CN108709198A - 一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）用CATIA软件建模，并保存为数据文件；（2）将SiC粉与聚碳硅烷有机粘结剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸；（3）向3D打印机的成型腔内通入保护气体；（4）用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层混合粉末，预热工作台至60~80℃；（5）进行选择性烧结，直到堆积成三维的多孔SiC陶瓷燃烧室芯模；（6）取出实体零件，放入真空高温热解炉中焙烧；（7）在多孔SiC陶瓷燃烧室芯模的内外表面缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层；（8）将预制体放入高温裂解炉中热解；（9）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中加压浸渍；（10）将处理后的预制体放入控温马弗炉中进行缓慢固化；（11）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，缓慢升温得到玻璃碳基体。

Description

一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧室的制备方法，特别是涉及一种3D打印芯材高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法。

背景技术

3D打印（3DP）是一种快速成型技术，是以数字模型文件为基础，运用可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。学术上也称为“添加制造”“增材制造”或“增量制造（AM）”。3D打印技术的概念最早起源于20世纪70年代末到80年代初期。其发展过程中的一个里程碑是由Hull于1986年提出光固化成形（SLA），用紫外激光将高分子聚合物固化并逐层叠加，并在同年创立了世界上第一家3D打印公司3DSystems。1988年Crump发明了熔融沉积成形（FDM）并成立Stratays公司。1989年Dechard发明了选择性激光烧结（SLS）。1993年Sachs发明了一种全新的3D打印技术，通过向金属、陶瓷等粉末喷射黏结剂的方式将材料逐片成形，然后进行烧结，该技术类似于喷墨打印，制作速度快，价格低廉。近几年，3D打印具有节约材料、装置便捷、可打印物品形状灵活、打印零件精密、生产率高、生产成本低等优点，发展迅速并逐渐走向大众、走进人们的生活。随着技术的不断发展与进步，3D打印的优势日益突显，应用领域已覆盖航天科技、汽车、电子、房屋建筑、医用器件、服饰等方面。

军用或民用的大型航空发动机一般要求在大修/退役之前的在翼时间超过30000小时或20000飞行循环，其可靠性、维修性是发动机的重要指标。而民用发动机必须具有良好的环保性，即发动机的排放必须满足国际民航组织（ICAO）发布的排放标准（主要是CO、UHC、NOx和冒烟等指标），同时满足民机在国外起降时相关国家的排放标准要求，如美国FAA标准等，达到适航要求并取得适航证才能进入世界民用发动机市场。而作为发动机的重要关键部件之一的燃烧室是污染物的唯一“制造者”是民用发动机能否研制成功并获得进入市场资格的关键。从20世纪70年代ICAO开始制定严格的排放标准以来，国际著名航空发动机公司为了满足排放要求，占领民机市场，开展了低污染的燃烧室的研制工作，并取得了重要成果，现役民用发动机基本使用满足或超过现有污染排放要求的低排放燃烧室。而低排放燃烧室研制必须采用许多新的设计、制造技术以及新材料、新工艺等。低排放、长寿命燃烧室的研制是民用发动机成功研制的关键，因此应针对国外现役/在研大型军用和民用航空发动机燃烧室现状，分析其设计特点和研制技术，了解并掌握长寿命、低排放燃烧室设计的关键技术以及有关排放规范，为开展民用发动机燃烧室研制打下基础。

玻璃碳属于特殊碳材料,是树脂碳家族中的一个成员。它兼有碳材料和玻璃的特性，它的热和电性能与其它碳材料相似，又和玻璃一样,在其自身的结构里没有开孔呈不透气性,机械性能也与玻璃相似，且具有特殊的玻璃形状的断口和光泽。

运用3D打印技术制备燃烧室芯材内模，然后用玻璃碳进行封装，所制备的燃烧室的结构可很好地满足低排放、长寿命的要求，有效降低构件整体的重量，同时还能在超高温度的极端环境下长时间工作，极大地符合国外现役/在研大型军用和民用航空发动机燃烧室的发展现状。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）用CATIA作图软件设计出喷管的三维实体模型，运用程序手段将三维实体模型进行二维化处理得到实体模型的多层二维剖面，并保存为数据文件，将数据文件关联到选择性激光熔化快速成型系统上；

（2）将SiC粉与聚碳硅烷有机粘结剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，有机粘接剂占混合物总量的质量百分比为2％～8％，所述聚碳硅烷有机粘结剂为质量分数为35%~55%的酒精溶液，所述SiC粉粒径为50μm ~150μm；

（3）向3D打印机的成型腔内通入氩气，作为保护气体，压力为500Pa；

（4）用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层混合粉末，预热工作台至60~80℃；

（5）设计激光的扫描速率为10～100mm/s，烧结温度为400~550℃，控制激光按照设计零件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 0.3～1mm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），直到堆积成三维的多孔SiC陶瓷燃烧室芯模；

（8）取出实体零件，放入真空高温热解炉中焙烧3～5h，温度为 1000～1200℃；

（9）在多孔SiC陶瓷燃烧室芯模的内外表面沿燃烧室气流流通方向紧贴芯模内壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，缠绕完成后，芯模完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的芯模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.1~1mm，单侧碳纤维外壳厚度为1~10mm；

（10）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入氩气，保温 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为50%~60%；

（11）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入丙烯、氩气，沉积4~10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为35%~45%；

（12）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.4~1.5MPa，放置2~5h后取出；

（13）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01~1℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（14）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到900~1200℃，升温速率为0.01~0.1℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下。

本发明的优点：（1）所制备燃烧室能在1600℃以上的环境下使用；（2）所制备燃烧室具有高强度，低密度，长寿命的优点；（3）所制备燃烧室隔热性能好，确保燃烧室外具有良好的工作环境。

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

1.一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）用CATIA作图软件设计出喷管的三维实体模型，运用程序手段将三维实体模型进行二维化处理得到实体模型的多层二维剖面，并保存为数据文件，将数据文件关联到选择性激光熔化快速成型系统上；

（2）将SiC粉与聚碳硅烷有机粘结剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，有机粘接剂占混合物总量的质量百分比为5％，所述聚碳硅烷有机粘结剂为质量分数为48%的酒精溶液，所述SiC粉粒径为100μm；

（3）向3D打印机的成型腔内通入氩气，作为保护气体，压力为500Pa；

（4）用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层混合粉末，预热工作台至70℃；

（5）设计激光的扫描速率为50mm/s，烧结温度为500℃，控制激光按照设计零件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0.8mm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），直到堆积成三维的多孔SiC陶瓷燃烧室芯模；

（8）取出实体零件，放入真空高温热解炉中焙烧4h，温度为 1100℃；

（9）在多孔SiC陶瓷燃烧室芯模的内外表面沿燃烧室气流流通方向紧贴芯模内壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，缠绕完成后，芯模完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的芯模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.5mm，单侧碳纤维外壳厚度为5mm；

（10）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为500Pa，炉内温度为1000℃，通入氩气，保温 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为50%~60%；

（11）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为500Pa，炉内温度为1100℃，通入丙烯、氩气，沉积4~10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为35%~45%；

（12）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.6MPa，放置3h后取出；

（13）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（14）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到1000℃，升温速率为0.01℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，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 (1)

1.一种3D打印SiC芯材及高致密玻璃碳封装燃烧室的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）用CATIA作图软件设计出喷管的三维实体模型，运用程序手段将三维实体模型进行二维化处理得到实体模型的多层二维剖面，并保存为数据文件，将数据文件关联到选择性激光熔化快速成型系统上；

（2）将SiC粉与聚碳硅烷有机粘结剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，有机粘接剂占混合物总量的质量百分比为2％～8％，所述聚碳硅烷有机粘结剂为质量分数为35%~55%的酒精溶液，所述SiC粉粒径为50μm ~150μm；

（3）向3D打印机的成型腔内通入氩气，作为保护气体，压力为500Pa；

（4）用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层混合粉末，预热工作台至60~80℃；

（5）设计激光的扫描速率为10～100mm/s，烧结温度为400~550℃，控制激光按照设计零件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 0.3～1mm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），直到堆积成三维的多孔SiC陶瓷燃烧室芯模；

（8）取出实体零件，放入真空高温热解炉中焙烧3～5h，温度为 1000～1200℃；

（9）在多孔SiC陶瓷燃烧室芯模的内外表面沿燃烧室气流流通方向紧贴芯模内壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，缠绕完成后，芯模完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的芯模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.1~1mm，单侧碳纤维外壳厚度为1~10mm；

（10）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入氩气，保温 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为50%~60%；

（11）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入丙烯、氩气，沉积4~10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为35%~45%；

（12）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.4~1.5MPa，放置2~5h后取出；

（13）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01~1℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（14）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到900~1200℃，升温速率为0.01~0.1℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下。