一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)，其特征在于材料是高溫鎳基合金，厚度為0.2～1mm，長(zhǎng)度為5mm～50mm。還提供了一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法，其特征在于包括以下步驟：(1)設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)位置，用CAD畫(huà)出三維實(shí)體模型，切片處理得二維剖面，將數(shù)據(jù)傳到成型系統(tǒng)；(2)將混合粉末及有機(jī)粘接劑混合放入粉末缸，通入保護(hù)氣；(3)噴管喉部表面清洗、活化、加熱預(yù)處理；(4)鋪粉，預(yù)熱工作臺(tái)；(5)設(shè)計(jì)激光參數(shù)按截面信息選擇性燒結(jié)；(6)繼續(xù)鋪粉開(kāi)始新一輪燒結(jié)；(7)重復(fù)步驟6，直到噴管喉部堆積成加強(qiáng)環(huán)，高溫焙燒。本方法高度技術(shù)集成，加工周期短，無(wú)需模具，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，采用保護(hù)氣避免了粉體被氧化。
【專利說(shuō)明】一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種加強(qiáng)環(huán)及其制備方法，特別是涉及一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能及耐磨損性能，可作為航空航天材料，用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等。噴管是通過(guò)改變管段內(nèi)壁的幾何形狀以加速氣流的一種裝置，通常噴管的工作條件苛刻，在非冷卻條件下，噴管要直接承受內(nèi)部2500?3600°C的高溫、4?7MPa高壓和1500?2500m/s的高速，而且需要承受含固態(tài)粒子燃?xì)獾臎_刷、侵蝕作用，特別是陶瓷基復(fù)合材料噴管的喉部因在工作中升溫快，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致喉部斷裂，裙部脫落，若能在噴管喉部制備一個(gè)加強(qiáng)環(huán)則可以大大提高陶瓷基復(fù)合材料噴管的壽命及工作的穩(wěn)定性。鎳基高溫合金主要合金元素有鉻、鎢、鑰、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。其中鉻起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素起強(qiáng)化作用，有較高的強(qiáng)度和抗氧化、抗燃?xì)飧g能力，用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。但是陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率低、導(dǎo)電性差，抗熱沖擊能力弱，潤(rùn)濕性不好，因而與金屬間的連接較為困難。
[0003]申請(qǐng)?zhí)枮?01210397803.6的中國(guó)專利公開(kāi)了一種Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料連接方法，屬于復(fù)合材料連接【技術(shù)領(lǐng)域】，該連接方法選用T1-Zr-Be合金作為連接材料，在不施加壓力的真空條件下，950°C?1050°C保溫5?120分鐘，通過(guò)連接材料中各元素與母材Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料中的C纖維和SiC基體反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)TiC、ZrC、T1-S1-C、Be2C等碳化物相，形成類(lèi)似顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的連接層，降低連接層的熱膨脹系數(shù)，緩解接頭熱應(yīng)力，提高接頭耐高溫性能。本發(fā)明具有工藝方法簡(jiǎn)單，連接材料制備容易，成本低，接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?00410026366.2的中國(guó)專利公開(kāi)了一種陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，采用下述方法步驟:用陶瓷基復(fù)合材料加工鉚釘，將需要連接的構(gòu)件A與構(gòu)件B組合配鉆加工鉚釘孔；將鉚釘用緊配合的方法與構(gòu)件AB組裝在一起；采用化學(xué)氣相滲透的方法在鉚釘孔與鉚釘之間沉積碳化硅，進(jìn)行鉚釘與連接件錐型鉚釘孔之間的粘結(jié)；對(duì)鉚接部位進(jìn)行加工和修整，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠?，使鉚釘與構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面平齊；采用化學(xué)氣相沉積的方法在構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面制備碳化硅涂層，對(duì)鉚接部位進(jìn)行覆蓋和保護(hù)?？蓪?shí)現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的鉚接，具有連接強(qiáng)度、可靠性和使用溫度高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降小，不改變構(gòu)件表面形狀，連接成本低等優(yōu)點(diǎn)。還可用于碳基復(fù)合材料及其他復(fù)合材料的連接。
[0005]以上兩種發(fā)明一定程度上解決了陶瓷基復(fù)合材料與金屬之間的連接問(wèn)題，但是操作較為復(fù)雜，可重復(fù)性差，速度較慢，不能用于批量生產(chǎn)；而且化學(xué)氣相沉積法制備過(guò)程精確度差，有大量尾氣產(chǎn)生，污染環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)，其特征在于所述鎳合金中Ni元素所占百分含量為50 %?60 %，Cr元素所占百分含量為10%?15%，M、Co、W元素所占百分含量為15%?25%，其余元素為Al、T1、B、Zr。所述加強(qiáng)環(huán)的厚度為0.2?1mm，長(zhǎng)度為5mm?50mm，緊貼噴管裙部和喉部，加強(qiáng)環(huán)每一截面均為圓形。
[0007]也提供了一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008](I)測(cè)出給定陶瓷基復(fù)合材料噴管的幾何尺寸，設(shè)計(jì)鎳合金加強(qiáng)環(huán)的具體位置，并用CAD畫(huà)圖軟件畫(huà)出鎳合金加強(qiáng)環(huán)的三維實(shí)體模型，并用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理得實(shí)體模型的多層二維剖面，并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到選擇性激光熔化快速成型系統(tǒng)；
[0009](2)將鎳及其合金成分金屬的混合粉末以及有機(jī)粘接劑均勻混合放入3D打印機(jī)的粉末缸，向成型缸內(nèi)通入保護(hù)氣體；
[0010](3)采用化學(xué)溶劑對(duì)陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部表面進(jìn)行清洗、活化、加熱預(yù)處理；
[0011](4)將給定噴管放在工作臺(tái)面上對(duì)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)中心的位置，用支架系統(tǒng)固定，使噴管只能在豎直方向向下運(yùn)動(dòng)，用鋪粉輥在工作臺(tái)面上均勻鋪上一層厚度為0.1?0.2mm的混合粉末，預(yù)熱工作臺(tái)至200?300°C ；
[0012](5)設(shè)計(jì)激光功率為100?200W，掃描速度為50?100mm/s，燒結(jié)溫度為300?400°C，掃描間距為0.05?0.1mm控制激光按照設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)的第一層截面信息進(jìn)行選擇性燒結(jié)；
[0013](6)在計(jì)算機(jī)控制下，工作平臺(tái)下降一定高度，用鋪粉輥繼續(xù)均勻鋪上一層厚度為0.1?0.2mm的混合粉末，激光束開(kāi)始新一輪的掃描燒結(jié)；
[0014](7)系統(tǒng)不斷重復(fù)步驟6，直到成型缸內(nèi)堆積成喉部沉積有加強(qiáng)環(huán)的噴管，取出噴管整體，在1000?1200°C高溫下焙燒3?5h。
[0015]所述的保護(hù)氣體是氬氣、氫氣或氮?dú)?；所述的鎳及其合金成分金屬的粒徑均?0?200目；所述的支架系統(tǒng)含四塊鈮合金擋板，互相垂直圍在噴管周?chē)渲形挥阡伔圯佉粋?cè)的擋板與水平臺(tái)面齊平，噴管截面圓的直徑最大的圓與正方形各邊相切。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)鎳合金加強(qiáng)環(huán)與陶瓷基復(fù)合材料噴管的喉部和裙部緊密連接，制得的噴管具有良好的綜合性能，喉部能承受較大的熱應(yīng)力，噴管壽命大大提高。
[0018](2)制備過(guò)程高度技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造的一體化，有效地實(shí)現(xiàn)了陶瓷基復(fù)合材料間與金屬材料的連接。
[0019](3)采用3D打印制備加強(qiáng)環(huán)，可重復(fù)性高，加工周期短，成本低，效率高，無(wú)污染，無(wú)需模具，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為激光快速成型工藝的原理圖
[0021]10反光輥；20鋪粉輥；30正成型鎳合金加強(qiáng)環(huán)；40未成型粉末；50成型缸；60粉末缸。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定。
[0023]實(shí)施例1
[0024]一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)，鎳合金中Ni元素所占百分含量為50%,Cr元素所占百分含量為10%，M、Co、W元素所占百分含量為15%，其余元素為Al、T1、B、Zr。所述加強(qiáng)環(huán)的厚度為0.2mm,長(zhǎng)度為5mm，緊貼噴管裙部和喉部，加強(qiáng)環(huán)每一截面均為圓形。
[0025]一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法，包括以下步驟:
[0026](I)測(cè)出給定陶瓷基復(fù)合材料噴管的幾何尺寸，設(shè)計(jì)鎳合金加強(qiáng)環(huán)的具體位置，并用CAD畫(huà)圖軟件畫(huà)出鎳合金加強(qiáng)環(huán)的三維實(shí)體模型，并用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理得實(shí)體模型的多層二維剖面，并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到選擇性激光熔化快速成型系統(tǒng)；
[0027](2)將鎳及其合金成分金屬的混合粉末以及有機(jī)粘接劑均勻混合放入3D打印機(jī)的粉末缸，向成型缸內(nèi)通入保護(hù)氣體；
[0028](3)采用化學(xué)溶劑對(duì)陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部表面進(jìn)行清洗、活化、加熱預(yù)處理；
[0029](4)將給定噴管放在工作臺(tái)面上對(duì)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)中心的位置，用支架系統(tǒng)固定，使噴管只能在豎直方向向下運(yùn)動(dòng)，用鋪粉輥在工作臺(tái)面上均勻鋪上一層厚度為0.1mm的混合粉末，預(yù)熱工作臺(tái)至200°C ；
[0030](5)設(shè)計(jì)激光功率為100W，掃描速度為50mm/s，燒結(jié)溫度為300°C，掃描間距為
0.05mm控制激光按照設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)的第一層截面信息進(jìn)行選擇性燒結(jié)；
[0031](6)在計(jì)算機(jī)控制下，工作平臺(tái)下降一定高度，用鋪粉輥繼續(xù)均勻鋪上一層厚度為
0.1mm的混合粉末,激光束開(kāi)始新一輪的掃描燒結(jié)；
[0032](7)系統(tǒng)不斷重復(fù)步驟6，直到成型缸內(nèi)堆積成喉部沉積有加強(qiáng)環(huán)的噴管，取出噴管整體，在1000°c高溫下焙燒3h。
[0033]保護(hù)氣體是氬氣；鎳及其合金成分金屬的粒徑均為50目。
[0034]實(shí)施例2
[0035]一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)，鎳合金中Ni元素所占百分含量為55%,Cr元素所占百分含量為15%，M、Co、W元素所占百分含量為25%，其余元素為Al、T1、B、Zr。所述加強(qiáng)環(huán)的厚度為1mm，長(zhǎng)度為50mm,緊貼噴管裙部和喉部,加強(qiáng)環(huán)每一截面均為圓形。
[0036]一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法，包括以下步驟:
[0037](I)測(cè)出給定陶瓷基復(fù)合材料噴管的幾何尺寸，設(shè)計(jì)鎳合金加強(qiáng)環(huán)的具體位置，并用CAD畫(huà)圖軟件畫(huà)出鎳合金加強(qiáng)環(huán)的三維實(shí)體模型，并用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理得實(shí)體模型的多層二維剖面，并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到選擇性激光熔化快速成型系統(tǒng)；
[0038](2)將鎳及其合金成分金屬的混合粉末以及有機(jī)粘接劑均勻混合放入3D打印機(jī)的粉末缸，向成型缸內(nèi)通入保護(hù)氣體；
[0039](3)采用化學(xué)溶劑對(duì)陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部表面進(jìn)行清洗、活化、加熱預(yù)處理；
[0040](4)將給定噴管放在工作臺(tái)面上對(duì)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)中心的位置，用支架系統(tǒng)固定，使噴管只能在豎直方向向下運(yùn)動(dòng)，用鋪粉輥在工作臺(tái)面上均勻鋪上一層厚度為0.2mm的混合粉末，預(yù)熱工作臺(tái)至300°C ；
[0041](5)設(shè)計(jì)激光功率為200W，掃描速度為100mm/S，燒結(jié)溫度為400°C，掃描間距為0.1mm控制激光按照設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)的第一層截面信息進(jìn)行選擇性燒結(jié)；
[0042](6)在計(jì)算機(jī)控制下，工作平臺(tái)下降一定高度，用鋪粉輥繼續(xù)均勻鋪上一層厚度為
0.2mm的混合粉末,激光束開(kāi)始新一輪的掃描燒結(jié)；
[0043](7)系統(tǒng)不斷重復(fù)步驟6，直到成型缸內(nèi)堆積成喉部沉積有加強(qiáng)環(huán)的噴管，取出噴管整體，在1200°C高溫下焙燒5h。
[0044]保護(hù)氣體是氮?dú)?；鎳及其合金成分金屬的粒徑均?00目。
[0045]上述僅為本發(fā)明的單個(gè)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何形式的簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)，其特征在于所述鎳合金中Ni元素所占百分含量為50 %?60 %，Cr元素所占百分含量為10 %?15 %，M、Co、W元素所占百分含量為15%?25%，其余元素為Al、T1、B、Zr。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)環(huán)，其特征在于所述加強(qiáng)環(huán)的厚度為0.2?1mm，長(zhǎng)度為5mm?50mm,緊貼噴管裙部和喉部,加強(qiáng)環(huán)每一截面均為圓形。
3.—種陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部鎳合金加強(qiáng)環(huán)的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)測(cè)出給定陶瓷基復(fù)合材料噴管的幾何尺寸，設(shè)計(jì)鎳合金加強(qiáng)環(huán)的具體位置，并用CAD畫(huà)圖軟件畫(huà)出鎳合金加強(qiáng)環(huán)的三維實(shí)體模型，并用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理得實(shí)體模型的多層二維剖面，并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到選擇性激光熔化快速成型系統(tǒng)； (2)將鎳及其合金成分金屬的混合粉末以及有機(jī)粘接劑均勻混合放入3D打印機(jī)的粉末缸，向成型缸內(nèi)通入保護(hù)氣體； (3)采用化學(xué)溶劑對(duì)陶瓷基復(fù)合材料噴管喉部表面進(jìn)行清洗、活化、加熱預(yù)處理； (4)將給定噴管放在工作臺(tái)面上對(duì)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)中心的位置，用支架系統(tǒng)固定，使噴管只能在豎直方向向下運(yùn)動(dòng)，用鋪粉輥在工作臺(tái)面上均勻鋪上一層厚度為0.1?0.2mm的混合粉末，預(yù)熱工作臺(tái)至200?300°C ； (5)設(shè)計(jì)激光功率為100?200W，掃描速度為50?100mm/s，燒結(jié)溫度為300?400°C，掃描間距為0.05?0.1mm控制激光按照設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)的第一層截面信息進(jìn)行選擇性燒結(jié)； (6)在計(jì)算機(jī)控制下，工作平臺(tái)下降一定高度，用鋪粉輥繼續(xù)均勻鋪上一層厚度為0.1?0.2mm的混合粉末，激光束開(kāi)始新一輪的掃描燒結(jié)； (7)系統(tǒng)不斷重復(fù)步驟6，直到成型缸內(nèi)堆積成喉部沉積有加強(qiáng)環(huán)的噴管，取出噴管整體，在1000?1200°C高溫下焙燒3?5h。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的保護(hù)氣體是氬氣、氫氣或氮?dú)狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的鎳及其合金成分金屬的粒徑均為50?200目。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的支架系統(tǒng)含四塊鈮合金擋板，互相垂直圍在噴管周?chē)渲形挥阡伔圯佉粋?cè)的擋板與水平臺(tái)面齊平，噴管截面圓的直徑最大的圓與正方形各邊相切。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK104190932SQ201410456940
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】陳照峰, 沙李麗 申請(qǐng)人:太倉(cāng)派歐技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司