CN114484506B - 用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具及制备方法，以解决现有技术制备的陶瓷基复合材料火焰筒致密性差，且针对单头部火焰筒的完整制备的工艺较复杂的技术问题。该定型模具包括与单头部火焰筒的内侧面相适配的内模定型模具、与缠绕纤维布的内模定型模具相适配的多个外模扇形段组成的外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具；内模定型模具和外模定型模具设置有相对应的通气孔。该制备方法包括：1、编织纤维布；2、制备纤维预制体；3、制备界面层；4、制备碳化硅层；5、去除定型模具，进行机械加工，制备单头部火焰筒半成品；6、同质连接；7、致密化处理得到目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒。

Description

用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具及制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型制备方法，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具及陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法。
背景技术
航空发动机燃烧室包含进气装置、壳体、火焰筒、喷嘴和点火器等装置，火焰筒是燃烧室中包容主燃气流的核心部件，受高热环境和气流作用侵蚀最为严重。陶瓷基复合材料具有密度低(2.2～3.0g/cm3)、耐腐蚀、强韧性高、耐热温度高(1150～1350℃)等优势，陶瓷基复合材料密度仅为高温合金的1/3～1/4、耐热温度比高温合金高150～350℃、耐酸碱腐蚀、强韧性高；同时，陶瓷基复合材料在高温燃气环境中反应所生成的氧化物保护膜能够封堵材料表面的裂纹和孔隙，阻止外界氧向材料内部扩散，从而保证构件的高温稳定性和长时使用寿命。因此，采用陶瓷基复合材料制备新一代航空发动机火焰筒已成为必然趋势。
公告号为CN106966738A的中国专利公开了一种自愈合陶瓷基复合材料燃烧室火焰筒的制备方法，该方法采用化学气相沉积+先驱体浸渍裂解技术(CVI+PIP)制备陶瓷基复合材料火焰筒。该专利采用的先驱体浸渍裂解技术对材料的致密化程度较低，易造成材料内部组织疏松从而降低火焰筒的力学性能且该专利仅从陶瓷基复合材料火焰筒材料制备角度论述，并未从工艺实现角度明确复杂构型的单头部火焰筒的具体成型过程。
如图1所示为单头部火焰筒结构示意图；单头部火焰筒的筒体为一体式回转体，由内至外包括三层，分别为内部纤维层、界面层和外部碳化硅基层；单头部火焰筒本体的筒壁上设有呈阵列排布的气膜孔02，且一端筒壁上设有多个用于与发动机相应零件连接的装配孔01和注入发动机燃油的电嘴壶部件03，电嘴壶部件03通过碳化硅销钉04。但是，针对单头部火焰筒的结构，制备完整的陶瓷基复合材料单头部火焰筒的工艺较为复杂。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术制备的陶瓷基复合材料单头部火焰筒致密性差，材料内部组织疏松，且针对单头部火焰筒的完整制备的工艺较复杂的技术问题，提出一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具及制备方法。
本发明的技术方案为：
一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，其特殊之处在于：
包括内模定型模具、外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具；
所述内模定型模具的外侧面与所述陶瓷基复合材料单头部火焰筒的内侧面相适配，所述内模定型模具的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1-1.8倍，内模定型模具侧面设置有多个内模通气孔；所述内模定型模具的外侧用于缠绕纤维布；
所述外模定型模具的外侧面与缠绕纤维布的内模定型模具的外侧面相适配，所述外模定型模具包括多个外模扇形段，所述外模扇形段的上端设置有沿径向向外凸出的上边沿，下端设置有沿径向向外凸出的下边沿，所述上边沿上设置有至少一个轴向第一螺纹孔，用于与校型定型模具连接，下边沿设置有至少一个轴向第二螺纹孔，用于与底盘定型模具连接；
所述外模定型模具的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1-1.6倍，外模定型模具设置有多个与内模通气孔相对应的外模通气孔；
所述底盘定型模具包括第一圆环，所述第一圆环沿周向设置多个与第二螺纹孔对应的第三螺纹孔；所述第一圆环内径与缠绕纤维布的内模定型模具下段外侧相适配；
所述校型定型模具包括设置在中心的第二圆环和固定在第二圆环上且沿第二圆环径向均布的多个固定杆，所述固定杆具有与第一螺纹孔相对应的第四螺纹孔。
进一步地，所述上边沿和下边沿均在周向延伸方向的两端设置有向上的凸台，所述凸台上设置有通孔，所述通孔用于紧固相邻的外模扇形段。
进一步地，所述内模定型模具和外模定型模具的壁厚为4-20mm；
所述内模通气孔和外模通气孔的直径为4-12mm。
本发明还提供一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特殊之处在于，基于上述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，具有以下步骤：
S1、采用纤维束编织纤维布，同时制备内模定型模具、外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具；
S2、制备内模定型模具、外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具，将步骤1中的纤维布均匀缠绕在内模定型模具的外侧面，缠绕厚度为目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒设计厚度的1～1.9倍；采用纤维束通过内模通气孔对纤维布进行对穿缝制，将缠绕纤维布的内模定型模具下端插入底盘定型模具的第一圆环内，再与外模定型模具和校型定型模具合模，制备得纤维预制体；
S3、采用化学气相沉积在纤维预制体上制备界面层；
S4、采用熔融渗硅工艺，在界面层表面制备碳化硅基层；
S5、去除内模定型模具、外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料；
S6、按照目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的形状和大小，对陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料进行加工，并采用激光制孔方式在陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料侧壁上制备气膜孔和电嘴壶孔，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品；
S7、通过碳化硅销钉，将目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的电嘴壶部件与电嘴壶孔连接，再将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品按照步骤S4相同的方式制备碳化硅层，使电嘴壶部件与陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品同质连接；
S8、采用热处理方式对连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品进行致密化处理，得到目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒。
进一步地，步骤S1中所述编织纤维布的原料为碳纤维束，相对应的，步骤S3中所述采用化学气相沉积制备的界面层为热解碳界面层；
或步骤S1中所述编织纤维布的原料为碳化硅纤维束，相对应的，步骤S3中所述采用化学气相沉积制备的界面层为氮化硼界面层。
进一步地，所述热解碳界面层制备工艺为：将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为50-1000Pa条件下升温至400-650℃，保温1-2h后，依次通入丙烯、氩气，丙烯流量3-8L/min，氩气流量5-20L/min，沉积20-50h后继续保温2h，降温至室温；以上制备过程循环执行1-4次；
所述氮化硼界面层的制备工艺为：将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为50-1000Pa条件下升温至650-1000℃，保温1-2h后，依次通入氩气、氢气、氨气及三氯化硼气体，氩气流量0.3-1.4L/min，氢气流量0.1-1.3L/min，氨气流量0.1-1.2L/min，三氯化硼流量0.1-1.2L/min，沉积10-60h后继续保温2h，降温至室温；以上制备过程循环执行1-4次。
进一步地，步骤S4中，采用熔融渗硅工艺，在界面层表面制备碳化硅基层具体为：
S4.1、按照质量百分比，硅粉：碳化硅粉＝(3～7)：(7～3)，将硅粉和碳化硅粉混合均匀；
S4.2、将带有界面层的纤维预制体放入坩埚内，采用混合后的硅粉和碳化硅粉将带有界面层的纤维预制体完全覆盖压实，放置于高温炉内并升温至1400-1500℃，保温1-2h，继续升温至1500-1600℃，保温1-2h，继续升温至1600-1700℃，保温1-2h后随炉冷却；
步骤S4中，在界面层表面制备碳化硅层，重复步骤S4.1和S4.2进行1-3次；
步骤S7中，在连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品外侧面制备碳化硅层，重复步骤S4.1和S4.2进行1-2次。
进一步地，步骤S8中，采用热处理方式具体为：将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品放置于高温炉内升温至1600-1800℃，保温2-3h后随炉冷却。
进一步地，步骤S2中，所述制备内模定型模具、外模定型模具、底盘定型模具和校型定型模具材料为电极石墨或高纯石墨。
进一步地，步骤S8中，所述目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的陶瓷基复合材料中，碳纤维或碳化硅纤维的体积分数为42-48％；
所述陶瓷基复合材料气孔率为5-9％。
本发明的有益效果：
1、陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具采用一体化的内膜定型模具，方便缠绕纤维布以制备完整的纤维预制体，采用分段式的外膜定型模具方便合膜时进行调整和拆除时方便操作。
2、通过在内膜定型模具上缠绕并缝制制备纤维预制体，化学气相沉积制备界面层，再采用熔融渗硅工艺制备碳化硅基层，通过将单头部火焰筒的部件与单头部火焰筒的半成品同质连接后进行高温热处理，制备出耐高温性能好、致密性能好的陶瓷基复合材料单头部火焰筒，该定型工艺简单、制备效率高。
3、电嘴壶部件与陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品之间为同质连接，这种连接方式使电嘴壶部件及其连接处具有足够的强度和刚性，及良好的冷却和可靠的热补偿，同时能减小热应力作用，实现连接处的热膨胀匹配，结构简单，具有良好的实用性，减少维修频率。
附图说明
图1为现有陶瓷基复合材料单头部火焰筒结构示意图；
图2为本发明实施例中底盘定型模具结构示意图；
图3为本发明实施例中内模定型模具结构示意图(图中未示出内模通气孔)；
图4为本发明实施例中外模扇形段结构示意图(图中未示出外模通气孔)；
图5为本发明实施例中校型定型模具结构示意图；
图6为本发明实施例中陶瓷基复合材料单头部火焰筒定型模具合模后结构示意图；
图7为本发明陶瓷基复合材料单头部火焰筒制备方法流程示意图。
附图标记如下：
01-装配孔，02-气膜孔，03-电嘴壶部件，04-碳化硅销钉；
1-底盘定型模具，11-第三螺纹孔，2-内模定型模具，3-外模扇形段，31-第一螺纹孔，32-上边沿，33-第二螺纹孔，34-下边沿，4-校型定型模具，41-第二圆环，42-固定杆，43-第四螺纹孔。
具体实施方式
参见图7，本实施例提供一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其主要流程包括：
S1、采用纤维束编织纤维布：以每束1000根单丝的碳化硅纤维束为原材料，采用二维平纹编织、二维缎纹编织或单向铺层的方式制备成纤维布，当采用单向铺层方式制备的纤维布时可以与酚醛树脂等材料一起制备为单向纤维预浸布，单层纤维布的厚度为0.25mm。
同时，采用电极石墨或高纯石墨制备内模定型模具2、外模定型模具、底盘定型模具1和校型定型模具4，具体结构为，参见图3，内模定型模具2的外侧面与陶瓷基复合材料单头部火焰筒的内侧面相适配，内模定型模具2的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1.2倍，内膜定型模具的壁厚为6mm；内模定型模具2侧面设置有多个内模通气孔(图中未示出)，内模通气孔的直径为8mm；内模定型模具2的外侧缠绕纤维布，缠绕厚度为目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒壁厚的1.15倍。
参见图4，外模定型模具的内侧面与缠绕纤维布的内模定型模具2的外侧面相适配，外模定型模具包括四个外模扇形段3，外模扇形段3的上端设置有沿径向向外凸出的上边沿32，下端设置有沿径向向外凸出的下边沿34，上边沿32上设置有一个轴向第一螺纹孔31，用于与校型定型模具4连接，下边沿34设置有一个轴向第二螺纹孔33，用于与底盘定型模具1连接；上边沿32和下边沿34均在周向延伸方向的两端设置有向上的凸台，凸台上设置有通孔，通孔用于紧固相邻的外模扇形段3。
外模定型模具的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1.12倍，外膜定型模具的壁厚为9mm；外模定型模具设置有多个与内模通气孔相对应的外模通气孔，外模通气孔的直径为8mm。
参见图2，底盘定型模具1包括第一圆环，第一圆环沿周向设置四个与第二螺纹孔33对应的第三螺纹孔11；第一圆环内径与缠绕纤维布的内模定型模具2下段外侧相适配。
参见图5，校型定型模具4包括设置在中心的第二圆环41和固定在第二圆环41上且沿第二圆环41径向均布的四个固定杆42，固定杆42具有与第一螺纹孔31相对应的第四螺纹孔43；第二圆环41的外侧设置有与四个固定杆42相交的加固环。
S2、将步骤1中的纤维布均匀缠绕在内模定型模具2的外侧面，缠绕厚度为目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒设计厚度的1.15倍；采用纤维束通过内模通气孔对纤维布进行对穿缝制，将缠绕纤维布的内模定型模具2下端插入底盘定型模具1的第一圆环内，再采用高纯石墨螺栓/螺母连接件，与外模定型模具和校型定型模具4合模，参见图6，缝制后的缠绕纤维布即为纤维预制体。
S3、采用化学气相沉积在纤维预制体上制备氮化硼界面层；具体的，将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为500Pa条件下，升温至650℃，保温2h后，依次通入氩气、氢气、氨气及三氯化硼气体，氩气流量0.4L/min，氢气流量0.6L/min，氨气流量0.6L/min，三氯化硼流量0.6L/min，沉积40h后继续保温2h，降温至室温；将上述工艺过程重复两次即可。
可以理解的是，当采用碳纤维束编织纤维布时，制备的界面层为热解碳界面层，具体的制备工艺为：将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为50-1000Pa条件下升温至400-650℃，保温1-2h后，依次通入丙烯、氩气，丙烯流量3-8L/min，氩气流量5-20L/min，沉积20-50h后继续保温2h，降温至室温。
S4、采用熔融渗硅工艺，在界面层表面制备碳化硅基层；
具体为，S4.1、按照质量百分比，硅粉：碳化硅粉＝4:6，将硅粉和碳化硅粉混合均匀。
S4.2、将带有界面层的纤维预制体放入坩埚内，采用混合后的硅粉和碳化硅粉将带有界面层的纤维预制体完全覆盖压实，放置于高温炉内并升温至1450℃，保温1h，继续升温至1580℃，保温1h，继续升温至1650℃，保温1h后随炉冷却；步骤S4.1和S4.2循环执行两次。
在其他实施例中，也可以采用质量百分比为硅粉：碳化硅粉＝3:7或采用硅粉：碳化硅粉＝7:3的比例进行混合，同样可以实现碳化硅基层的制备。
S5、去除内模定型模具2、外模定型模具、底盘定型模具1和校型定型模具4，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料；
S6、按照目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的形状和大小，对陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料进行加工，并采用飞秒激光制孔方式在陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料侧壁上制备气膜孔和电嘴壶孔，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品；
S7、通过碳化硅销钉，将目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的电嘴壶部件与电嘴壶孔连接，再将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品按照步骤S4相同的方式制备碳化硅层，使电嘴壶部件与陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品实现同质连接；
S8、采用高温热处理方式对连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品进行致密化处理，得到目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒。具体的，高温热处理方式为：将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品放置于高温炉内升温至1680℃，保温2.5h后随炉冷却。
采用上述工艺制备得到的陶瓷基复合材料中碳纤维或碳化硅纤维的体积分数为46％；陶瓷基复合材料气孔率为6.5％；获得的陶瓷基复合材料单头部火焰筒壁厚为3.2mm，密度为2.57g/cm3，耐温性为1350℃，拉伸强度为335MPa。
密度检测执行标准为：GB/T 2997-2000精细陶瓷密度和显气孔率试验方法；
耐高温性能检测标准为：Q/AVIC 06185.4-2015连续纤维增强陶瓷基复合材料高温力学性能试验方法第4部分：层间剪切性能试验方法；
拉伸强度测定标准为：Q/AVIC 06185.1-2015连续纤维增强陶瓷基复合材料高温力学性能试验方法第1部分。

Claims (10)

1.一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，其特征在于：
包括内模定型模具(2)、外模定型模具、底盘定型模具(1)和校型定型模具(4)；
所述内模定型模具(2)的外侧面与所述陶瓷基复合材料单头部火焰筒的内侧面相适配，所述内模定型模具(2)的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1-1.8倍，内模定型模具(2)侧面设置有多个内模通气孔；所述内模定型模具(2)的外侧用于缠绕纤维布；
所述外模定型模具的内侧面与缠绕纤维布的内模定型模具(2)的外侧面相适配，所述外模定型模具包括多个外模扇形段(3)，所述外模扇形段(3)的上端设置有沿径向向外凸出的上边沿(32)，下端设置有沿径向向外凸出的下边沿(34)，所述上边沿(32)上设置有至少一个轴向第一螺纹孔(31)，用于与校型定型模具(4)连接，下边沿(34)设置有至少一个轴向第二螺纹孔(33)，用于与底盘定型模具(1)连接；
所述外模定型模具的轴向高度为陶瓷基复合材料单头部火焰筒的轴向高度的1-1.6倍，外模定型模具设置有多个与内模通气孔相对应的外模通气孔；
所述底盘定型模具(1)包括第一圆环，所述第一圆环沿周向设置多个与第二螺纹孔(33)对应的第三螺纹孔(11)；所述第一圆环内径与缠绕纤维布的内模定型模具(2)下段外侧相适配；
所述校型定型模具(4)包括设置在中心的第二圆环(41)和固定在第二圆环(41)上且沿第二圆环(41)径向均布的多个与外模扇形段(3)数量相同的固定杆(42)，每个所述固定杆(42)具有与第一螺纹孔(31)相对应的第四螺纹孔(43)。
2.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，其特征在于：
所述上边沿(32)和下边沿(34)均在周向延伸方向的两端设置有向上的凸台，所述凸台上设置有通孔，所述通孔用于紧固相邻的外模扇形段(3)。
3.根据权利要求1或2所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，其特征在于：
所述内模定型模具(2)和外模定型模具的壁厚为4-20mm；
所述内模通气孔和外模通气孔的直径为4-12mm。
4.一种用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的定型模具，具有以下步骤：
S1、采用纤维束编织纤维布，同时制备内模定型模具(2)、外模定型模具、底盘定型模具(1)和校型定型模具(4)；
S2、将步骤1中的纤维布均匀缠绕在内模定型模具(2)的外侧面，缠绕厚度为目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒设计厚度的1～1.9倍；采用纤维束通过内模通气孔对纤维布进行对穿缝制，将缠绕纤维布的内模定型模具(2)下端插入底盘定型模具(1)的第一圆环内，再与外模定型模具和校型定型模具(4)合模，制备得纤维预制体；
S3、采用化学气相沉积在纤维预制体上制备界面层；
S4、采用熔融渗硅工艺，在界面层表面制备碳化硅基层；
S5、去除内模定型模具(2)、外模定型模具、底盘定型模具(1)和校型定型模具(4)，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料；
S6、按照目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的形状和大小，对陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料进行加工，并采用激光制孔方式在陶瓷基复合材料单头部火焰筒坯料侧壁上制备气膜孔和电嘴壶孔，得陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品；
S7、通过碳化硅销钉，将目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的电嘴壶部件与电嘴壶孔连接，再将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品按照步骤S4相同的方式制备碳化硅层，使电嘴壶部件与陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品同质连接；
S8、采用热处理方式对连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品进行致密化处理，得到目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒。
5.根据权利要求4所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于：
步骤S1中所述编织纤维布的原料为碳纤维束，相对应的，步骤S3中所述采用化学气相沉积制备的界面层为热解碳界面层；
或步骤S1中所述编织纤维布的原料为碳化硅纤维束，相对应的，步骤S3中所述采用化学气相沉积制备的界面层为氮化硼界面层。
6.根据权利要求5所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于：
所述热解碳界面层制备工艺为：将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为50-1000Pa条件下升温至400-650℃，保温1-2h后，依次通入丙烯、氩气，丙烯流量3-8L/min，氩气流量5-20L/min，沉积20-50h后继续保温2h，降温至室温；以上制备过程循环执行1-4次；
所述氮化硼界面层的制备工艺为：将纤维预制体置于化学气相沉积设备中，在压力为50-1000Pa条件下升温至650-1000℃，保温1-2h后，依次通入氩气、氢气、氨气及三氯化硼气体，氩气流量0.3-1.4L/min，氢气流量0.1-1.3L/min，氨气流量0.1-1.2L/min，三氯化硼流量0.1-1.2L/min，沉积10-60h后继续保温2h，降温至室温；以上制备过程循环执行1-4次。
7.根据权利要求4-6任一所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于，步骤S4中，采用熔融渗硅工艺，在界面层表面制备碳化硅基层具体为：
S4.1、按照质量百分比，硅粉：碳化硅粉＝(3～7)：(7～3)，将硅粉和碳化硅粉混合均匀；
S4.2、将带有界面层的纤维预制体放入坩埚内，采用混合后的硅粉和碳化硅粉将带有界面层的纤维预制体完全覆盖压实，放置于高温炉内并升温至1400-1500℃，保温1-2h，继续升温至1500-1600℃，保温1-2h，继续升温至1600-1700℃，保温1-2h后随炉冷却；
步骤S4中，在界面层表面制备碳化硅基层，重复步骤S4.1和S4.2进行1-3次；
步骤S7中，在连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品外侧面制备碳化硅层，重复步骤S4.1和S4.2进行1-2次。
8.根据权利要求7所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于：
步骤S8中，采用热处理方式具体为：将连接电嘴壶部件的陶瓷基复合材料单头部火焰筒半成品放置于高温炉内升温至1600-1800℃，保温2-3h后随炉冷却。
9.根据权利要求8所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，所述制备内模定型模具(2)、外模定型模具、底盘定型模具(1)和校型定型模具(4)材料为电极石墨或高纯石墨。
10.根据权利要求9所述的用于陶瓷基复合材料单头部火焰筒的制备方法，其特征在于：
步骤S8中，所述目标陶瓷基复合材料单头部火焰筒的陶瓷基复合材料中，碳纤维或碳化硅纤维的体积分数为42-48％；
所述陶瓷基复合材料气孔率为5-9％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115233133B (zh) * 2022-07-20 2024-05-14 中国航发北京航空材料研究院 增材制造火焰筒热障涂层的制备方法及由此制得的火焰筒
CN115283860B (zh) * 2022-09-28 2022-12-06 北京成立科技有限公司 一种航空航天发动机火焰筒气膜孔的加工装置及工艺

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4626461A (en) * 1983-01-18 1986-12-02 United Technologies Corporation Gas turbine engine and composite parts
JP5093165B2 (ja) * 2009-03-17 2012-12-05 株式会社Ｉｈｉ 構造物の製造方法及び構造物
US8431061B2 (en) * 2011-02-07 2013-04-30 Pratt & Whitney Rocketdyne, Inc. Method for manufacturing a ceramic composite article
DE102011081847A1 (de) * 2011-08-31 2013-02-28 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen von Feuerfestkeramiken für Gasturbinenanlagen
CN106671447A (zh) * 2016-12-22 2017-05-17 广东亚太新材料科技有限公司 一种碳纤维复合材料弹簧成型模具及成型方法
CN112503574A (zh) * 2020-10-30 2021-03-16 南京航空航天大学 陶瓷基环形火焰筒
CN113915643A (zh) * 2021-11-05 2022-01-11 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工艺及工装

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