一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)高韌性SiC基復(fù)合材料零件的快速制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于SiC基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)高韌性Sic基復(fù)合材料零件的快速制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種新型的高韌性高溫結(jié)構(gòu)材料，在發(fā)動機等裝備的耐熱端結(jié)構(gòu)方面擁有廣闊的發(fā)展前景，而碳纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料由于脆性大、硬度高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件制造困難，嚴重制約了高韌性SiC陶瓷基復(fù)合材料零件的進一步推廣應(yīng)用。
[0003]目前，現(xiàn)有的制備SiC陶瓷基復(fù)合材料零件的方法主要有先驅(qū)體浸漬裂解工藝(PIP)，化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)，納米浸漬與瞬時共晶(NITE)和液相滲硅工藝(LSI)。其中，PIP工藝周期長，成本高，殘余孔隙率較高，不適于投入生產(chǎn)。CVI工藝設(shè)備復(fù)雜，制備周期長，成本高，不適宜制備較厚制件。NITE工藝雖然周期短、產(chǎn)品致密度高，但其在高溫高壓環(huán)境易對纖維造成損傷，導(dǎo)致纖維性能下降，影響增韌效果，熱壓的方法也無法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。LSI工藝在滲硅過程中也較易發(fā)生硅和纖維之間的反應(yīng)，造成纖維受損，導(dǎo)致性能下降，而且液相硅在浸滲時極易發(fā)生孔隙堵塞，導(dǎo)致制件缺陷。另外，上述幾種制備方法只適用于簡單形狀零件的制備，不能滿足高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造。另外，成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料零件的方法如注射成型技術(shù)、注漿成型技術(shù)、三維編織技術(shù)等，存在模具制造困難，周期長，個性化程度不高等缺點。綜上所述，目前SiC陶瓷基復(fù)合材料零件的制造方法不僅制造工藝復(fù)雜、制造條件高、生產(chǎn)效率低、成本要求高，而且很難滿足任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的精度、強度、韌性等要求。因此，傳統(tǒng)SiC陶瓷基復(fù)合材料零件的制造方法已大大阻礙了大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0004]目前，采用激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)快速制造技術(shù)，可成形出具有多孔隙的SiC陶瓷零件形坯，再經(jīng)脫脂和高溫燒結(jié)后形成多孔SiC陶瓷零件毛坯。但用這種方法制造坯件密度、強度和韌性較低，應(yīng)用范圍窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)高韌性SiC基復(fù)合材料零件的快速制造方法。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種復(fù)雜結(jié)構(gòu)高韌性SiC基復(fù)合材料零件的快速制造方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](1)將N源和B源混合、充分研磨后，加入碳纖維粉末，濕磨混料、烘干；將混合料置于氫氣爐內(nèi)高溫煅燒，再經(jīng)干磨、過篩后，得到BN緊密包覆在碳纖維表面的BN-碳纖維復(fù)合粉末；
[0009](2)將BN-碳纖維復(fù)合粉末和酚醛樹脂按1:5?1:15的質(zhì)量比混合，加入5000ml?7000ml的無水乙醇，升溫至60?70°C攪拌均勻后，加熱至80?90°C并保溫
0.5?lh，然后冷卻至室溫，得到混合料，混合料經(jīng)烘干、過篩后，得到酚醛樹脂緊密包覆在BN-碳纖維復(fù)合粉末表面的酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末；
[0010](3)在計算機上對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進行三維數(shù)字化建模，將三維數(shù)字化建模輸入到SLS成型機，以酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末為原料，利用SLS快速成形工藝進行粉末燒結(jié)成型，制備得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件坯件；
[0011 ] (4)將復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件坯件放入N2保護燒結(jié)裝置中，對坯件內(nèi)的酚醛樹脂進行熱解處理，形成碳骨架，得到Cf/C預(yù)制件；將Cf/C預(yù)制件放入氣相滲硅爐中，對Cf/C預(yù)制件進行滲硅蒸氣處理，滲硅蒸氣結(jié)束后，得到Cf/SiC復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。
[0012]上述方案中，所述N源為尿素、銨鹽或硝酸鹽；所述B源為硼酸或硼砂。
[0013]上述方案中，所述濕磨混料的介質(zhì)為無水乙醇，濕磨混料的時間為8?12h。
[0014]上述方案中，所述高溫煅燒為:在流動氫氣氣氛保護下，氫氣爐內(nèi)加熱到1000 °C ?1100°(:，保溫611?10h。
[0015]上述方案中，所述SLS快速成形工藝為:將酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末預(yù)熱至90°C?110°C，控制SLS成型機的激光功率為10?20w，掃描速度1000?2000mm/s，掃描間距0.1?0.2mm,單層層厚0.1?0.2mm。
[0016]上述方案中，所述對坯件內(nèi)的酚醛樹脂進行熱解處理的工藝條件為:以0.5?2°C /min的速率加熱至850°C?1000°C，保溫1.5?2小時。
[0017]上述方案中，所述對Cf/C預(yù)制件進行加熱和滲硅蒸氣處理的工藝條件為:以5°C /min的速率加熱至1500?1700°C，同時打開硅蒸氣產(chǎn)生裝置通入硅蒸氣，保溫2?3小時。
[0018]本發(fā)明以酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末為原料，利用SLS/GSI復(fù)合成形快速制造工藝，制備得到Cf/SiC復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。其中，利用酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末可以解決碳纖維在GSI過程中易受到高溫氣相硅損害的問題，酚醛樹脂可作為SLS成形用粘接劑，也可作為熱解形成碳骨架的碳源。利用SLS技術(shù)可成形高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)坯件，結(jié)合GSI工藝完成致密化，縮短生產(chǎn)周期，快速制造出SiC陶瓷基復(fù)合材料零件。
[0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020](1)本發(fā)明所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末中，BN可作為界面層材料，有效保護工藝過程中碳纖維的結(jié)構(gòu)不受損傷，碳纖維_SiC陶瓷間的BN界面層除了可以減緩高溫下氣相硅對碳纖維的損傷，還具有松粘裂紋、傳遞載荷、緩解與阻擋熱應(yīng)力的作用，在碳纖維增韌陶瓷零件受力過程中，可借助裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維橋接、拔出的方式極大地改善陶瓷材料的韌性，從而保證零件的性能；
[0021](2)本發(fā)明所述制備方法中，SLS快速成形技術(shù)具有成本低，成型周期短，產(chǎn)品精度高，不需要生產(chǎn)模具，可成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零(坯)件等優(yōu)點；
[0022](3)本發(fā)明采用GSI工藝，制備得到的Cf/SiC復(fù)合材料的滲透速度更高，滲透深度更大，選擇合適地工藝條件時，可防止坯體開裂、浸滲孔道堵塞等問題；
[0023](4)本發(fā)明所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末材料的致密度高、性能好，可實現(xiàn)高精度任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的柔性快速制造；
[0024](5)本發(fā)明采用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，具有SLS粘結(jié)效果好，熱解后含碳率高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0026]圖2為本發(fā)明制備方法中，所述酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末經(jīng)SLS成形、酚醛樹脂熱解、滲硅蒸氣處理后，粉末粘接及致密化示意圖，其中1為碳纖維，2為BN界面層，3為酚醛樹脂，4為碳骨架，5為SiC基體。
【具體實施方式】
[0027]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0028]實施例1
[0029]—種復(fù)雜結(jié)構(gòu)高韌性SiC基復(fù)合材料零件的快速制造方法(工藝流程圖見圖1)，具體包括如下步驟:
[0030](1)將尿素和硼酸按照1:4的摩爾比混合，在研缽中充分研磨后，與碳纖維粉末一起放入球磨罐中，加入無水乙醇，使用陶瓷磨柱，濕磨混料8h,然后烘干；將該混合粉料放入陶瓷坩禍，在氫氣爐內(nèi)加熱到1000°C，保溫6h，流動氫氣氣氛，反應(yīng)結(jié)束后，粉料經(jīng)干磨、過篩，得到BN緊密包覆在碳纖維表面的BN-碳纖維復(fù)合粉末；
[0031](2)將BN-碳纖維復(fù)合粉末和酚醛樹脂按1:5的質(zhì)量比加入到攪拌釜中，加入5000?7000毫升無水乙醇浸過混料和攪拌頭，開始攪拌，同時將溫度升高至60?70°C，混合均勻后，加熱至80?90°C，并保溫0.5?1小時，然后冷卻至室溫，得到混合料，經(jīng)烘干、過篩后，得到酚醛樹脂緊密包覆在BN-碳纖維復(fù)合粉末表面的酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末；
[0032](3)在計算機上對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進行三維數(shù)字化建模，將三維數(shù)字化建模輸入到SLS成型機，將酚醛樹脂/BN-雙包覆碳纖維復(fù)合粉末預(yù)熱至90°C，利用SLS快速成形工藝進行粉末燒結(jié)成型，制備得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件坯件；所述SLS快速成形工藝的條件為:控制SLS成型機的激光功率為10w,掃描速度2000mm/s,掃描間距0.1?0.2mm,單層層厚0.1?
0.2mm ；
[0033](3)將復(fù)雜結(jié)