本發(fā)明涉及屬于航空發(fā)動機零部件制造技術領域，特別是一種航空發(fā)動機陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片近凈成型用夾具。

背景技術：

陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片作為航空發(fā)動機最關鍵的零件之一，由于渦輪導向器葉片工作環(huán)境非常惡劣，承溫最高、承受強烈的熱腐蝕、承受熱沖擊最嚴重，而陶瓷基復合材料因密度小、比強度高、比剛度高、耐高溫性好等優(yōu)良性能，最有可能取代鎳基高溫合金在更高溫度下使用的渦輪導向器葉片高溫材料為陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料一般指碳纖維增強碳基（c/c）復合材料、碳纖維增強碳化硅陶瓷基（c/sic）復合材料、碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基（sic/sic）復合材料，是一種超高溫復合材料，工作溫度高達1650℃。

目前，陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片一般制備過程為葉片預制體編織→化學氣相滲積（chemicalvaporinfiltration，cvi）界面層→基體致密化（采用cvi和pip技術）→機械加工→涂層制備→檢查驗收。具有三維翼型葉身的高性能陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片，必須采用三維編織（如2.5d、三維四向、三維五向、正交三向等）方法編織導向葉片預制體，葉片特別其工作面的制備要求近凈成型（即制備過程中葉片不允許或少量允許機械加工）。但由纖維編織的葉片預制體較松軟，且依靠編織的葉片不可能達到葉身三維翼型等設計尺寸。在葉片預制體cvi沉積界面層、基體致密化初期階段等制備過程中，因為沒有將葉片預制體進行工裝，陶瓷基復合材料葉片的形狀尺寸難保證，會出現(xiàn)翹曲、扭曲、凸起等缺陷，造成陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片制備失敗。其中，葉片預制體的結構如圖1和2所示，葉片預制體包括本體（1）、小緣板（2）和大緣板（3）組成，小緣板（2）固連于本體（1）頂部，小緣板（2）固連于本體（1）底部，本體（1）的前部為葉背翼型（21），后部位葉盆翼型（22）。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種保證成品葉片工作面無或少余量加工、快速拆裝和組裝、有效實現(xiàn)陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片的近凈成型、制造成本低的航空發(fā)動機陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片近凈成型用夾具。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種航空發(fā)動機陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片近凈成型用夾具，它包括大緣板模塊、小緣板模塊、葉背翼型模塊和葉盆翼型模塊，所述的大緣板模塊的頂部設置有與葉片預制體大緣板相配合的腔體a，大緣板模塊上還設置有分別位于腔體a左右側的葉背定位塊和葉盆定位塊，葉背定位塊位于葉盆定位塊的前側，所述的小緣板模塊的底部設置有與小緣板相配合的腔體b；所述的葉背翼型模塊的后側設置有與葉背翼型相配合的曲面，葉背翼型模塊的底部開設有第一定位孔，葉背翼型模塊放置于大緣板模塊上且第一定位孔與葉背定位塊相配合；所述的葉盆翼型模塊的前側設置有與葉盆翼型相配合的凸起，葉盆翼型模塊的底部開設有第二定位孔，葉盆翼型模塊放置于大緣板模塊上且第二定位孔與葉盆定位塊相配合；所述的葉盆翼型模塊和葉背翼型模塊的左右側均還固設有安裝板，葉盆翼型模塊和葉背翼型模塊均設置于大緣板模塊和小緣板模塊之間，葉盆翼型模塊的安裝板與葉背翼型模塊的安裝板之間設置有鎖緊短螺釘，葉盆翼型模塊、大緣板模塊和小緣板模塊之間設置有鎖緊長螺釘，且葉背翼型模塊、大緣板模塊和小緣板模塊之間設置有鎖緊長螺釘；所述的大緣板模塊的外表上均分布有多個連通腔體a的小孔，小緣板模塊的外表面上均分布有多個連通腔體b的小孔，葉背翼型模塊的正面分布有多個貫穿曲面的小孔，葉盆翼型模塊的后面設置有多個貫穿凸起的小孔。

所述的翼型模塊上的兩個安裝板結構相同。

所述的鎖緊短螺釘和鎖緊長螺釘上均螺紋連接有鎖緊螺母。

所述的橫向相鄰兩個小孔之間的間距、縱向相鄰兩個小孔之間的間距均為7~8mm。

所述的小孔的直徑為2～3mm。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）本發(fā)明通過采用耐高溫合金或石墨材料設計的四大模塊，再采用擰緊的螺釘與螺母配合施力，固定并壓緊、壓實葉片預制體，為葉片近凈尺寸成型提供了有利條件。（2）本夾具保證了葉片工作面無或少余量加工，避免了破壞葉片的三維纖維編織結構和避免了降低葉片性能指標，提高了葉片制備質量和生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為葉片預制體的結構示意圖；

圖2為圖1的右視圖；

圖3為本發(fā)明的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明去掉葉背翼型模塊、葉盆翼型模塊后的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明去掉大緣板模塊、小緣板模塊后的結構示意圖；

圖6為大緣板模塊的結構示意圖；

圖7為小緣板模塊的結構示意圖；

圖8為葉背翼型模塊的結構示意圖；

圖9為圖8的仰視圖；

圖10為葉盆翼型模塊的結構示意圖；

圖11圖10的仰視圖；

圖中，1-本體，2-小緣板，3-大緣板，4-大緣板模塊，5-小緣板模塊，6-葉背翼型模塊，7-葉盆翼型模塊，8-腔體a，9-葉背定位塊，10-葉盆定位塊，11-腔體b，12-曲面，13-第一定位孔，14-凸起，15-第二定位孔，16-安裝板，17-鎖緊短螺釘，18-鎖緊長螺釘，19-小孔，20-鎖緊螺母，21-葉背翼型，22-葉盆翼型。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述：

如圖3~11所示，一種航空發(fā)動機陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片近凈成型用夾具，它包括大緣板模塊4、小緣板模塊5、葉背翼型模塊6和葉盆翼型模塊7，所述的大緣板模塊4的頂部設置有與葉片預制體大緣板3相配合的腔體a8，大緣板模塊4上還設置有分別位于腔體a8左右側的葉背定位塊9和葉盆定位塊10，葉背定位塊9位于葉盆定位塊10的前側，所述的小緣板模塊5的底部設置有與小緣板2相配合的腔體b11；所述的葉背翼型模塊6的后側設置有與葉背翼型21相配合的曲面12，葉背翼型模塊6的底部開設有第一定位孔13，葉背翼型模塊6放置于大緣板模塊4上且第一定位孔13與葉背定位塊9相配合；所述的葉盆翼型模塊7的前側設置有與葉盆翼型22相配合的凸起14，葉盆翼型模塊7的底部開設有第二定位孔15，葉盆翼型模塊7放置于大緣板模塊4上且第二定位孔15與葉盆定位塊10相配合；所述的葉盆翼型模塊7和葉背翼型模塊6的左右側均還固設有安裝板16，葉盆翼型模塊7和葉背翼型模塊6均設置于大緣板模塊4和小緣板模塊5之間，葉盆翼型模塊7的安裝板16與葉背翼型模塊6的安裝板16之間設置有鎖緊短螺釘17，葉盆翼型模塊7、大緣板模塊4和小緣板模塊5之間設置有鎖緊長螺釘18，鎖緊短螺釘17和鎖緊長螺釘18上均螺紋連接有鎖緊螺母20，且葉背翼型模塊6、大緣板模塊4和小緣板模塊5之間設置有鎖緊長螺釘18；所述的大緣板模塊4的外表上均分布有多個連通腔體a8的小孔19，小緣板模塊5的外表面上均分布有多個連通腔體b11的小孔19，葉背翼型模塊6的正面分布有多個貫穿曲面12的小孔19，葉盆翼型模塊7的后面設置有多個貫穿凸起14的小孔19。小孔的主要作用：1、cvi制備界面層或基體致密化過程中，提供通道使反應氣體進入葉片預制體上反應沉積陶瓷基體；2、pip致密化中，提供通道使反應溶液進入葉片預制體上進行浸漬，然后在高溫裂解時，提供通道使反應后的無用氣體反應物從葉片預制體上排出。

所述的翼型模塊上的兩個安裝板16結構相同。所述的橫向相鄰兩個小孔19之間的間距、縱向相鄰兩個小孔19之間的間距均為7~8mm；所述的小孔19的直徑為2～3mm。

航空發(fā)動機陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片近凈成型的制備包括以下步驟：

s1、采用專用編織機編織三維編織渦輪導向器葉片預制體，葉片預制體的結構如圖1和2所示。

s2、將渦輪導向器葉片預制體放置在真空高溫熱處理爐中進行高溫預處理，預處理的溫度700℃～2400℃、時間為1h～3h、采用真空或惰性氣體進行保護，預處理目的是去除葉片預制體表面殘留膠、提高葉片預制體力學性能；

s3、對渦輪導向器葉片預制體cvi界面層，其具體包括以下步驟：

s3（i）將葉片預制體放置于工裝于本夾具中，具體工裝過程為：將小緣板模塊5的腔體b11與葉片預制體的小緣板2相配合，保證葉片預制體擺放方向且兩者為平整連接，不能出現(xiàn)高低不平問題；將大緣板模塊4的腔體a8與葉片預制體的大緣板3相配合，保證葉片預制體擺放方向且兩者為平整連接，不能出現(xiàn)高低不平問題；將葉背定位塊9裝配在大緣板模塊4上，葉背定位塊9裝配到葉背翼型模塊6的第一定位孔13內(nèi)，以確定大緣板模塊4、葉背翼型模塊6和葉片預制體之間的相對位置；將葉背翼型模塊6、小緣板模塊5、大緣板模塊4通過鎖緊長螺釘18相連；將葉盆定位塊10裝配在大緣板模塊4上，葉盆定位塊10裝配到葉盆翼型模塊7的第二定位孔15內(nèi)，以確定小緣板模塊5、大緣板模塊4、葉盆翼型模塊7和葉片預制體之間的相對位置；將葉盆翼型模塊7、小緣板模塊5、大緣板模塊4通過鎖緊長螺釘18相連；采用鎖緊短螺釘17與鎖緊螺母20連接以固定葉背翼型模塊6、葉盆翼型模塊7；擰緊鎖緊長螺釘18上的鎖緊螺母20，以壓實、壓緊葉片預制體，實現(xiàn)了葉片預制體的快速工裝，從而保證了葉片預制體的成型尺寸達到圖紙設計要求；

s3（ii）將步驟s（i）中裝有葉片預制體的夾具裝入cvi爐中，采用技術參數(shù)進行cvi界面層制備，界面層包括熱解碳界面層和bn界面層。cvi制備熱解碳界面層采用甲烷或丙烷和天然氣作為反應氣體，cvi制備bn界面層采用nh3氣體和bcl3氣體作為反應氣體，反應氣體經(jīng)夾具上的小孔19通入夾具內(nèi)，cvi制備溫度為700℃～1100℃、時間為0.5h～4h。

s4、由于采用cvi制備界面層后，葉片預制體仍松軟、未成型，需對渦輪導向器葉片預制體的初期階段基體致密化。其具體包括以下步驟：

s4（i）將步驟s3中經(jīng)處理的葉片預制體取出并裝入另一夾具內(nèi)，工裝方式與s3（i）相同；

s4（ii）將裝有葉片預制體的夾具組合體裝入cvi爐或pip爐中，采用制備技術參數(shù)進行陶瓷基體致密化制備，陶瓷基體包括c和sic。cvi制備c基體采用甲烷或丙烷和天然氣作為反應氣體，cvi制備sic基體采用三氯甲基硅烷（ch3sicl3）、h2氣體和bcl3氣體作為反應氣體，cvi制備溫度為700℃～1100℃、時間為20h～100h。先驅體浸漬熱解（precursorimpregnationpyrolysis，pip）制備sic基體采用聚碳硅烷和二甲苯溶液進行浸漬，然后在烘箱中進行烘干，再在真空高溫處理爐中進行高溫裂解（裂解溫度800℃～1200℃、時間0.5h～3h），然后將這個浸漬、烘干、裂解過程進行反復循環(huán)共3次～7次；

s4（iii）將步驟s4（2）中的夾具從cvi爐或pip爐中取出；

s4（iv）將葉片預制體從夾具中取出，取出過程為工裝過程的逆過程，取出后檢查葉片預制體是否已變硬和已定型，若已變硬和已定型則送入下一道工序，若沒有變硬和定型則重復步驟s4（ii）；

s5、渦輪導向器葉片預制體的最終基體致密化，是使渦輪導向器葉片預制體密度達到最終設計要求（要求密度為1.8ｇ/cm³～2.6ｇ/cm³），其具體操作步驟為：

s5（i）、將葉片預制體放裝入cvi爐或pip爐中進行最終陶瓷基體致密化制備，葉片預制體的最終陶瓷基體致密化應為其初期階段基體致密化制備的補充過程，兩者反應氣體、制備參數(shù)、制備工藝過程等制備條件相同，只是前者制備時間更長，如采用cvi制備c基體或sic基體，其制備時間應為200h～600h；或如采用pip制備sic基體，反復循環(huán)次數(shù)應為9次～13次。

s5（ii）將葉片預制體從cvi爐或pip爐中取出，此時渦輪導向器葉片預制體密度已達最終要求密度，已完全基體致密化，已完全變硬及定型，已成為陶瓷基復合材料葉片毛坯；

s6、陶瓷基復合材料葉片毛坯的機械加工。由于步驟s5（ii）中陶瓷基復合材料葉片毛坯的工作面尺寸已近凈成型，但其它非工作面尺寸還須按設計要求進行機械加工。

s7．陶瓷基復合材料葉片的涂層制備。為了提高高溫氧化、高溫腐蝕等航空發(fā)動機工作環(huán)境下的服役性能，陶瓷基復合材料葉片須在其表面制備涂層，如采用化學氣相沉積（chemicalvapordeposition，cvd）方法制備sic涂層：將葉片放置于cvd爐中，采用相應制備技術參數(shù)進行cvd制備sic涂層。cvd制備sic基體采用三氯甲基硅烷（ch3sicl3）、h2氣體作為反應氣體，氣體經(jīng)小孔19進入，cvd制備溫度為900℃～1200℃、時間為10h～60h；

s8、陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片的檢查與驗收。經(jīng)過以上制備過程后，陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片已完成所有制備過程，須按葉片設計圖紙要求進行檢查與驗收，通過后即為合格的陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片成品件。

由于大緣板模塊4的頂部設置有與葉片預制體大緣板3相配合的腔體a8，小緣板模塊5的底部設置有與小緣板2相配合的腔體b11，葉背翼型模塊6的后側設置有與葉背翼型21相配合的曲面12，葉盆翼型模塊7的前側設置有與葉盆翼型22相配合的凸起14，進行近凈成型時，保證了葉片工作面無或少余量加工，避免了破壞葉片的三維纖維編織結構和避免了降低葉片性能指標，提高了葉片制備質量和生產(chǎn)效率。此外，本夾具中葉盆翼型模塊7與葉背翼型模塊6之間通過鎖緊短螺釘17與鎖緊螺母20配合鎖緊，且葉盆翼型模塊7、大緣板模塊4和小緣板模塊5之間通過鎖緊長螺釘18與鎖緊螺母20配合鎖緊，且葉背翼型模塊6、大緣板模塊4和小緣板模塊5之間通過鎖緊長螺釘18與鎖緊螺母20配合鎖緊，采用擰緊的螺釘與螺母配合施力，固定并壓緊、壓實葉片預制體，為葉片近凈尺寸成型提供了有利條件，而且在工裝和拆卸時，都非常方便，節(jié)省提高生產(chǎn)效率。