CN112552068A - C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装及方法 - Google Patents
C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种C/SiC‑ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装及方法，解决C/SiC‑ZrC陶瓷基复合材料和C/SiC陶瓷基复合材料连接铆焊时，C/SiC‑ZrC陶瓷基复合材料易受损的问题，防护工装包括第一防护工装、第二防护工装、第一石墨加强框、第二石墨加强框、第一石墨紧固螺栓与第二石墨紧固螺栓；第一防护工装和第二防护工装扣设在C/SiC‑ZrC陶瓷基复合材料组件外表面，将其完全包裹；安装有第一防护工装和第二防护工装的产品组件一端通过第一石墨紧固螺栓固定在第一石墨加强框定位孔内，另一端通过第二石墨紧固螺栓固定在第二石墨加强框定位孔内。方法包括铆接、包裹石墨纸、安装防护工装、装炉沉积及拆除防护工装等步骤，实现C/SiC陶瓷基复合材料和C/SiC‑ZrC陶瓷基复合材料复合材料的铆焊连接。
Description
技术领域
本发明公开了一种CMC复合材料柔性密封防护装置及使用方法，具体涉及一种C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊时防护工装及使用方法。
背景技术
烧蚀是在高温、高压、高速的燃气流环境中，由热力(包括热应力、气流压力和剪切力等)、热化学和热物理等因素综合作用而引起的材料表面被侵蚀、损耗的现象。C/SiC陶瓷复合材料具有耐烧蚀、耐冲刷、高温热稳定性好、热膨胀系数小、低密度等优点，在航空航天领域具有广泛的应用前景。但由于SiO2与SiC基体高温下发生反应，SiO2抗氧化膜的反应消耗导致基体丧失抗氧化能力，从而限制C/SiC复合材料在1600℃以上的应用。难容金属碳化物具有高熔点和良好的抗热震、抗氧化能力，在高温下可以在基体表面形成抗氧化膜，降低氧化气氛向基体中的扩散速度，因此在C/SiC复合材料内添加合适的难熔金属和难熔金属间化合物成为提高C/SiC在超高温阶段抗烧蚀能力的有效方法。
C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料具有较好抗烧蚀性能。具体是通过真空浸渍和压力浸渍将树脂引入C/SiC基体中，后续通过RMI引入Zr，形成高熔点和优良化学稳定性的ZrC(熔点3540℃)，从而提升陶瓷基复合材料的抗烧蚀性能。
C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件和C/SiC陶瓷基复合材料组件连接，必须使用CVI法进行铆焊工艺进行连接，而对于C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件在CVI沉积过程中会与MTS发生反应而损伤，因此研究C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料和C/SiC陶瓷基复合材料连接铆焊时防护C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料不受损的方法，迫在眉睫。
发明内容
为了解决C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料和C/SiC陶瓷基复合材料连接铆焊时，C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料易受损的问题，本发明提供了一种CMC复合材料柔性防护装置及利用该防护工装实现铆焊的方法，通过该装置和方法，可有效实现C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料和C/SiC复合材料铆焊。
本发明的技术方案是提供一种C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特殊之处在于：包括第一防护工装、第二防护工装、第一石墨加强框、第二石墨加强框、第一石墨紧固螺栓与第二石墨紧固螺栓；
所述第一防护工装和第二防护工装的内腔形状与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面形状相适配；第一防护工装第二防护工装上开设沿长度方向的通槽；在铆焊过程中，C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件和C/SiC陶瓷基复合材料组件定位铆接后，第一防护工装和第二防护工装扣设在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面，将其完全包裹；
所述第一石墨加强框与第二石墨加强框上均开设定位孔，安装有第一防护工装和第二防护工装的产品组件一端通过第一石墨紧固螺栓固定在第一石墨加强框定位孔内，另一端通过第二石墨紧固螺栓固定在第二石墨加强框定位孔内。
进一步地，所述第二防护工装与第一防护工装一端配合安装后嵌入第一石墨加强框定位孔内，通过第一石墨紧固螺栓紧固。
进一步地，为了便于紧固，所述第二防护工装的上表面为水平面，第一石墨紧固螺栓穿入第一石墨加强框定位孔顶紧第二防护工装的上表面；
所述第一防护工装的另一端上表面为水平面，第二石墨紧固螺栓穿入第二石墨加强框定位孔顶紧第一防护工装的另一端上表面。
进一步地，第一防护工装一端端面设有“U”形凸台，；第二防护工装具有“U”形凹槽，二者相互配合时，“U”形凸台嵌入“U”形凹槽内。
进一步地，为了方便夹装，所述第一石墨加强框与第二石墨加强框为长方体或立方体结构。
本发明还提供一种C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、铆接；
将C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件与C/SiC陶瓷基复合材料组件利用C/SiC材料的铆钉连接，获得C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件；
步骤2、预处理；
步骤2.1、将第一防护工装、第二防护工装、第一石墨加强框、第二石墨加强框、第一石墨紧固螺栓与第二石墨紧固螺栓置于高温真空炉内，设定温度为1200±200℃，保温2-5h；
步骤2.2、将C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件、第一防护工装、第二防护工装、第一石墨加强框、第二石墨加强框、第一石墨紧固螺栓、第二石墨紧固螺栓及石墨纸进行烘干处理，烘干温度200±10℃，烘干时间2-4h；
步骤3、包裹石墨纸；
在预处理后的C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件中的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面包裹石墨纸；石墨纸与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件贴合紧密；
步骤4、安装防护工装；
步骤4.1、将第一防护工装扣设在包裹有石墨纸的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件上，确保第一防护工装完全包裹住C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件；
步骤4.2、将第二防护工装固定在第一防护工装的一端；
步骤4.3、通过定位孔将第一石墨加强框套装在第二防护工装上，之后用第一石墨紧固螺栓进行紧固；通过定位孔将第二石墨加强框套装在第一石墨加强框套的相对位置，之后用第二石墨紧固螺栓进行紧固；
步骤5、堵缝；
步骤5.1、裁剪伸出第一防护工装与第二防护工装的石墨纸，使石墨纸伸出第一防护工装与第二防护工装边缘长度为1-3mm，且不遮挡铆钉端头；
步骤5.2、在第一防护工装、第二防护工装和石墨纸边缘，涂覆酒精配制的氮化硼浆料；以填堵第一防护工装与第二防护工装、石墨纸与第一防护工装和第二防护工装之间的间隙；
步骤6、装炉沉积；
将步骤5处理后的组件装入CVI碳化硅沉积设备中，在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积50±10h，完成C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件和C/SiC陶瓷基复合材料组件的铆焊；
步骤7、拆除防护工装；
步骤7.1、将出炉后的组件从沉积设备取出，置于工作台上，台面垫覆缓冲物，静置至表面温度降至室温；
步骤7.2、松动并拆卸第一石墨紧固螺栓和第二石墨紧固螺栓；
步骤7.3、依次取下第一石墨加强框、第二石墨加强框；
步骤7.4、依次取下第二防护工装和第一防护工装；
步骤7.5、剥除包覆在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件上的石墨纸，清洁C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件表面的杂物。
进一步地，步骤3中：石墨纸的厚度为0.4mm，包裹层数为2层。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现C/SiC陶瓷基复合材料和C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料两种复合材料的铆焊连接，提升超高音速飞行器热防护水平；且在铆焊连接过程中，预防C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件在CVI铆焊过程与源气体发生反应而造成损失；
2、本发明可应用在对整体构件中有需求的局部位置进行CVI沉积的工艺中。
3、本发明密封防护装置对C/SiC陶瓷基复合材料和C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件夹装简便，在CVI过程中，整个复材构件在炉内放置稳定，实现稳定高效的连接。
附图说明
图1为C/SiC陶瓷基复合材料组件结构示意图；
图2为C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件结构示意图；
图3为C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件与C/SiC陶瓷基复合材料组件连接后的组件结构示意图；
图4为C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件与C/SiC陶瓷基复合材料组件连接后的剖视图；
图5a为第一防护工装结构示意图；
图5b为第二防护工装结构示意图；
图6为安装防护工装后的组件结构示意图；
图7为图6中部位A的局部放大图；
图中附图标记为：
001-C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件，002-C/SiC陶瓷基复合材料组件，003-铆钉，004-第一防护工装，005-第二防护工装，006-石墨纸，007-氮化硼浆料，008-第一石墨加强框，009-第二石墨加强框，010-第一石墨紧固螺栓，011-第二石墨紧固螺栓。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本实施例需要铆接的两个产品结构如图1及图2所示。
图1为C/SiC陶瓷基复合材料组件002，从图中可以看出，本组件的结构为类直角三角板，斜边端面的一端设置有圆弧面，圆弧面的一端与斜边端面圆滑过渡连接，另一端与底边连接。沿C/SiC陶瓷基复合材料组件002斜边端面开设与斜边等长的卡槽。
图2为C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001，从图中可以看出C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001的主体部分为类半圆柱体，其直径与C/SiC陶瓷基复合材料组件002厚度相等。沿半圆柱体底面设有沿其长度方向的长条形凸台。C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001一端的底面为与C/SiC陶瓷基复合材料组件002斜边圆弧面形状相适配的圆弧面。如图3，长条形凸台与C/SiC陶瓷基复合材料组件002的卡槽相适配，长条形凸台卡入卡槽，C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001的圆弧面与C/SiC陶瓷基复合材料组件002斜边圆弧面相互压紧，实现C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001与C/SiC陶瓷基复合材料组件002的定位。从图4可以看出，C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001的长条形凸台横截面的形状为梯形，其外壁面与C/SiC陶瓷基复合材料组件002卡槽的内壁面紧紧贴合，确保二者的定位精度以及结合稳定性。
图5a与图5b为本实施例防护工装的结构示意图，其中图5a为第一防护工装004的结构，图5b为第二防护工装005的结构，结合图6可以看出，第一防护工装004与第二防护工装005的结构其结构与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001结构相适配，其上开设沿长度方向的通槽，通槽的截面形状为与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001主体结构截面同心的半圆形。在铆焊过程中，第一防护工装004与第二防护工装005扣设在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001外表面，将其完全包裹。
为了与第二防护工装005配合，第一防护工装004的一端端面设有“U”形凸台，从图5b中可以看出，第二防护工装005具有“U”形凹槽，二者相互配合时，“U”形凸台嵌入“U”形凹槽内。
第一石墨加强框008与第二石墨加强框009上均开设定位孔，安装有第一防护工装004与第二防护工装005的产品组件一端通过第一石墨紧固螺栓010固定在第一石墨加强框008定位孔内，另一端通过第二石墨紧固螺栓011固定在第二石墨加强框009定位孔内。从图中可以看出，本实施例第二防护工装005与第一防护工装004一端配合安装后嵌入第一石墨加强框008定位孔内，通过第一石墨紧固螺栓010紧固。
具体通过下述过程实现铆焊：
步骤1、铆接；
步骤1.1、将满足要求的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001(如图1所示)，安装到C/SiC陶瓷基复合材料组件002的卡槽内(如图2所示)；
步骤1.2、使用C/SiC材料的铆钉003将C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001与C/SiC陶瓷基复合材料组件002连接起来(如图3所示)。根据具体要求，可在二者的配合处，使用多个铆钉进行连接，相邻两个铆钉之间的间距相等。
步骤2、工装预处理；
步骤2.1、新加工的第一防护工装004、第二防护工装005、第一石墨加强框008、第二石墨加强框009、第一石墨紧固螺栓010和第二石墨紧固螺栓011必须高温处理后才能使用，处理温度1200±200℃，保温2-5h；第一防护工装004与第二防护工装005内腔内不允许出现损伤(如图4所示)。
步骤2.2、将C/SiC陶瓷基复合材料组件002、第一防护工装004、第二防护工装005、第一石墨加强框008、第二石墨加强框009、第一石墨紧固螺栓010和第二石墨紧固螺栓011及石墨纸006进行烘干处理，烘干温度200±10℃，烘干时间3h。
步骤3、包裹石墨纸；
石墨纸006包覆时可使用胶带粘贴，以便在异形型面包裹时，发生石墨纸006破损。在铆接好产品的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001表面包2层0.4mm厚整张石墨纸006，防止CVI沉积后C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001表面与石墨防护工装004和005产生粘连现象；
石墨纸006与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001贴合紧密，不能出现可见间隙；石墨纸006有效包覆边界至少超出C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001边界15mm。
步骤4、安装防护工装；
步骤4.1、将第一防护工装004和第二防护工装005依次沿C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001厚度分型面方向直接落在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001上；确保第一防护工装004和第二防护工装005完全包裹住C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001；
第一防护工装004和第二防护工装005均与石墨纸006之间不可存在可见间隙，用塞尺检验第一防护工装004和第二防护工装005均与石墨纸006之间贴合间隙≤0.10mm；
步骤4.2、按照附图所示，依次安装防护工装上的第一石墨加强框008、第二石墨加强框009及第一石墨紧固螺栓010和第二石墨紧固螺栓011等；通过定位孔将第一石墨加强框008套装在第二防护工装005上，之后用第一石墨紧固螺栓010进行紧固；通过定位孔将第二石墨加强框009套装在第一石墨加强框008套的相对位置，之后用第二石墨紧固螺栓011进行紧固。
步骤5、堵缝；
步骤5.1、使用美工刀将伸出第一防护工装004和第二防护工装005的石墨纸006进行裁剪，使石墨纸006伸出第一防护工装004和第二防护工装005边界长度1-3mm，且不遮挡最近的铆接销钉端头(如图5a与图5b所示)。
步骤5.2、将酒精配制的氮化硼浆料007涂覆在第一防护工装004、第二防护工装005和石墨纸006边缘，以填堵第一防护工装004与第二防护工装005、石墨纸006与第一防护工装004和第二防护工装005之间的间隙。
步骤6、装炉沉积；
将已安装好防护工装的产品装入CVI碳化硅沉积设备中，在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积50±10h，完成C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001和C/SiC陶瓷基复合材料组件002的铆焊。
步骤7、拆除防护工装；
步骤7.1、将出炉后的产品从沉积设备取出，置于工作台上，台面垫覆缓冲物，静置至表面温度降至室温；
步骤7.2、松动并拆卸第一石墨紧固螺栓010和第二石墨紧固螺栓011；
步骤7.3、依次取下第一石墨加强框008、第二石墨加强框009；(小心第一防护工装004和第二防护工装005跌落)
步骤7.4、依次取下第一防护工装004和第二防护工装005、第一石墨加强框008及第二石墨加强框009；
步骤7.5、轻轻剥除包覆在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001上的石墨纸006，使用高压气枪清洁C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件001表面的杂物。
Claims (7)
1.一种C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特征在于：包括第一防护工装(004)、第二防护工装(005)、第一石墨加强框(008)、第二石墨加强框(009)、第一石墨紧固螺栓(010)与第二石墨紧固螺栓(011)；
所述第一防护工装(004)和第二防护工装(005)的内腔形状与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面形状相适配；第一防护工装(004)第二防护工装(005)上开设沿长度方向的通槽；在铆焊过程中，C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件和C/SiC陶瓷基复合材料组件定位铆接后，第一防护工装(004)和第二防护工装(005)扣设在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面，将其完全包裹；
所述第一石墨加强框(008)与第二石墨加强框(009)上均开设定位孔，安装有第一防护工装(004)和第二防护工装(005)的产品组件一端通过第一石墨紧固螺栓(010)固定在第一石墨加强框(008)定位孔内，另一端通过第二石墨紧固螺栓(011)固定在第二石墨加强框(009)定位孔内。
2.根据权利要求1所述的C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特征在于：所述第二防护工装(005)与第一防护工装(004)一端配合安装后嵌入第一石墨加强框(008)定位孔内，通过第一石墨紧固螺栓(010)紧固。
3.根据权利要求2所述的C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特征在于：
所述第二防护工装(005)的上表面为水平面，第一石墨紧固螺栓(010)穿入第一石墨加强框(008)定位孔顶紧第二防护工装(005)的上表面；
所述第一防护工装(004)的另一端上表面为水平面，第二石墨紧固螺栓(011)穿入第二石墨加强框(009)定位孔顶紧第一防护工装(004)的另一端上表面。
4.根据权利要求1至3任一所述的C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特征在于：
第一防护工装(004)一端端面设有“U”形凸台，；第二防护工装(005)具有“U”形凹槽，二者相互配合时，“U”形凸台嵌入“U”形凹槽内。
5.根据权利要求4所述的C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊用防护工装，其特征在于：所述第一石墨加强框(008)与第二石墨加强框(009)为长方体或立方体结构。
6.一种C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、铆接；
将C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件与C/SiC陶瓷基复合材料组件利用C/SiC材料的铆钉(003)连接，获得C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件；
步骤2、预处理；
步骤2.1、将第一防护工装(004)、第二防护工装(005)、第一石墨加强框(008)、第二石墨加强框(009)、第一石墨紧固螺栓(010)与第二石墨紧固螺栓(011)置于高温真空炉内，设定温度为1200±200℃，保温2-5h；
步骤2.2、将C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件、第一防护工装(004)、第二防护工装(005)、第一石墨加强框(008)、第二石墨加强框(009)、第一石墨紧固螺栓(010)、第二石墨紧固螺栓(011)及石墨纸进行烘干处理，烘干温度200±10℃，烘干时间2-4h；
步骤3、包裹石墨纸；
在预处理后的C/SiC-ZrC与C/SiC陶瓷基复合材料的铆接组件中的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件外表面包裹石墨纸；石墨纸与C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件贴合紧密；
步骤4、安装防护工装；
步骤4.1、将第一防护工装(004)和第二防护工装(005)扣设在包裹有石墨纸的C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件上，且第二防护工装(005)固定在第一防护工装(004)的一端，确保第一防护工装(004)和第二防护工装(005)完全包裹住C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件；
步骤4.2、通过定位孔将第一石墨加强框(008)套装在第二防护工装(005)上，之后用第一石墨紧固螺栓(010)进行紧固；通过定位孔将第二石墨加强框(009)套装在第一石墨加强框(008)套的相对位置，之后用第二石墨紧固螺栓(011)进行紧固；
步骤5、堵缝；
步骤5.1、裁剪伸出第一防护工装(004)与第二防护工装(005)的石墨纸，使石墨纸伸出第一防护工装(004)与第二防护工装(005)边界长度为1-3mm，且不遮挡铆钉端头；
步骤5.2、在第一防护工装(004)、第二防护工装(005)和石墨纸边缘，涂覆酒精配制的氮化硼浆料；以填堵第一防护工装(004)与第二防护工装(005)、石墨纸(006)与第一防护工装(004)和第二防护工装(005)之间的间隙；
步骤6、装炉沉积；
将步骤5处理后的组件装入CVI碳化硅沉积设备中，在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积50±10h，完成C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件和C/SiC陶瓷基复合材料组件的铆焊；
步骤7、拆除防护工装；
步骤7.1、将出炉后的组件从沉积设备取出，置于工作台上，台面垫覆缓冲物，静置至表面温度降至室温；
步骤7.2、松动并拆卸第一石墨紧固螺栓(010)和第二石墨紧固螺栓(011)；
步骤7.3、依次取下第一石墨加强框(008)、第二石墨加强框(009)；
步骤7.4、依次取下第二防护工装(005)和第一防护工装(004)；
步骤7.5、剥除包覆在C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件上的石墨纸，清洁C/SiC-ZrC陶瓷基复合材料组件表面的杂物。
7.根据权利要求6所述的一种C/SiC-ZrC和C/SiC陶瓷基复合材料铆焊方法，其特征在于，步骤3中：石墨纸的厚度为0.4mm，包裹层数为2层。
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