别涉及一种薄壁C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，属于陶瓷基复合材料


技术介绍

[0002]喷管(包括收敛段、喉衬、扩散段)是发动机中的能量转换装置，它将壳体内燃烧产物的热能转化为高速射流的动能，经收敛扩散后以高温燃气喷出。喷管在工作中要承受复杂高温燃气流所施加的热、力作用以及喷管振动和摆动的机械载荷等，服役环境十分恶劣，是发动机研制中较复杂、故障最多的部件。如此严苛的服役环境要求喷管用材料具备较高的耐烧蚀、耐高压性能，以及抗冲刷和抗热震性能。除此之外，还应具备结构重量轻、可靠性高、加工性能好、成本经济等特点。
[0003]发动机喷管材料方案主要包括高温合金材料、钛合金材料、C/C复合材料、C/SiC复合材料等。高温合金材料虽然熔点高，但是密度较大，不利于实现减重目的。钛合金材料在高温环境下强度会降低，且易被氧化。C/C和C/SiC复合材料都具有高比强度、高比模量以及优异的抗热震性等特点。但是C/C复合材料不耐氧化、烧蚀量过大，C/SiC复合材料具有低密度，高强度、耐高温、抗烧蚀和抗冲刷等一系列优异性能，同时具有比C/C复合材料更好的抗氧化性能。
[0004]目前，C/SiC复合材料发动机喷管预制体制备主要包括缠绕成型和三维编织成型工艺。其中，三维编织方法自动化程度较低，生产效率低；三维编织方法中纤维缠绕不连续，缠绕张力不均匀，成型质量不稳定；纤维出现曲折，对于薄壁喷管不利于长时维持构件强度和密封性；预制体的碳纤维含量不易控制，无法通过张力调节控制纤维密度。缠绕成型方法适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品，对于表面有凹形的制品，在缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空。另外，上述成型工艺对设备和控制技术要求高，成本较大。
[0005]SiC陶瓷基复合材料致密化工艺主要包括反应熔融浸渗(RMI)、化学气相渗透(CVI)、纳米浸渍与瞬时共晶相(NITE)、浆料浸渍热压(HP)及先驱体浸渍裂解(PIP)。其中，NITE、RMI和HP工艺需要高温环境，制备过程中会对纤维造成损伤，影响整体性能。CVI工艺可在低温低压条件下制备碳化硅基体，对纤维损伤较小，满足复杂形状构件近净尺寸成型，但该工艺制备周期长、制备成本高、不易制备厚度较厚的复合材料。传统PIP工艺对设备要求不高，较为简单，适合大型复杂形状构件近净成型制备，并且可以通过设计并调控有机前驱体分子结构实现特定组分的陶瓷基体制备，但由于陶瓷前驱体陶瓷产率较低，导致制备周期较长，基体纯度不高，降低了致密效率。

技术实现思路

[0006]为解决现有的喷管制备中存在生产效率低、成型质量不稳定以及纤维密度不可控、对设备和控制技术要求高、成本高的至少一个问题，本专利技术人进行了锐意研究，提供了一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，采用铺层缝合工艺制备喷管预制体，并采
用高温模压成型裂解工艺及先驱体浸渍裂解工艺，实现基体快速致密，有效缩短制备周期。本专利技术制备方法制得的喷管成型质量稳定，纤维密度可控，且制备过程对设备和控制技术要求低，成本不高，从而完成本专利技术。
[0007]本专利技术提供的技术方案如下：
[0008]一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤(1)，采用化学气相沉积工艺，以烃类气体作为碳源气体，以惰性气体或氮气作为稀释气体，将碳纤维布置于碳沉积炉中进行沉积，制备出含有热解碳界面层的碳纤维布，然后将含有热解碳界面层的碳纤维布进行石墨化处理；
[0010]步骤(2)，将碳化硅前驱体浆料均匀涂覆至步骤(1)得到的碳纤维布表面，结合仿形石墨芯模工装，采用铺层缝合工艺将碳纤维布紧贴仿形石墨芯模工装表面并围绕成型，制备出喷管预制体；
[0011]步骤(3)，采用高温模压成型裂解工艺对步骤(2)制备的喷管预制体进行致密化，制得C/SiC复合材料喷管毛坯；
[0012]步骤(4)，采用机械加工方法对步骤(3)中的喷管毛坯进行加工，去除加工余量，然后采用先驱体浸渍裂解工艺对加工后的喷管毛坯继续致密化，得到C/SiC复合材料发动机喷管。
[0013]根据本专利技术提供的一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，具有以下有益效果：
[0014](1)本专利技术中，采用碳纤维布铺层缝合工艺制备喷管预制体，得到的该喷管预制体结构的特点主要是纤维体积分数较高、密度较高、空隙率低及面内性能较好；同时，碳纤维布在平面方向上没有弯曲保持竖直平行状态，充分发挥了沿纤维轴向方向上力学性能；
[0015](2)本专利技术中，采用高温模压成型裂解工艺及先驱体浸渍裂解工艺(PIP)，结合仿形石墨芯模工装“维形”辅助，实现基体快速致密化，有效缩短制备周期；同时，高温模压成型裂解工艺能够有效提高毛坯纤维体积含量，并起到维形作用；
[0016](3)本专利技术中，喷管毛坯达到一定密度时进行加工，然后继续致密化，直至达到密度设计要求，该过程加工能够降低毛坯闭孔率，有助于提高毛坯致密程度；同时，加工后裸露的纤维在后续致密化过程得到一定程度的包裹，进而提高产品质量；
[0017](4)本专利技术中，在高温模压成型裂解工艺中，石墨芯模工装与预制体之间填充一层石墨纸，利于石墨芯模工装的再次装入，使模压过程中石墨芯模工装充分与预制体紧密贴合，并均匀施压；且降低了装入以及后续施压过程中，石墨芯模工装对纤维的损伤。
具体实施方式
[0018]下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0019]本专利技术提供了一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，包括如下步骤：
[0020]步骤1，碳纤维布热解碳界面层的制备：采用化学气相沉积工艺，以烃类气体作为碳源气体，以惰性气体或氮气作为稀释气体，将碳纤维布置于碳沉积炉中进行沉积，制备出含有热解碳界面层的碳纤维布，然后将含有热解碳界面层的碳纤维布进行石墨化处理。
[0021]上述步骤1中，所述烃类气体包括甲烷、丙烷或乙炔等。
[0022]上述步骤1中，所述化学气相沉积工艺中，沉积压力为1～15KPa，沉积温度为800～1200℃，沉积时间为40～60小时。优选地，沉积压力为1～5KPa，沉积温度为900～1200℃，沉积时间为40～60小时。
[0023]上述步骤1中，所述石墨化处理中，石墨化处理温度为1900～2200℃，石墨化处理时间为2～4小时。在上述石墨化处理温度和时间范围内，经过对碳纤维布进行石墨化处理，能够增强碳纤维布的延展性，便于后续仿形铺层。若石墨化处理温度或处理时间低于上述要求范围，则界面层中无序碳含量较高，层间滑移几率较低，不利于纤维增韧；若石墨化处理温度或处理时间高于上述要求范围，则碳纤维自身结构发生变化，纤维增强效果减弱。
[0024]上述步骤1中，含有热解碳界面层的碳纤维布上沉积的热解碳界面层的厚度为0.2～1.0μm。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C/SiC复合材料发动机喷管的快速制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，采用化学气相沉积工艺，以烃类气体作为碳源气体，以惰性气体或氮气作为稀释气体，将碳纤维布置于碳沉积炉中进行沉积，制备出含有热解碳界面层的碳纤维布，然后将含有热解碳界面层的碳纤维布进行石墨化处理；步骤(2)，将碳化硅前驱体浆料均匀涂覆至步骤(1)得到的碳纤维布表面，结合仿形石墨芯模工装，采用铺层缝合工艺将碳纤维布紧贴仿形石墨芯模工装表面并围绕成型，制备出喷管预制体；步骤(3)，采用高温模压成型裂解工艺对步骤(2)制备的喷管预制体进行致密化，制得C/SiC复合材料喷管毛坯；步骤(4)，采用机械加工方法对步骤(3)中的喷管毛坯进行加工，去除加工余量，然后采用先驱体浸渍裂解工艺对加工后的喷管毛坯继续致密化，得到C/SiC复合材料发动机喷管。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述化学气相沉积工艺中，沉积压力为1～15KPa，沉积温度为800～1200℃，沉积时间为40～60小时；和/或所述石墨化处理中，石墨化处理温度为1900～2200℃，石墨化处理时间为2～4小时。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含有热解碳界面层的碳纤维布上沉积的热解碳界面层的厚度为0.2～1.0μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用铺层缝合工艺制备喷管预制体的具体步骤为：(i)采用分瓣式仿形石墨芯模工装，在其表面涂覆脱模剂；将涂覆碳化硅前驱体浆料的含有热解碳界面层的碳纤维布紧贴石墨芯模工装表面并围绕成型，对接铺层边缝，完成喷管预制体第一层铺层；(ii)后续同第一层铺层方法依次完成其他层铺层，铺层过程中每...

【专利技术属性】
技术研发人员：马登浩，王昊，金恩泽，袁泽帅，孙新，李军平，张国兵，龚晓冬，房金铭，吴天昊，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：