CN104190932B - 一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环，其特征在于材料是高温镍基合金，厚度为0.2～1mm，长度为5mm～50mm。还提供了一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)设计加强环位置，用CAD画出三维实体模型，切片处理得二维剖面，将数据传到成型系统；(2)将混合粉末及有机粘接剂混合放入粉末缸，通入保护气；(3)喷管喉部表面清洗、活化、加热预处理；(4)铺粉，预热工作台；(5)设计激光参数按截面信息选择性烧结；(6)继续铺粉开始新一轮烧结；(7)重复步骤6，直到喷管喉部堆积成加强环，高温焙烧。本方法高度技术集成，加工周期短，无需模具，可实现批量生产，采用保护气避免了粉体被氧化。

Description

一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法
技术领域
本发明涉及一种加强环及其制备方法，特别是涉及一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法。
技术背景
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能及耐磨损性能，可作为航空航天材料，用于制造火箭发动机喷管或燃气涡轮发动机喷管等。喷管是通过改变管段内壁的几何形状以加速气流的一种装置，通常喷管的工作条件苛刻，在非冷却条件下，喷管要直接承受内部2500～3600℃的高温、4～7MPa高压和1500～2500m/s的高速，而且需要承受含固态粒子燃气的冲刷、侵蚀作用，特别是陶瓷基复合材料喷管的喉部因在工作中升温快，产生很大的热应力，导致喉部断裂，裙部脱落，若能在喷管喉部制备一个加强环则可以大大提高陶瓷基复合材料喷管的寿命及工作的稳定性。镍基高温合金主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。其中铬起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素起强化作用，有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能力，用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。但是陶瓷基复合材料的热导率低、导电性差，抗热冲击能力弱，润湿性不好，因而与金属间的连接较为困难。
申请号为201210397803.6的中国专利公开了一种Cf/SiC陶瓷基复合材料连接方法，属于复合材料连接技术领域，该连接方法选用Ti-Zr-Be合金作为连接材料，在不施加压力的真空条件下，950℃～1050℃保温5～120分钟，通过连接材料中各元素与母材Cf/SiC陶瓷基复合材料中的C纤维和SiC基体反应，生成高熔点TiC、ZrC、Ti-Si-C、Be2C等碳化物相，形成类似颗粒增强金属基复合材料的连接层，降低连接层的热膨胀系数，缓解接头热应力，提高接头耐高温性能。本发明具有工艺方法简单，连接材料制备容易，成本低，接头性能好等优点。
申请号为200410026366.2的中国专利公开了一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：用陶瓷基复合材料加工铆钉，将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔；将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；采用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅，进行铆钉与连接件锥型铆钉孔之间的粘结；对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；采用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。可实现大型复杂薄壁构件的铆接，具有连接强度、可靠性和使用温度高，结构强度下降小，不改变构件表面形状，连接成本低等优点。还可用于碳基复合材料及其他复合材料的连接。
以上两种发明一定程度上解决了陶瓷基复合材料与金属之间的连接问题，但是操作较为复杂，可重复性差，速度较慢，不能用于批量生产；而且化学气相沉积法制备过程精确度差，有大量尾气产生，污染环境。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环，其特征在于所述镍合金中Ni元素所占百分含量为50％～60％，Cr元素所占百分含量为10％～15％，M、Co、W元素所占百分含量为15％～25％，其余元素为Al、Ti、B、Zr。所述加强环的厚度为0.2～1mm，长度为5mm～50mm，紧贴喷管裙部和喉部，加强环每一截面均为圆形。
也提供了一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷基复合材料喷管的几何尺寸，设计镍合金加强环的具体位置，并用CAD画图软件画出镍合金加强环的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光烧结快速成型系统；
(2)将镍及其合金成分金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管喉部表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应加强环中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.1～0.2mm的混合粉末，预热工作台至200～300℃；
(5)设计激光功率为100～200W，扫描速度为50～100mm/s，烧结温度为300～400℃，扫描间距为0.05～0.1mm控制激光按照设计加强环的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.1～0.2mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到成型缸内堆积成喉部沉积有加强环的喷管，取出喷管整体，在1000～1200℃高温下焙烧3～5h。
所述的保护气体是氩气、氢气或氮气；所述的镍及其合金成分金属的粒径均为50～200目；所述的支架系统含四块铌合金挡板，互相垂直围在喷管周围，其中位于铺粉辊一侧的挡板与水平台面齐平，喷管截面圆的直径最大的圆与正方形各边相切。
本发明的优点：
(1)镍合金加强环与陶瓷基复合材料喷管的喉部和裙部紧密连接，制得的喷管具有良好 的综合性能，喉部能承受较大的热应力，喷管寿命大大提高。
(2)制备过程高度技术集成，实现了设计和制造的一体化，有效地实现了陶瓷基复合材料间与金属材料的连接。
(3)采用3D打印制备加强环，可重复性高，加工周期短，成本低，效率高，无污染，无需模具，操作简单，可实现批量生产。
附图说明
图1为激光快速成型工艺的原理图
10反光辊；20铺粉辊；30正成型镍合金加强环；40未成型粉末；50成型缸；60粉末缸。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环，镍合金中Ni元素所占百分含量为50％，Cr元素所占百分含量为10％，M、Co、W元素所占百分含量为15％，其余元素为Al、Ti、B、Zr。所述加强环的厚度为0.2mm，长度为5mm，紧贴喷管裙部和喉部，加强环每一截面均为圆形。
一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法，包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷基复合材料喷管的几何尺寸，设计镍合金加强环的具体位置，并用CAD画图软件画出镍合金加强环的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光烧结快速成型系统；
(2)将镍及其合金成分金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管喉部表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应加强环中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.1mm的混合粉末，预热工作台至200℃；
(5)设计激光功率为100W，扫描速度为50mm/s，烧结温度为300℃，扫描间距为0.05mm控制激光按照设计加强环的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.1mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到成型缸内堆积成喉部沉积有加强环的喷管，取出喷管整体，在1000℃高温下焙烧3h。
保护气体是氩气；镍及其合金成分金属的粒径均为50目。
实施例2
一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环，镍合金中Ni元素所占百分含量为55％，Cr元素所占百分含量为15％，M、Co、W元素所占百分含量为25％，其余元素为Al、Ti、B、Zr。所述加强环的厚度为1mm，长度为50mm，紧贴喷管裙部和喉部，加强环每一截面均为圆形。
一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法，包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷基复合材料喷管的几何尺寸，设计镍合金加强环的具体位置，并用CAD画图软件画出镍合金加强环的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光烧结快速成型系统；
(2)将镍及其合金成分金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管喉部表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应加强环中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.2mm的混合粉末，预热工作台至300℃；
(5)设计激光功率为200W，扫描速度为100mm/s，烧结温度为400℃，扫描间距为0.1mm控制激光按照设计加强环的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.2mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到成型缸内堆积成喉部沉积有加强环的喷管，取出喷管整体，在1200℃高温下焙烧5h。
保护气体是氮气；镍及其合金成分金属的粒径均为200目。
上述仅为本发明的单个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种陶瓷基复合材料喷管喉部镍合金加强环的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷基复合材料喷管的几何尺寸，设计镍合金加强环的具体位置，并用CAD画图软件画出镍合金加强环的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光烧结快速成型系统；
(2)将镍及其合金成分金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管喉部表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应加强环中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.1～0.2mm的混合粉末，预热工作台至200～300℃；
(5)设计激光功率为100～200W，扫描速度为50～100mm/s，烧结温度为300～400℃，扫描间距为0.05～0.1mm控制激光按照设计加强环的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.1～0.2mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到成型缸内堆积成喉部沉积有加强环的喷管，取出喷管整体，在1000～1200℃高温下焙烧3～5h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的保护气体是氩气、氢气或氮气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的镍及其合金成分金属的粒径均为50～200目。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的支架系统含四块铌合金挡板，互相垂直围在喷管周围，其中位于铺粉辊一侧的挡板与水平台面齐平，喷管截面圆的直径最大的圆与正方形各边相切。
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