超短脈沖激光加工輔助cvi制備陶瓷基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料的CVI制備領(lǐng)域，具體涉及一種超短脈沖激光加工輔助CVI制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，是在傳統(tǒng)的化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝方法中，利用超短脈沖激光加工微小孔來調(diào)控氣態(tài)先驅(qū)體擴(kuò)散通道，從而降低復(fù)合材料的密度梯度，縮短其制造周期，提高陶瓷基復(fù)合材料的致密性、密度均勻性及其力學(xué)性能。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷基復(fù)合材料克服了普通陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱點(diǎn)，使其具有類似金屬的斷裂行為、對(duì)裂紋不敏感、沒有災(zāi)難性損毀的特點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、高比強(qiáng)、高比模、耐磨損和低密度的優(yōu)良性能，從而成為接替金屬的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料，被廣泛地應(yīng)用于航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]化學(xué)氣相滲透(CVI)法可以避免高溫對(duì)纖維造成的損傷，是制造大型、薄壁、復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的主要方法。該工藝方法能將反應(yīng)物氣體滲入到多孔體內(nèi)部，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并進(jìn)行沉積，因此特別適用于制備陶瓷基復(fù)合材料。但是，由于該工藝方法中氣態(tài)先驅(qū)體在多孔體中的傳質(zhì)主要依靠擴(kuò)散作用，使得復(fù)合材料中沿氣體擴(kuò)散方向存在一定的密度梯度，導(dǎo)致復(fù)合材料表面的孔洞過早封閉而切斷氣源向其內(nèi)部傳輸，造成向內(nèi)部孔洞傳質(zhì)通道堵塞的“瓶頸效應(yīng)”，從而使復(fù)合材料存在10%?15%的殘留孔隙，影響沉積質(zhì)量。如何盡可能提高多孔體的致密度、基體的沉積速率和減小材料內(nèi)部的密度梯度，成為CMC-SiC復(fù)合材料，尤為致密度和力學(xué)性能要求較高的產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用中急需解決的關(guān)鍵問題之一。
[0004]為了解決上述問題，美國專利US5900297公開了一種壓力梯度CVI法制備多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的方法，利用壓力梯度CVI技術(shù)，在很短的時(shí)間內(nèi)可有效地完成材料的致密化過程，但該方法對(duì)設(shè)備的要求較高、操作難度較大、不適宜大批量生產(chǎn)。美國專利US5411763中，采用熱梯度CVI法制備多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料時(shí)，可有效改善致密化的均勻性，但是氣體傳輸緩慢，材料致密化速率提高有限，且難于制備大尺寸及異性構(gòu)件。美國專利4580524中，采用FCVI方法制備陶瓷基復(fù)合材料，有效縮短致密化過程，提高密度均勻性，但是預(yù)制體內(nèi)各區(qū)域的加熱主要依賴于熱傳導(dǎo)作用，導(dǎo)致預(yù)制體冷面致密化不足。德國專利DE4142261中，利用等溫壓力梯度CVI工藝制備多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，有效改善了氣體的傳輸能力，但是仍存在致密化不均勻的問題。無機(jī)材料學(xué)報(bào)在2007年報(bào)道，曾燮榕等人提出了微波加熱CVI工藝，通過合理設(shè)計(jì)流場(chǎng)、選用適合該工藝的前驅(qū)氣體，可以有效提高前驅(qū)氣體的在預(yù)制體內(nèi)的有效傳質(zhì)效率，從而整體加快預(yù)制體的增密速率，但該工藝對(duì)設(shè)備要求較高，目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種超短脈沖激光加工輔助CVI制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，是一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉且可有效降低陶瓷基復(fù)合材料密度梯度，提高其致密化程度與力學(xué)性能的化學(xué)氣相滲透制備方法。
[0007]技術(shù)方案
[0008]—種超短脈沖激光加工輔助CVI制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟如下:
[0009]步驟1:將成型纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲透爐中，采用CVI法制備陶瓷界面層；
[0010]步驟2:通過化學(xué)氣相滲透法沉積陶瓷基體對(duì)纖維預(yù)制體進(jìn)行致密化處理，相對(duì)密度達(dá)到30%?70%;
[0011]步驟3:采用超短脈沖激光在纖維預(yù)制體上加工微小孔;所述微孔在纖維預(yù)制體上均勻分布，孔距? 3倍微孔直徑；
[0012]步驟4:采用化學(xué)氣相滲透法沉積基體對(duì)加工后的復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步致密化，相對(duì)密度達(dá)到95%以上。
[0013]所述步驟3中采用超短脈沖激光在纖維預(yù)制體上加工微孔參數(shù):波長(zhǎng)800nm、脈寬300fs、重復(fù)頻率ΙΟΟΚΗζ、線掃描速度800ym/s、線間距30μπι，功率4W?4.5W，以螺旋狀路徑逐層加工。
[0014]所述步驟3中超短脈沖激光為:納秒激光、皮秒激光或飛秒激光。
[0015]所述步驟3中的微孔為:孔徑為100?ΙΟΟΟμπι的圓孔、邊長(zhǎng)為100?ΙΟΟΟμπι的方孔、或輪廓為100?ΙΟΟΟμπι的其他形狀的微小孔。
[0016]所述成型纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)為:1維、2維、2.5維或3維。
[0017]所述纖維為陶瓷纖維。
[0018]所述纖維碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維或氧化物纖維。
[0019]所述成型纖維預(yù)制體的制備方法為:疊層、編織或針刺。
[0020]所述步驟1中制備界面層的材料為:熱解碳或氮化硼。
[0021]所述步驟2中通過化學(xué)氣相滲透法沉積陶瓷基體中的陶瓷基體為:碳化硅基體、氮化娃基體、氮化硼基體、碳化硼基體或娃碳氮基體。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明提出的一種超短脈沖激光加工輔助CVI制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，在化學(xué)氣相滲透法沉積基體一定時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用超短脈沖激光設(shè)備對(duì)陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行微孔加工，從而調(diào)整復(fù)合材料本身的孔隙結(jié)構(gòu)，疏通氣態(tài)先驅(qū)體的傳輸通道，然后對(duì)復(fù)合材料體進(jìn)行致密化沉積，直至密度大于2.0kg/cm3，具體步驟如圖(1)所示。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:在制備C/SiC復(fù)合材料試樣時(shí)，介入超短脈沖激光加工微小孔工藝，有助于在沉積過程中形成纖維束內(nèi)部氣相傳質(zhì)的通道，改善纖維束內(nèi)部擴(kuò)散環(huán)境，填充由CVI瓶頸工藝造成的孔隙，減小預(yù)制體的密度梯度，提高復(fù)合材料致密性，提高復(fù)合材料的強(qiáng)韌性。與現(xiàn)有技術(shù)制備C/SiC復(fù)合材料相比，超短脈沖激光加工輔助CVI法制備所得復(fù)合材料密度和彎曲強(qiáng)度均都有所增加附圖(4)。在C/SiC復(fù)合材料沉積SiC基體120h后，引入超短脈沖激光開孔輔助化學(xué)氣相滲透工藝，制備所得復(fù)合材料密度為2.0?2.3g/cm3，室溫下彎曲強(qiáng)度為450?480MPa;在C/SiC復(fù)合材料沉積基體480h后，引入超短脈沖激光開孔輔助化學(xué)氣相滲透工藝，制備所得復(fù)合材料密度為2.2?2.5g/cm3，室溫下彎曲強(qiáng)度為460?500MPa;在C/SiC復(fù)合材料沉積基體360h后，引入超短脈沖激光開孔輔助化學(xué)氣相滲透工藝，制備所得復(fù)合材料密度為2.0?2.2g/cm3，室溫下彎曲強(qiáng)度為450?470MPa。
【附圖說明】
[0025]圖1:本發(fā)明方法流程圖；
[0026]圖2:超短脈沖激光加工微小孔μ-CT;
[0027]圖3:超短脈沖激光加工微小孔μ-CT的SEM形貌；
[0028]圖4:本發(fā)明方法制備的復(fù)合材料密度和彎曲強(qiáng)度圖
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0030]本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案是:
[0031]步驟1，纖維預(yù)制體的制備:用1K碳纖維二維依次疊層后，以縫合距離3mmX 3mm沿厚度方向穿刺增強(qiáng)纖維，獲得體積分?jǐn)?shù)約為30?40%的碳纖維預(yù)制體。
[0032]步驟2，化學(xué)氣相滲透法沉積熱解碳界面層:將碳纖維預(yù)制件置于高溫真空爐中，沉積溫度850?1000°C，氣氛壓力0.2KPa，丙稀流量30ml/min，Ar流量300ml/min，沉積50?60h后自然降溫。
[0033]步驟3，化學(xué)氣相滲透法沉積SiC基體:沉積1000?1100°C，氣氛壓力2KPa，H2流量200ml/min，Ar流量300ml/min，通過鼓泡的方式將MTS帶入高溫沉積爐中，H2與MTS的摩爾質(zhì)量比為10:1，沉積200?230h后自然降溫，形成C/SiC復(fù)合材料。
[0034]步驟4，采用超短脈沖激光設(shè)備在纖維預(yù)制體上加工微小孔;所述微小孔在纖維預(yù)制體上均勻分布，孔距2 3倍微孔直徑;微孔為:孔徑為100?ΙΟΟΟμπι的圓孔、邊長(zhǎng)為100?ΙΟΟΟμπι的方孔、或輪廓為100?ΙΟΟΟμπι的其他形狀的微孔。
[0035]超短脈沖激光加工微小孔μ-CT附圖(2)與其SEM形貌如圖(3)所示:激光波長(zhǎng)為400?1500nm，脈沖寬度為80?500f s，激光輸出功率根據(jù)微加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mW?20W，激光重復(fù)頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復(fù)頻率的變化范圍為50K?25MHz。對(duì)試樣采用逐層去除方式進(jìn)行加工，加工頭轉(zhuǎn)速為2400rev/S。
[0036]步驟5，采用化學(xué)氣相滲透法對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行致密化處理，直至C/SiC復(fù)合材料密度大于2.0kg/cm3 ο
[0037]具體實(shí)施例:
[0038]實(shí)施例1:
[0039]步驟1，制備兩爐次的二維疊層碳布預(yù)制體，具體過程是:
[0040](1)選用Τ300-1Κ碳纖維，將其織成二維平紋布，疊加23層后，采用1Κ碳纖維以縫合距離3mm X 3mm沿厚度方向針刺連接，將疊層縫合在一起，從而得到體積密度為0.70g/cm3、碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40.0%的碳纖維預(yù)制體。
[0041](2)用石墨模具夾持碳纖維預(yù)制體，將其置于真空爐中在1800°C下進(jìn)行除膠和預(yù)處理3h，再將所得纖維預(yù)制體采用CVI沉積熱解碳界面層(PyChPyC界面相的制備工藝如下:沉積溫度900°C，氣氛壓力0.2KPa，丙稀流量30ml/min，Ar流量300ml/min，沉積50