CN114349525B - 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 - Google Patents
具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114349525B CN114349525B CN202111590322.2A CN202111590322A CN114349525B CN 114349525 B CN114349525 B CN 114349525B CN 202111590322 A CN202111590322 A CN 202111590322A CN 114349525 B CN114349525 B CN 114349525B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- outer ring
- ceramic matrix
- matrix composite
- preparing
- turbine outer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 105
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 48
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 45
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 41
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 29
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 29
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 19
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 claims description 19
- DWAWYEUJUWLESO-UHFFFAOYSA-N trichloromethylsilane Chemical compound [SiH3]C(Cl)(Cl)Cl DWAWYEUJUWLESO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 12
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 10
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 7
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 6
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 6
- 238000009941 weaving Methods 0.000 claims description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明涉及一种燃气涡轮发动机涡轮外环制备方法，尤其涉及一种具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法。通过在涡轮外环表面进行锯齿状沟槽加工，增加涂层和基体之间的接触面积，有效提高基体和涂层之间的结合强度。解决了现有涡轮外环构件力学性能差以及抗氧化能力弱的问题，大大提高构件的使用温度以及寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机涡轮外环制备方法，尤其涉及一种具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法。
背景技术
随着军用航空发动机的发展，对航空发动机要求也越来越高，其中，最关键的是提高推重比和燃油效率，使先进航空发动机拥有良好的气路封闭性能。对燃气涡轮发动机来说，提高推重比最关键的是降低重量、提高涡轮前温度，从而对发动机内部构件轻质、高温强度要求越来越高，涡轮外环作为涡轮主要静子件是提高燃油效率的关键，在涡轮外环表面进行可磨耗涂层的制备可以有效调控发动机转子与静子的间隙，提高燃油效率。
目前，涡轮外环所采用的镍基和钴基高温合金材料已经难以满足下一代先进发动机结构减重需求。陶瓷基复合材料作为一种具有低密度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高韧性等各种材料优点的热结构功能一体化材料，被国际公认为是发展先进发动机高温部件最具潜力的材料之一，能够很好地满足涡轮外环构件轻质要求。
当前，陶瓷基复合材料涡轮外环通过对表面进行可磨耗涂层制备来控制径向间隙，但涂层与涡轮外环之间结合力弱，在刮蹭和热震条件下容易脱落。
发明内容
为了克服现有陶瓷基复合材料涡轮外环与涂层结合强度低的缺点，本发明提出一种具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法及通过该方法制备的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环，采用特定方法对陶瓷基复合材料涡轮外环表面进行处理，提高陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层间结合强度，同时在表面处理后，进行SiC沉积，减少表面处理对纤维的损伤，能够更好地满足先进发动机对涡轮外环构件的综合要求。
本发明的技术方案是：
一种具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤1.1、纤维预制体的制备：以碳纤维或碳化硅纤维或两者的结合为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备氮化硼界面层，此沉积过程可能需循环执行2-5次，使得氮化硼界面层达到设定厚度；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，沉积过程可能需循环执行6-10次，以达到设定的密度，得到陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品。
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环半成品表面修饰；
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，按照一定排列顺序在陶瓷基复合材料涡轮外环半成品表面加工设定深度的锯齿槽；
步骤2.2、CVI沉积：在步骤2.1处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上进行可磨耗涂层制备。
进一步地，步骤2.1中，锯齿槽宽度和深度满足函数式H＝0.25W，其中W为相邻齿顶和齿根之间的宽度，H为锯齿槽的深度。
进一步地，锯齿槽的深度为1mm，锯齿槽宽度即相邻齿顶和齿根之间的宽度均为4mm，锯齿槽内的夹角角度在90-120°之间。
进一步地，锯齿槽的倾斜角度为45°，即锯齿槽内的夹角角度为90°。
进一步地，上述步骤2.1中，选用1mm的金刚石片刀在陶瓷基复合材料涡轮外环表面加工锯齿状沟槽。
进一步地，上述步骤1.2中，氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为50-1000Pa，升温至650-1000℃，保温1-2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积15-35h后继续保温2h，降温至室温。
进一步地，纤维预制体表面的氮化硼界面层厚度为250-650nm。
进一步地，上述步骤1.3中，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为200-5000Pa，升温至900-1200℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶5-15∶10-20，沉积30-80h后继续保温2h，降温至室温。
进一步地，上述步骤3中，可磨耗涂层为将BSAS和PHB，按照一定体积比进行混合后，采用等离子喷涂方法进行涂层制备，可磨耗涂层的厚度一般为1.2mm。
进一步地，上述步骤1.2中，氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为500Pa，升温至650℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积30h后继续保温2h，降温至室温；上述步骤1.3中，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为350Pa，升温至1000℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶15∶20，沉积80h后继续保温2h，降温至室温。
本发明还提供一种通过上述制备方法制备的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环。
本发明所具有的优点和有益效果是：
1、本发明提供了一种陶瓷基复合材料涡轮外环表面处理方法，通过在涡轮外环表面进行锯齿状沟槽加工，增加涂层和基体之间的接触面积，有效提高基体和涂层之间的结合强度。
2、本发明所提出的在锯齿状沟槽加工后进行SiC沉积的方法，可以有效的减少对纤维的损伤，提高涡轮外环使用效率以及燃油效率，涡轮外环长时耐温性由1200℃提升至1350℃。
3、本发明通过在陶瓷基复合材料涡轮外环表面加工不同尺寸的锯齿状沟槽，研究锯齿状沟槽相关参数与结合强度之间的关系，最终确定锯齿状沟槽的深度、宽度、排布及倾斜角度等为主要影响因素。并通过大量试验研究，最终确定了较优参数，进一步提高陶瓷基复合材料涡轮外环表面与可磨耗涂层之间的结合强度。
4、本发明通过在陶瓷基涡轮外环上进行单向锯齿槽修饰后可以大大的增加可磨耗涂层与基体之间的接触面积，锯齿状可以保证涂层与基体处于相扣状态，有效提高基体的结合强度，同时与其他结构形式的凹槽相比较可以大大降低成本费用，降低操作难度。
附图说明
图1为本发明陶瓷基复合材料涡轮外环表面锯齿状沟槽加工示意图；
图2为本发明陶瓷基复合材料涡轮外环表面锯齿状沟槽加工过程示意图；
图3为本发明的未做表面处理和已做表面处理的陶瓷基复合材料涡轮外环结合强度对比图；其中a为未做表面处理，b为已做表面处理。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；下述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售。
实施例1
本实施例通过下述方法制备具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环
步骤1.1、纤维预制体的制备：以第三代碳化硅纤维为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用二维编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备厚度为450nm的氮化硼界面层。氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为500Pa，升温至650℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积30h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行2次；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为350Pa，升温至1000℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶15∶20，沉积80h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行6次，得到陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环表面修饰；
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，选用1mm厚的45°金刚石片刀按照一定排列顺序在涡轮外环表面均匀加工深度为1mm的锯齿槽，相邻齿顶和齿根之间的宽度均为4mm。具体加工时，如图2，从A点沿涡轮外环纬向方向按照数控程序采用螺旋加工的方式加工直至到涡轮外环B点，完成1/2锯齿槽的加工，再从B点按照数控程序加工至C点，完成另外1/2锯齿槽的加工，循环上述步骤，直至涡轮外环表面加工出满足数量要求的锯齿槽。锯齿槽内的夹角角度范围需控制在90-120°之间，在该范围之内陶瓷基复合材料涡轮外环基体与涂层之间接触面积最大，可以保证齿型的完整，从而可以达到最大的结合力，锯齿槽内的夹角角度优选90°，即锯齿槽的倾斜角度为45°。
步骤2.2、CVI沉积：在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的密度为2.5g/cm3的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上通过等离子喷涂方法进行可磨耗涂层制备，厚度约为1.2mm，可磨耗涂层体系是BSAS和PHB。
通过万能材料试验机检测本实施例陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层之间的结合力，从图3可以看出，涡轮外环的结合强度由未进行表面处理的3.313MPa提高到表面浅孔加工的9.970MPa。可见通过本实施例的陶瓷基复合材料涡轮外环表面处理方法，可以大大提高基体与可磨耗涂层之间的结合力，获得力学性能以及抗氧化性能较好的涡轮外环。
实施例2
本实施例通过下述方法制备具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环
步骤1.1、纤维预制体的制备：以碳纤维和碳化硅纤维为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用二维编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备厚度为650nm的氮化硼界面层。氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为50Pa，升温至1000℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积35h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行2次；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为5000Pa，升温至900℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶5∶20，沉积30h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行6次，得到陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环表面修饰
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，选用1mm厚的45°金刚石片刀按照一定排列顺序在涡轮外环表面均匀加工深度为1mm的锯齿槽，相邻齿顶和齿根之间的宽度均为4mm。具体加工方法与实施例1相同。锯齿槽的角度范围需控制在90-120°之间，在该范围之内陶瓷基复合材料涡轮外环基体与涂层之间接触面积最大，可以保证齿型的完整，从而可以达到最大的结合力。在其他实施例中，锯齿槽宽度和深度也可以是满足函数式H＝0.25W的其他数值，其中W为相邻齿顶和齿根之间的宽度，H为锯齿槽的深度。
步骤2.2、CVI沉积：在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的密度为2.6g/cm3的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上通过等离子喷涂方法进行可磨耗涂层制备，可磨耗涂层体系是BSAS和PHB。
通过万能材料试验机检测本实施例陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层之间的结合力，涡轮外环的结合强度由未进行表面处理的3.313MPa提高到表面浅孔加工的9.956MPa。可见通过本实施例的陶瓷基复合材料涡轮外环表面处理方法，可以大大提高基体与可磨耗涂层之间的结合力，获得力学性能以及抗氧化性能较好的涡轮外环。
实施例3
本实施例通过下述方法制备具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环
步骤1.1、纤维预制体的制备：以第三代碳化硅纤维为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用二维编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备厚度为250nm的氮化硼界面层。氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为1000Pa，升温至800℃，保温1h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积15h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行2次；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为200Pa，升温至1200℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶15∶10，沉积50h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行6次，得到陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环表面修饰；
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，选用1mm厚的45°金刚石片刀按照一定排列顺序在涡轮外环表面均匀加工深度为1mm的锯齿槽，相邻齿顶和齿根之间的宽度均为4mm。具体加工方法与实施例1相同。锯齿槽的角度范围需控制在90-120°之间，在该范围之内陶瓷基复合材料涡轮外环基体与涂层之间接触面积最大，可以保证齿型的完整，从而可以达到最大的结合力。
步骤2.2、CVI沉积：在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的密度为2.5g/cm3的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上通过等离子喷涂方法进行可磨耗涂层制备，可磨耗涂层体系是BSAS和PHB。
通过万能材料试验机检测本实施例陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层之间的结合力，涡轮外环的结合强度由未进行表面处理的3.313MPa提高到表面浅孔加工的9.959MPa。可见通过本实施例的陶瓷基复合材料涡轮外环表面处理方法，可以大大提高基体与可磨耗涂层之间的结合力，获得力学性能以及抗氧化性能较好的涡轮外环。
对比例1
本对比例通过下述方法制备陶瓷基复合材料涡轮外环，与实施例1不同的是，锯齿槽的各个参数不同：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环
步骤1.1、纤维预制体的制备：以第三代碳化硅纤维为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用二维编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备氮化硼界面层。氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为500Pa，升温至650℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积30h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行2次；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为350Pa，升温至1000℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶15∶20，沉积80h后继续保温2h，降温至室温。此步骤重复执行6次，得到陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环表面修饰；
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，选用金刚石片刀按照一定排列顺序在涡轮外环表面均匀加工深度为0.5mm的锯齿槽，锯齿槽的倾斜角度为30°；锯齿槽内的夹角角度为60°；
步骤2.2、CVI沉积：在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的密度为2.5g/cm3的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上通过等离子喷涂方法进行可磨耗涂层制备，可磨耗涂层体系是BSAS和PHB。
通过万能材料试验机检测本对比例陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层之间的结合力，涡轮外环的结合强度由未进行表面处理的3.313MPa提高到表面锯齿槽加工的6.822MPa。相对于上述实施例，结合力强度提高量较小。
对比例2
本对比例于对比例1不同的是：锯齿槽的各个参数不同；
具体步骤2.1锯齿槽的加工过程为：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，选用金刚石片刀按照一定排列顺序在涡轮外环表面均匀加工深度为1.5mm的锯齿槽，锯齿槽的倾斜角度为130°。
通过万能材料试验机检测本对比例陶瓷基复合材料涡轮外环与可磨耗涂层之间的结合力，涡轮外环的结合强度由未进行表面处理的3.313MPa提高到表面浅孔加工的6.663MPa。相对于上述实施例，结合力强度提高量也较小。
Claims (10)
1.一种具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤1.1、纤维预制体的制备：以碳纤维或碳化硅纤维或两者的结合为原材料，按照涡轮外环的结构与形状尺寸，采用编织方法得到纤维预制体；
步骤1.2、界面层的制备：将夹持有纤维预制体的石墨模具放置在氮化硼化学气相沉积炉内，在纤维预制体表面制备设定厚度的氮化硼界面层；
步骤1.3、陶瓷基体的制备：将步骤1.2中沉积完氮化硼界面层的纤维预制体和石墨模具一起放置于碳化硅化学气相沉积炉内，制备碳化硅陶瓷基体，得到密度符合要求的陶瓷基复合材料涡轮外环坯料；
步骤1.4、机械加工：按照设计图纸，对陶瓷基复合材料涡轮外环坯料进行机械加工至所需尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮外环半成品；
步骤2、陶瓷基复合材料涡轮外环半成品表面修饰；
步骤2.1、锯齿状槽的加工：将上述陶瓷基复合材料涡轮外环半成品固定在定位工装上，按照一定顺序在陶瓷基复合材料涡轮外环半成品表面加工设定深度及宽度的锯齿槽；锯齿槽宽度和深度满足函数式H＝0.25W，其中W为相邻齿顶和齿根之间的宽度，H为锯齿槽的深度；锯齿槽内的夹角角度在90-120°之间；
步骤2.2、CVI沉积：在步骤2.1处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环基体上沉积SiC基体，得到表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环；
步骤3、可磨耗涂层制备
在表面处理后的陶瓷基复合材料涡轮外环上进行可磨耗涂层制备。
2.根据权利要求1所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：锯齿槽的深度为1mm，锯齿槽宽度为4mm。
3.根据权利要求2所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：锯齿槽内的夹角角度为90°。
4.根据权利要求3所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：所述步骤2.1中，选用1mm的金刚石片刀在陶瓷基复合材料涡轮外环表面加工锯齿槽。
5.根据权利要求1-4任一所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：所述步骤1.2中，氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为50-1000Pa，升温至650-1000℃，保温1-2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积15-35h后继续保温2h，降温至室温。
6.根据权利要求5所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：纤维预制体表面的氮化硼界面层厚度为250-650nm。
7.根据权利要求6所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：所述步骤1.3中，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为200-5000Pa，升温至900-1200℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶5-15∶10-20，沉积30-80h后继续保温2h，降温至室温。
8.根据权利要求7所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：所述步骤3中，通过将BSAS和PHB，按照设定体积比进行混合后，采用等离子喷涂方法进行可磨耗涂层制备。
9.根据权利要求8所述的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环制备方法，其特征在于：
所述步骤1.2中，氮化硼界面层的制备工艺参数为：炉体内压力为500Pa，升温至650℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气以及三氯化硼气体，沉积30h后继续保温2h，降温至室温；
所述步骤1.3中，碳化硅陶瓷基体的制备工艺参数为：炉体内压力为350Pa，升温至1000℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶15∶20，沉积80h后继续保温2h，降温至室温。
10.一种通过权利要求1-9任一所述制备方法制备的具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111590322.2A CN114349525B (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111590322.2A CN114349525B (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114349525A CN114349525A (zh) | 2022-04-15 |
| CN114349525B true CN114349525B (zh) | 2023-03-24 |
Family
ID=81101627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111590322.2A Active CN114349525B (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114349525B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114990467B (zh) * | 2022-05-09 | 2023-09-01 | 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 | 一种涡轮外环涂层制备工装及其使用方法 |
| CN114876584B (zh) * | 2022-05-12 | 2023-05-05 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种“错齿型”涡轮外环连接结构 |
| CN115340410A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-11-15 | 武汉理工大学 | 一种用于碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料表面的陶瓷基封严涂层及其制备方法和应用 |
| CN116023149A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-28 | 西安鑫垚陶瓷复合材料股份有限公司 | 一种可用于1300℃长寿命服役的航空发动机涡轮导向叶片及其制备方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7549840B2 (en) * | 2005-06-17 | 2009-06-23 | General Electric Company | Through thickness reinforcement of SiC/SiC CMC's through in-situ matrix plugs manufactured using fugitive fibers |
| CN104553135A (zh) * | 2015-01-28 | 2015-04-29 | 平湖市凯丰机械制造厂 | 高强度钢基铜合金滑板 |
| CN106402420B (zh) * | 2016-10-10 | 2019-03-22 | 华东理工大学 | 耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯及其制造方法 |
| CN109437975B (zh) * | 2018-09-29 | 2021-06-29 | 中国人民解放军第五七一九工厂 | 一种耐高温高韧性的SiCf/SiC复合材料预制体复合界面层及其制备方法 |
| CN111018534A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-17 | 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料构件的制备方法及构件 |
| CN211874403U (zh) * | 2019-12-27 | 2020-11-06 | 苏州思珀利尔工业技术有限公司 | 耐腐蚀冲蚀的聚晶金刚石复合片 |
| FR3107905B1 (fr) * | 2020-03-03 | 2022-01-28 | Safran Ceram | Procédé de revêtement d’une pièce en matériau composite à matrice céramique par une barrière environnementale |
| CN113173791B (zh) * | 2021-03-26 | 2022-07-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种SiC纤维增强复合材料用SiBCN界面涂层及制备方法和应用 |
-
2021
- 2021-12-23 CN CN202111590322.2A patent/CN114349525B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114349525A (zh) | 2022-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114349525B (zh) | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 | |
| CN104507677B (zh) | 用于航空器燃气涡轮发动机的陶瓷中心体及制造方法 | |
| US7718280B2 (en) | Method for the treatment of the tip of a turbine blade and a turbine blade treated with a method such as this | |
| US10465534B2 (en) | Machinable CMC insert | |
| CN114315396B (zh) | 具有可磨耗涂层的陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 | |
| US10458653B2 (en) | Machinable CMC insert | |
| US9581035B2 (en) | Turbine nozzle components having reduced flow areas | |
| US9322100B2 (en) | Method for manufacturing an abrasive coating on a gas turbine component | |
| EP1826362A2 (en) | Manufacture of CMC articles having small complex features | |
| EP2939783B1 (en) | Abrasive sheathing | |
| US10995623B2 (en) | Ceramic matrix composite turbine blade with abrasive tip | |
| CA3016646C (en) | Ceramic matrix composite articles | |
| EP3055509B1 (en) | Ceramic matrix composite gas turbine blade with monolithic ceramic platform and dovetail | |
| JP2015537139A (ja) | ガスタービンエンジン用のロータ−ステータアセンブリ | |
| US20160356497A1 (en) | Machinable cmc insert | |
| US10472976B2 (en) | Machinable CMC insert | |
| CN114014680A (zh) | 一种陶瓷基复合材料涡轮外环及其制备方法 | |
| US11312664B2 (en) | Ceramic heat shields having a reaction coating | |
| US10843271B2 (en) | Method for manufacturing a turbine shroud for a turbomachine | |
| US10533439B2 (en) | Gas turbine engine component with abrasive surface formed by electrical discharge machining | |
| EP4355982A1 (fr) | Revetement abradable a structure nid d'abeilles en materiau composite a matrice ceramique en fibres courtes | |
| US11873571B2 (en) | Method for coating a component | |
| KR20230125082A (ko) | 특히 가스 터빈 블레이드를 위한 연마 코팅으로서, 고온 능력을 갖는 예비 소결된 예비 성형품 | |
| FR3118095A1 (fr) | Talon d'aube mobile en materiau composite a matrice ceramique en fibres courtes | |
| CN111322125A (zh) | 用于改善表面光洁度的涂层 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 710117 West Section 912 of Biyuan Road, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Xinyao Ceramic Composite Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 710117 West Section 912 of Biyuan Road, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province Patentee before: XI'AN GOLDEN MOUNTAIN CERAMIC COMPOSITES CO.,LTD. Country or region before: China |