陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，包括以下步骤：压制单晶高温合金试件蜡模；制作陶瓷基复合材料结构件并进行表面金属化；在单晶高温合金试件蜡模上需要嵌入陶瓷基复合材料结构件的部位进行重熔，并将陶瓷基复合材料结构件的一部分嵌入蜡模内；将单晶高温合金试件蜡模组成模组，并与其他组件组装成浇注系统；采用熔模铸造方法制备浇注系统的型壳，并将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件。本发明专利技术不需要改进现有工艺的生产线，只需在中间添加一些简单的步骤即可，降低了生产成本，节约了时间与资源，显著增强结构件在超高温下的连接强度。超高温下的连接强度。超高温下的连接强度。

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷与金属复合构件制备
，具体涉及一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料具有高强度、耐高温、轻质化、耐蠕变、抗氧化和强吸振等优异特点，其作为耐高温结构材料，应用温度能达到1350℃以上，在航空航天、核能等领域具有非常广阔的应用前景，特别是航空发动机涡轮叶片领域。陶瓷基复合材料被誉为新一代航空发动机的战略热结构材料，以陶瓷基复合材料为代表的新一代复合材料及其高精度制造技术代表着世界工业材料及制造技术的前沿，是航空工业竞争的热点，也是发动机制造领域最核心的技术。然而陶瓷基复合材料存在硬脆、难加工的问题，难以成形出复杂结构的涡轮叶片，特别是我国的陶瓷基复合材料制备技术相对落后，很难将其真正工程化。
[0003]单晶高温合金在高温度、高应力和燃气腐蚀等条件下，其应用温度能达到1150℃，是航空发动机涡轮叶片中应用最广泛的材料。单晶高温合金避免了高温下晶界软化的缺点，弥补了传统高温合金偏析严重、热加工性能差和成型困难等缺点，但是为了满足推重比20的先进航空发动机的需求，其性能需要进一步优化和提高。
[0004]陶瓷基复合材料与单晶高温合金的结合是当前研究的一大热点，目前国内外很多专家学者对该技术进行了研究，但是关于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的连接技术仍存在较大问题：（1）陶瓷基复合材料和单晶高温合金的键型不同，难以实现良好的冶金连接；（2）陶瓷基复合材料和单晶高温合金的热膨胀系数差异大，连接接头容易产生较大的残余应力，致使接头强度低；（3）陶瓷表面润湿性差，连接工艺确定困难。
[0005]目前关于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的连接方法有很多，包括机械连接、粘接连接、钎焊连接、固相扩散连接、瞬时液相连接、熔化焊、自蔓延高温合成连接、摩擦焊、微波连接和超声连接等方法，但是没有任何一种方法能够在连接陶瓷基复合材料和单晶高温合金后能够使样品在1100℃以上的高温下进行使用，因此需要开发一种新型的陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，以解决现有技术存在的问题。
[0006]申请公布号为CN102416464A的专利技术专利公开了一种制备等轴晶高温合金铸件合金/陶瓷界面反应试样的方法，包括以下步骤：采用传统熔模精密铸造工艺制备内部带有陶瓷型芯的壳型；将壳型在定向凝固真空感应炉的加热器中加热到预计发生合金/陶瓷界面反应的不同温度并保温；将高温合金锭重熔并浇注进壳型空腔，再以一定速度抽拉出加热器，形成带型芯的定向凝固铸件或试棒；切取不同高度的定向凝固铸件或试棒，获得合金与陶瓷在同一温度下不同反应时间的数据。该技术方案虽然能够提高试验效率，但是高温合金与陶瓷材料连接形成复合构件，该复合构件在高温下的连接强度较低。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金
复合构件的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
[0008]步骤一：准备单晶高温合金母合金、蜡料和型壳浆料备用，同时按照设计要求压制单晶高温合金试件蜡模；
[0009]步骤二：按照要求的形状和尺寸制作陶瓷基复合材料结构件备用；
[0010]步骤三：对所制作的陶瓷基复合材料结构件进行表面金属化处理；
[0011]步骤四：在单晶高温合金试件蜡模上需要嵌入陶瓷基复合材料结构件的部位进行重熔，待重熔结束后，将陶瓷基复合材料结构件的一部分嵌入单晶高温合金试件蜡模的内部，然后使用熔融的蜡料对单晶高温合金试件蜡模进行修整，待修整结束后，将单晶高温合金试件蜡模组成模组；将该模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，并采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；
[0012]步骤五：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件。
[0013]优选的是，步骤一中，所述单晶高温合金母合金中含有Ti元素和Hf元素，所述Ti元素的含量为0
‑
0.5wt%，所述Hf元素的含量为0
‑
0.15wt%，所述单晶高温合金母合金的熔点为1200
‑
1400℃；所述单晶高温合金试件为圆柱形棒材，其直径为12
‑
18mm、长度为150
‑
200mm。本专利技术中，仅对单晶高温合金母合金中的Ti元素和Hf元素进行特殊限定，对其他元素不做特殊限定。
[0014]在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述陶瓷基复合材料包括碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC
f
/SiC）、碳纤维增强碳基复合材料（C
f
/C）、碳纤维增强碳化硅基复合材料（C
f
/SiC）中的任一种；所述陶瓷基复合材料的密度不超过3g/cm3，孔隙率为0
‑
2%，热膨胀系数为2
‑5×
10
‑6·
K
‑1，工作温度为1000
‑
1400℃；所述陶瓷基复合材料结构件的形状为圆柱形，其直径为所述单晶高温合金试件直径的0.5
‑
1倍，其长度为15
‑
25mm。本专利技术中，陶瓷基复合材料采用熔渗工艺（MI）、化学气相渗透工艺（CVI）、前驱体浸渍/裂解工艺（PIP）或3D打印工艺（AM）中的任一种制备而成，对具体工艺参数不做特殊限定；可以使用激光切割或线切割的方法将陶瓷基复合材料制作成特定结构。
[0015]在上述任一方案中优选的是，步骤三中，对所制作的陶瓷基复合材料结构件进行表面金属化处理，其按照先后顺序包括以下步骤：
[0016]步骤（1）：分别配制含有钼元素、锰元素和镍元素的金属浆料备用；
[0017]步骤（2）：在陶瓷基复合材料结构件的外表面涂覆一层含有钼元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；待干燥处理结束后，在陶瓷基复合材料结构件的外表面继续涂覆一层含有锰元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；待干燥处理结束后，在陶瓷基复合材料结构件的外表面继续涂覆一层含有镍元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；
[0018]步骤（3）：待干燥处理结束后，将陶瓷基复合材料结构件放入真空烧结炉内进行烧结处理，待烧结处理结束后，即可在陶瓷基复合材料结构件的外表面沉积一层含有钼
‑
锰
‑
镍的复合金属涂层。
[0019]在上述任一方案中优选的是，步骤（1）中，在含有钼元素的金属浆料中，所述钼元素的含量为60
‑
70wt%；在含有锰元素的金属浆料中，所述锰元素的含量为60
‑
70wt%；在含有镍元素的金属浆料中，所述镍元素的含量为70
‑
80wt%。
[0020]在上述任一方案中优选的是，步骤（2）中，在涂覆含有钼元素的金属浆料后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，其特征在于：按照先后顺序包括以下步骤，步骤一：准备单晶高温合金母合金、蜡料和型壳浆料备用，同时按照设计要求压制单晶高温合金试件蜡模；步骤二：按照要求的形状和尺寸制作陶瓷基复合材料结构件备用；步骤三：对所制作的陶瓷基复合材料结构件进行表面金属化处理；步骤四：在单晶高温合金试件蜡模上需要嵌入陶瓷基复合材料结构件的部位进行重熔，待重熔结束后，将陶瓷基复合材料结构件的一部分嵌入单晶高温合金试件蜡模的内部，然后使用熔融的蜡料对单晶高温合金试件蜡模进行修整，待修整结束后，将单晶高温合金试件蜡模组成模组；将该模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，并采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；步骤五：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述单晶高温合金母合金中含有Ti元素和Hf元素，所述Ti元素的含量为0
‑
0.5wt%，所述Hf元素的含量为0
‑
0.15wt%，所述单晶高温合金母合金的熔点为1200
‑
1400℃；所述单晶高温合金试件为圆柱形棒材，其直径为12
‑
18mm、长度为150
‑
200mm。3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述陶瓷基复合材料包括碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料、碳纤维增强碳化硅基复合材料中的任一种；所述陶瓷基复合材料的密度不超过3g/cm3，孔隙率为0
‑
2%，热膨胀系数为2
‑5×
10
‑6·
K
‑1，工作温度为1000
‑
1400℃；所述陶瓷基复合材料结构件的形状为圆柱形，其直径为所述单晶高温合金试件直径的0.5
‑
1倍，其长度为15
‑
25mm。4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金复合构件的制备方法，其特征在于：步骤三中，对所制作的陶瓷基复合材料结构件进行表面金属化处理，其按照先后顺序包括以下步骤，步骤（1）：分别配制含有钼元素、锰元素和镍元素的金属浆料备用；步骤（2）：在陶瓷基复合材料结构件的外表面涂覆一层含有钼元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；待干燥处理结束后，在陶瓷基复合材料结构件的外表面继续涂覆一层含有锰元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；待干燥处理结束后，在陶瓷基复合材料结构件的外表面继续涂覆一层含有镍元素的金属浆料，并将其放入真空干燥箱内进行干燥处理；步骤（3）：待干燥处理结束后，将陶瓷基复合材料结构件放入...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云松，骆宇时，王尧，杨振宇，李远，张迈，张剑，王海文，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：