CN106747550A - 基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机零部件制造技术领域，具体涉及基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，将底层垫块放在衬板上，然后依次将预制体放在底层垫块上，预制体之间用环形垫块隔离，再用上盖板盖上，通过沉积装置改变气流路径，提高预制体的密度均匀性，针对预制体沉积过程中密度的变化，设计相应的沉积装置和工艺参数，实现等温CVI沉积过程中的快速致密化。本发明的方法在沉积装置中沉积300 h后，预制体密度可达到1.6 g/cm3以上，实现了多个预制体一次装炉，提高了生产效率，实现批量致密化生产，同时为基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体批量致密化生产提供了新的方法，对促进整体叶盘的应用发展具有重要意义。

Description

基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法
技术领域
本发明涉及航空发动机零部件制造技术领域，具体涉及基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法。
背景技术
炭/炭复合材料是一种炭纤维增强炭基体的先进复合材料，随着高推重比航空发动机的发展，炭/炭复合材料将在未来整体叶盘零件的制备过程中得到广泛应用。炭/炭复合材料整体叶盘的制备主要分为预制体编制、预制体致密化、高温石墨化、精密加工、抗氧化涂层等步骤，其中预制体致密化是获得高性能炭/炭复合材料非常关键的一步。
化学气相渗透(CVI)工艺是把炭纤维预制体置于专用的CVI炉中，加热至要求的温度，通入碳源气（如CH4等），这些气体热解并在炭纤维上沉积炭，以填充多孔预制体中的空隙，它是高性能炭/炭复合材料预制体致密化的首选工艺。工程化过程中，需要考虑多个预制体同时致密化，CVI需要根据不同的零件结构、装炉方式设计合理的气流通道，让气体与预制体接触表面积越多越好，同时又要让气体尽量穿过预制体形成梯度扩散；在工艺过程控制方面，不同的致密化阶段需要考虑不同的工艺参数。根据不同阶段CVI沉积原理的变化，通过“变工装+变参数”的思想，合理优化气流路径和工艺参数，从而实现快速致密化，这些都是目前国内外文献没有公开报道的。
经查询，目前没有炭/炭复合材料整体叶盘预制体的批量致密化方法的相关专利和文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，针对预制体沉积过程中密度的变化，设计相应的沉积装置和工艺参数，实现等温CVI沉积过程中的快速致密化，同时通过沉积装置改变气流路径，提高预制体的密度均匀性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，所述方法在沉积装置内进行，所述沉积装置包括以下自由拆卸的组件：第一上盖板、第二上盖板、第三上盖板、第四上盖板、环形内垫块、环形外垫块、圆形底层垫块、环形底层垫块、第一衬板和第二衬板；所述第一上盖板的圆心处设有第一出气口；第二上盖板上远离圆心均匀设有多个第二出气口；第三上盖板的圆心处设有第三出气口A，且靠近第三出气口A，在第三出气口A周围均匀设有多个第三出气口B；第四上盖板靠近圆心均匀设有多个第四出气口A，且第四上盖板远离圆心均匀设有多个第四出气口B；第一衬板的圆心处设有第一进气口；第二衬板上均匀设有多个第二进气口；
所述方法包括以下步骤：
S1.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第一上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S2.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第二上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S3. 将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第三上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S4. 将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第四上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气天然气和丙烷组成。
进一步地，所述步骤S1和S2中，混合气均由体积比为10-12:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S3和S4中，混合气均由体积比为13-15:1的天然气和丙烷组成。
更进一步地，所述步骤S1和S2中，混合气均由体积比为10:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S3中，混合气均由体积比为14:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S4中，混合气均由体积比为15:1的天然气和丙烷组成。
进一步地，所述步骤S1和S2中，混合气的通气量为15-20L/min；所述步骤S3和S4中，混合气的通气量为10-15L/min。
更进一步地，所述步骤S1和S2中，混合气的通气量为18L/min；所述步骤S3中，混合气的通气量为11L/min；所述步骤S4中，混合气的通气量为10L/min。
进一步地，所述预制体在沉积装置中累计沉积时间不低于300h。
一种基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体，由上述的方法制备而成。
进一步地，所述预制体的密度不小于1.6g/cm3。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的方法针对预制体沉积过程中密度的变化，设计相应的沉积装置和工艺参数，实现等温CVI沉积过程中的快速致密化；
（2）本发明的方法在沉积装置中沉积300 h后，预制体密度可达到1.6 g/cm3以上；
（3）本发明的方法实现了多个预制体一次装炉，提高了生产效率，实现批量致密化生产；
（4）本发明的方法通过沉积装置改变气流路径，提高预制体的密度均匀性，为基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体批量致密化生产提供了新的方法，对促进整体叶盘的应用发展具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1中步骤S1沉积装置结构图；
图2为实施例1中步骤S2沉积装置结构图；
图3为实施例1中步骤S3沉积装置结构图；
图4为实施例1中步骤S4沉积装置结构图；
图中，1-预制体，2-第一上盖板，3-环形内垫块，4-圆形底层垫块，5-第一衬板，6-第二上盖板，7-环形外垫块，8-环形底层垫块，9-第二衬板，10-第三上盖板，11-第四上盖板，12-第一出气口，13-第二出气口，14-第三出气口A，15-第三出气口B，16-第四出气口A，17-第四出气口B，18-第一进气口，19-第二进气口。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，所述方法在沉积装置内进行，所述沉积装置包括以下自由拆卸的组件：第一上盖板、第二上盖板、第三上盖板、第四上盖板、环形内垫块、环形外垫块、圆形底层垫块、环形底层垫块、第一衬板和第二衬板；所述第一上盖板的圆心处设有第一出气口；第二上盖板上远离圆心均匀设有多个第二出气口；第三上盖板的圆心处设有第三出气口A，且靠近第三出气口A，在第三出气口A周围均匀设有多个第三出气口B；第四上盖板靠近圆心均匀设有多个第四出气口A，且第四上盖板远离圆心均匀设有多个第四出气口B；第一衬板的圆心处设有第一进气口；第二衬板上均匀设有多个第二进气口；
基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的初始密度为0.46g/cm3，所述方法包括以下步骤：
S1.如图1所示，将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第一上盖板盖上，升温至1050℃，控制沉积装置内压力为15kPa，通入通气量为18L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为10:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.5 g/cm3；
S2. 如图2所示，将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第二上盖板盖上，升温至1050℃，控制沉积装置内压力为15kPa，通入通气量为18L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为10:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.33 g/cm3；
S3. 如图3所示，将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第三上盖板盖上，升温至1050℃，控制沉积装置内压力为12kPa，通入通气量为11L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为14:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.25 g/cm3；
S4. 如图4所示，将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第四上盖板盖上，升温至1050℃，控制沉积装置内压力为11kPa，通入通气量为10L/min的混合气，沉积60h，冷却；所述混合气均由体积比为15:1的天然气和丙烷组成，密度增量为0.12 g/cm3。
实施例2
基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，预制体的初始密度为0.46g/cm3，所述方法包括以下步骤：
S1.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第一上盖板盖上，升温至1070℃，控制沉积装置内压力为10kPa，通入通气量为18L/min的混合气，沉积60h，冷却；所述混合气均由体积比为12:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.48 g/cm3；
S2.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第二上盖板盖上，升温至1070℃，控制沉积装置内压力为20kPa，通入通气量为20L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为12:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.34 g/cm3；
S3.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第三上盖板盖上，升温至1030℃，控制沉积装置内压力为14kPa，通入通气量为12L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为13:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.25 g/cm3；
S4.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第四上盖板盖上，升温至1030℃，控制沉积装置内压力为10kPa，通入通气量为15L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为15:1的天然气和丙烷组成，密度增量为0.11 g/cm3。
实施例3
基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，预制体的初始密度为0.46g/cm3，所述方法包括以下步骤：
S1.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第一上盖板盖上，升温至1030℃，控制沉积装置内压力为10kPa，通入通气量为15L/min的混合气，沉积70h，冷却；所述混合气均由体积比为11:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.51 g/cm3；
S2.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第二上盖板盖上，升温至1030℃，控制沉积装置内压力为14kPa，通入通气量为16L/min的混合气，沉积70h，冷却；所述混合气均由体积比为11:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.34 g/cm3；
S3.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第三上盖板盖上，升温至1040℃，控制沉积装置内压力为16kPa，通入通气量为11L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为13:1的天然气和丙烷组成；密度增量为0.24 g/cm3；
S4.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第四上盖板盖上，升温至1070℃，控制沉积装置内压力为15kPa，通入通气量为12L/min的混合气，沉积80h，冷却；所述混合气均由体积比为14:1的天然气和丙烷组成，密度增量为0.12 g/cm3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述方法在沉积装置内进行，所述沉积装置包括以下自由拆卸的组件：第一上盖板、第二上盖板、第三上盖板、第四上盖板、环形内垫块、环形外垫块、圆形底层垫块、环形底层垫块、第一衬板和第二衬板；所述第一上盖板的圆心处设有第一出气口；第二上盖板上远离圆心均匀设有多个第二出气口；第三上盖板的圆心处设有第三出气口A，且靠近第三出气口A，在第三出气口A周围均匀设有多个第三出气口B；第四上盖板靠近圆心均匀设有多个第四出气口A，且第四上盖板远离圆心均匀设有多个第四出气口B；第一衬板的圆心处设有第一进气口；第二衬板上均匀设有多个第二进气口；
所述方法包括以下步骤：
S1.将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第一上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S2.将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第二上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S3. 将圆形底层垫块放在第一衬板上，然后依次将预制体放在圆形底层垫块上，预制体之间用环形内垫块隔离，再用第三上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气由天然气和丙烷组成；
S4. 将环形底层垫块同轴放在第二衬板之上，然后依次将预制体放在环形底层垫块上，预制体之间用环形外垫块隔离，再用第四上盖板盖上，升温至1030-1070℃，控制沉积装置内压力为10-20kPa，通入混合气，沉积60-80h，冷却；所述混合气天然气和丙烷组成。
2.根据权利要求1所述的基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，混合气均由体积比为10-12:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S3和S4中，混合气均由体积比为13-15:1的天然气和丙烷组成。
3.根据权利要求2所述的基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，混合气均由体积比为10:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S3中，混合气均由体积比为14:1的天然气和丙烷组成；所述步骤S4中，混合气均由体积比为15:1的天然气和丙烷组成。
4.根据权利要求1所述的基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，混合气的通气量为15-20L/min；所述步骤S3和S4中，混合气的通气量为10-15L/min。
5.根据权利要求4所述的基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，混合气的通气量为18L/min；所述步骤S3中，混合气的通气量为11L/min；所述步骤S4中，混合气的通气量为10L/min。
6.根据权利要求1所述的基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体的批量致密化方法，其特征在于，所述预制体在沉积装置中累计沉积时间不低于300h。
7.一种基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体，其特征在于，由权利要求1-6任意一项所述的方法制备而成。
8.根据权利要求7所述的一种基于炭炭复合材料的整体叶盘预制体，其特征在于，所述预制体的密度不小于1.6g/cm3。
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