CN114249600B - 一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，包括：提供待加工工件；在所述待加工工件的待加工处加工出第一通孔；提供与所述第一通孔相适应的孔芯；将所述孔芯填充在所述第一通孔中，所述孔芯和所述第一通孔形成盲孔；将所述孔芯和所述第一通孔连接固定。通过将与第一通孔相适应的孔芯填充在第一通孔中，以形成盲孔，再将孔芯和第一通孔连接固定。由于第一通孔和孔芯比需要制备的盲孔加工更加方便，所以，第一通孔和孔芯制备的精度更高、废品率更低、加工效率更高，不易形成裂缝等加工缺陷，加工出的盲孔底部形貌平滑，加工出的盲孔空间结构多种多种，可以不受限制。

Description

一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法

技术领域

本发明涉及陶瓷技术领域领域，特别是涉及一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法。

背景技术

陶瓷基复合材料作为一种新型耐高温结构材料，具有轻质、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗冲击等诸多优点，在航空、航天、核能等领域具有广阔应用前景，典型应用对象包括先进航空发动机热端部件、高超声速飞行器热防护系统等。

带特征结构的薄壁件是陶瓷基复合材料在以上应用场景中的典型结构形式，盲孔是常见的特征结构之一，通常用于连接、定位等功能。

现有盲孔结构一般通过加工成型，如机械钻削制孔、激光制孔等，经盲孔所在位置及所在一侧通过材料去除性加工，制备出特定深度的盲孔。以上制孔方式应用于陶瓷基复合材料加工时，可以实现常规位置的盲孔制备，但同时存在很大局限性。对于机械钻削制孔，由于陶瓷基复合材料具有各向异性、硬度高、脆性大等显著特征，制孔过程会出现刀具磨损严重、制孔精度不高、加工缺陷较多等问题。对于激光制孔，虽然不存在刀具磨损问题而能获得较好的孔径一致性，但因激光脉冲能量的波动以及扫描路径填充的不均匀，会导致盲孔底部形貌较差。另外，对于航空发动机、飞行器舵翼等复杂结构件非常规位置的盲孔，以上制孔方式常因存在加工干涉等问题而无法实现成型，此为其最大的局限性。

另外，上述两种盲孔的制备方法，还存在盲孔结构的加工存在限制，加工效率低，废品率高的问题

因此，本发明提出了一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，解决了现有技术中盲孔加工效率低、废品率高、加工形状受限、制孔精度不高的技术问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，包括：

提供待加工工件；

在所述待加工工件的待加工处加工出第一通孔；

提供与所述第一通孔相适应的孔芯；

将所述孔芯填充在所述第一通孔中，所述孔芯和所述第一通孔形成盲孔；

将所述孔芯和所述第一通孔连接固定。

可选地，所述提供待加工工件后，还包括：对所述待加工工件进行致密化处理。

可选地，所述在所述待加工工件的待加工处加工出第一通孔，包括：

提供工装；

通过所述工装将所述待加工工件固定；

在固定后的待加工工件的待加工处加工出所述第一通孔。

可选地，所述提供与所述第一通孔相适应的孔芯，包括：

提供辅助件；

在所述辅助件上加工出第二通孔，获取从所述第二通孔中挖出的孔芯，所诉孔芯与所述第一通孔相适应。

可选地，所述辅助件的材料包括金属或石墨。

可选地，所述将所述孔芯和所述第一通孔连接固定，包括：

采用高温胶粘剂将所述孔芯和所述第一通孔连接固定。

可选地，将所述孔芯和所述第一通孔连接固定，还包括：

剔除所述孔芯露在所述第一通孔外的部分；

在所述孔芯和所述待加工工件的连接处形成涂层。

可选地，所述待加工工件的材料包括连续纤维增韧陶瓷基复合材料、短纤维增韧陶瓷基复合材料、晶须增韧陶瓷基复合材料或颗粒增韧陶瓷基复合材料中的至少一种。

(3)有益效果

综上，本发明的陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，通过将与第一通孔相适应的孔芯填充在第一通孔中，以形成盲孔，再将孔芯和第一通孔连接固定。由于第一通孔和孔芯比需要制备的盲孔加工更加方便，所以，第一通孔和孔芯制备的精度更高、废品率更低、加工效率更高，不易形成裂缝等加工缺陷，加工出的盲孔底部形貌平滑，加工出的盲孔空间结构多种多种，可以不受限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法的流程图。

图2是本发明一实施例中待加工工件和工装的连接关系图。

图3是图2中标识部分A处的放大图。

图4是本发明另一实施例中陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法的流程图。

图5是本发明一实施例中陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法中步骤S3的流程图。

图6是本发明一实施例中陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法中步骤S4的流程图。

图7是本发明一实施例中辅助件、第二通孔和孔芯的结构示意图。

图8是本发明一实施例中陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法中步骤S6的流程图。

图9是本发明一实施例中孔芯和第一通孔的连接关系图。

图10是本发明一实施例中第一通卡和孔芯剔除部分后的结构示意图。

图中：

1-待加工工件；2-第一通孔；3-孔芯；4-工装；5-第二通孔；6-盲孔；7-辅助件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

请参照图1至图3，一种陶瓷基复合材料盲孔6结构成型方法，包括：

S1、提供待加工工件1；

S3、在所述待加工工件1的待加工处加工出第一通孔2；

S4、提供与所述第一通孔2相适应的孔芯3；

S5、将所述孔芯3填充在所述第一通孔2中，所述孔芯3和所述第一通孔2形成盲孔6；

S6、将所述孔芯3和所述第一通孔2连接固定。

本实施例陶瓷基复合材料盲孔6结构成型方法中，可以采用激光旋切的方法，在待加工工件1的待加工处加工出第一通孔2。通过将与第一通孔2相适应的孔芯3填充在第一通孔2中，以形成盲孔6，再将孔芯3和第一通孔2连接固定。由于第一通孔2和孔芯3比需要制备的盲孔6加工更加方便，所以，第一通孔2和孔芯3制备的精度更高、废品率更低、加工效率更高，不易形成裂缝等加工缺陷，加工出的盲孔6底部形貌平滑，加工出的盲孔6空间结构多种多种，可以不受限制。如盲孔6可以制成圆孔、方孔或异型孔。若盲孔6为锥形孔，可通过控制旋切路径的宽度对孔芯3径向尺寸进行调控，进而在第一通孔2回填步骤中通过孔芯3与第一通孔2孔壁的贴紧实现孔芯3位置的精确调控，同时可以进一步提高孔芯3与待加工工件1之间的连接强度并具有防止孔芯3脱出。

请参照图4，在一实施例中，所述提供待加工工件1后，还包括：

S2、对所述待加工工件1进行致密化处理。即，在一实施例中，一种陶瓷基复合材料盲孔6结构成型方法，包括：

S1、提供待加工工件1；

S2、对所述待加工工件1进行致密化处理；

S3、在所述待加工工件1的待加工处加工出第一通孔2；

S4、提供与所述第一通孔2相适应的孔芯3；

S5、将所述孔芯3填充在所述第一通孔2中，所述孔芯3和所述第一通孔2形成盲孔6；

S6、将所述孔芯3和所述第一通孔2连接固定。

通过对所述待加工工件1进行致密化处理，使待加工工件1的致密化程度达到其在自身重力作用下形变量不超过工件最终形位公差要求的范围，以保证制孔精度。其中，致密化处理的方法包括先驱体转化法(PIP)，也可以为化学气相沉积法(CVI)、熔渗法(MI)中的至少一种。

请参照图5，在一实施例中，所述在所述待加工工件1的待加工处加工出第一通孔2，包括：

S31、提供工装4；

S32、通过所述工装4将所述待加工工件1固定；

S33、在固定后的待加工工件1的待加工处加工出所述第一通孔2。

其中，工装4采用框梁结构，可实现待加工工件1稳固夹持与精确定位，且在待成型盲孔6背侧区域满足待加工工件1、工装4、加工设备的无干涉状态。其中，

请参照图6和图7，在一实施例中，所述提供与所述第一通孔2相适应的孔芯3，包括：

S41、提供辅助件7；

S42、在所述辅助件7上加工出第二通孔5，获取从所述第二通孔5中挖出的孔芯3，所诉孔芯3与所述第一通孔2相适应。采用激光旋切制孔方式加工出第二通孔5，同时获得孔芯3。第二通孔5也可以采用空心钻、线切割、水切割以及其它能获得孔芯3的的制孔方式制成。其中，激光切割机发射激光切割第二通孔5或第一通孔2时，还可以采用三轴、四轴、五轴或更多轴联动加工，能够加工出结构更加复杂的盲孔6，加工效率更高，加工精度更高。

在一实施例中，所述辅助件7的材料包括金属或石墨，辅助件7的材料也可以和待加工工件1相同。

请参照图8至图10，在一实施例中，所述将所述孔芯3和所述第一通孔2连接固定，包括：

S61、采用高温胶粘剂将所述孔芯3和所述第一通孔2连接固定。

在一实施例中，将所述孔芯3和所述第一通孔2连接固定，还包括：

S62、剔除所述孔芯3露在所述第一通孔2外的部分；

S63、在所述孔芯3和所述待加工工件1的连接处形成涂层8。通过涂层8，使孔芯3和待加工工件1的连接处形成整体，外观整体效果更好。也使待加工工件1及其上的盲孔6更能够满足设计尺寸要求。

在一实施例中，所述待加工工件1的材料包括连续纤维增韧陶瓷基复合材料、短纤维增韧陶瓷基复合材料、晶须增韧陶瓷基复合材料或颗粒增韧陶瓷基复合材料中的至少一种。

基于上述实施例的结合，在一具体的实施例中，所述陶瓷基复合材料盲孔6结构成型方法中，待加工工件1为薄壁圆柱结构，圆柱底面直径为500mm，圆柱高150mm，圆柱上底面中央有直径200mm的开孔，侧面与下底面均为封闭状态，形成半封闭腔体结构。圆柱上底面壁厚为5mm，内侧有圆形盲孔6结构，盲孔6为锥孔，半角30°，盲孔6出口为最大直径10mm，孔深3mm。具体制孔步骤包括：

待加工工件1采用PIP工艺进行致密化，待密度增大到1.6g/cm3后，完成除盲孔6之外的其它结构及型面加工；

工装4为不锈钢制成的框梁结构，包含与多轴数控毫秒激光加工设备工作台面间的连接定位机构以及与待加工工件1间的定位固定机构，可实现待加工工件1稳固加持与精确定位，且在待成型盲孔6背侧区域满足待加工工件1、待加工工件1、加工设备的无干涉状态；然后加工出第一通孔2。

采用毫秒激光旋切制孔方式进行第二通孔5，第二通孔5具有与第一通孔2相同的锥孔特征参数，激光旋切路径为圆形轨迹，激光旋切路径宽度为1.5mm，完成第二通孔5的制备并预留了0.05mm厚的涂层8的厚度余量，同时获得与第二通孔5的孔壁间距为1.5mm的孔芯3；

通孔回填：将孔芯3的侧壁涂覆高温胶黏剂后插入第一通孔2，使孔芯3的侧壁与第一通孔2的孔壁贴紧，实现孔芯3的定位，未被填充的第二通孔5部分形成盲孔6，在100℃烘箱中热处理1小时使高温胶黏剂固化，使孔芯3位置得到固定；

将采用以上步骤获得的盲孔6随待加工工件1完成后续PIP致密化至密度增大到1.9g/cm3，利用碳化硅陶瓷基体使孔芯3与第一通孔2进一步结合，并对盲孔6或第一通孔2背侧型面进行精修即剔除多余的孔芯3部分，最终通过工件表面化学气相沉积(CVD)碳化硅涂层8的制备实现盲孔6结构一体化成型。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，其特征在于，包括：

提供待加工工件；

对所述待加工工件进行致密化处理；

在所述待加工工件的待加工处加工出第一通孔；

提供与所述第一通孔相适应的孔芯；

将所述孔芯填充在所述第一通孔中，所述孔芯和所述第一通孔形成盲孔；

将所述孔芯和所述第一通孔连接固定；

剔除所述孔芯露在所述第一通孔外的部分；

在所述孔芯和所述待加工工件的连接处形成涂层；

其中，所述提供与所述第一通孔相适应的孔芯，包括：

提供辅助件，所述辅助件的材料包括金属或石墨；

在所述辅助件上加工出第二通孔，获取从所述第二通孔中挖出的孔芯，所诉孔芯与所述第一通孔相适应；

所述待加工工件的材料包括连续纤维增韧陶瓷基复合材料、短纤维增韧陶瓷基复合材料、晶须增韧陶瓷基复合材料或颗粒增韧陶瓷基复合材料中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，其特征在于，所述在所述待加工工件的待加工处加工出第一通孔，包括：

提供工装；

通过所述工装将所述待加工工件固定；

在固定后的待加工工件的待加工处加工出所述第一通孔。

3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料盲孔结构成型方法，其特征在于，所述将所述孔芯和所述第一通孔连接固定，包括：

采用高温胶粘剂将所述孔芯和所述第一通孔连接固定。

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