CN115108846A - 一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空刹车制动材料技术领域，尤其是一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，所述刹车盘包括环形基体及若干二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹，所述碳/碳槽型夹固定在环形基体的键槽内，包括制作预制体、第一真空热处理、第一化学气相沉积、第二真空热处理、机加工处理、第二化学气相沉积、第三真空热处理、磨削精加工等步骤，通过采用二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹取代钢制槽型夹，可以减轻刹车盘整体重量，还可以调整刹车盘键槽受力方向由沿碳纤维叠层板层间方向变化为垂直于层间方向，同时刹车盘的环形基体无需开孔，解决刹车盘键槽部位易早期失效的问题，可使其安全使用寿命提高40%以上，大幅度降低了使用维护成本。

Description

一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法
技术领域
本发明涉及航空刹车制动材料技术领域，尤其是一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法。
背景技术
碳/碳复合材料刹车盘是飞机刹车的关键部件，也是飞机使用中的高价值易耗品。飞机在着陆刹车过程中摩擦对偶(即刹车动盘和静盘)在刹车压力的作用下产生摩擦阻力使机轮减速而刹停飞机。而飞机刹车中的刹车动盘和静盘通过刹车盘上的键槽将摩擦力矩传递到起落架轮轴上，刹车盘键槽是刹车盘上的关键受力部位，即受刹车力的作用，更为严重的是要承受由刹车振动引起的冲击裁荷。正是这种冲击载荷的反复作用，才会引起碳/碳复合材料刹车盘键槽部位损伤而导致刹车盘早期失效，影响刹车盘的使用寿命及安全性。
现有制备碳/碳复合材料刹车盘的技术，通常采用环形整体针刺毡预制体置入气相沉积炉中进行渗碳，当密度达到1.75g/cm³以上后出炉，高温热处理后进行机械加工，包括动、静盘机加工开键槽，最后在非摩擦表面涂防氧化涂层和热处理。而动盘是在圆环外圈开键槽，静盘在圆环内圈机加工开键槽。键槽部位连续纤维被切断，键槽驱动面纤维端头被暴露，而碳/碳复合材料纤维端头是高温氧化的敏感部位。虽然这些部位涂覆了防氧化涂层，但刹车盘在使用过程中由于刹车振动冲击引起键槽驱动面部位微动摩擦，导致表面防氧化涂层磨损失效，致使键槽驱动面氧化。另外，碳/碳复合材料刹车盘属于叠层板结构，碳/碳复合材料在垂直于纤维平面的方向承压强度较高，碳纤维层间通过短纤维联结，缺乏长纤维，其垂直于叠层板的抗压强度是沿层间方向的挤压强度的两倍多。而刹车盘键槽驱动面受力正处于最不利的方向，在使用中是最薄弱部位，由于其受载工况严酷，最容易早期出现损伤而引起刹车盘失效。外场的使用情况也充分的证明了这一点。
为了改善碳/碳复合材料刹车盘键槽部位受力状况，增强抗冲击损伤能力，延长使用寿命，特提出本发明。
发明内容
为了克服上述现有问题的不足，本发明提供了一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，所述刹车盘包括环形基体及若干二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹，所述碳/碳槽型夹固定在环形基体的键槽内，具体包括以下步骤：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹的预制体，得到所述环形基体及碳/碳槽型夹的预制体；
采用二维碳布叠层板高碳纤维含量的预制件目的是为了增强键槽部位抗压强度，改善承力状态。
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理；
第一真空热处理的目的是为消除预制体的表面杂质，纯化碳纤维，有利于碳纤维与沉积碳的化学结合。
第一真空热处理可直接在气相沉积炉中，第一化学气相沉积渗碳未进行之前完成，可以省去一个独立热处理的工序，缩短生产周期，节约生产成本。
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.15-1.30g/cm³，得到低密度的环形基体及碳/碳槽型夹的坯体；
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理；
第二真空热处理的目的是为了去除杂质，提高碳材料的纯度，同时打开孔隙，有利于继续沉积。
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹安装在环形基体的键槽相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；
第二化学气相沉积的目的一是提高环形基体及碳/碳槽型夹的密度，二是通过增密过程使碳/碳槽型夹与环形基体牢固地结合在一起，以达到刹车盘键槽部位增强的目的。在气相沉积炉内渗碳时，气相碳源在高温下产生热解碳，热解碳会优先在狭缝中沉积。在狭缝处气相碳源流速慢，气相碳源不断裂解，会在局部聚集较高浓度的碳含量，在环形基体和碳/碳槽型夹的表面沉积大量热解碳，宏观表现为热解碳在环形基体和碳/碳槽型夹结合的部位生长。在一定的沉积时间后，环形基体和碳/碳槽型夹可直接生长成一个整体。在第二化学气相沉积中，过高的的温度容易导致气相碳源裂解过快，热解碳沉积速率过快，最终热解碳堵塞环形基体和碳/碳槽型夹之间的缝隙，一方面刹车盘最终密度难以达到要求，另一方面环形基体和碳/碳槽型夹的结合强度也不够牢固。温度过低会导致气相碳源裂解温度不够，裂解速度过慢，需要的沉积时间过长，最终造成能耗和工期成本大大提高。
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理；
第三真空热处理的目的是为了提高刹车盘坯体的石墨化度，根据需求调整其刹车性能。
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
至此，便得到了键槽部位经过增强的碳/碳复合材料刹车盘。
根据本发明的另一个实施例，S2中，所述第一真空热处理的温度不小于1050℃，压强小于1kPa，保温时间为2-4h。
根据本发明的另一个实施例，S3中，所述第一化学气相沉积以天然气或丙烷为化学反应气，沉积压力为1-3kPa，沉积温度为915-975℃，沉积时间为300-400h。
根据本发明的另一个实施例，S4中，第二真空热处理的温度为1900-2000℃，压强小于1kPa，保温时间2-4h。
根据本发明的另一个实施例，S5中，所述机加工处理包括车削内外圆、铣削键槽、铣削碳/碳槽型夹安装台阶及切割碳/碳槽型夹工序。
根据本发明的另一个实施例，S6中，所述第二化学气相沉积以天然气或丙烷为化学反应气，沉积压力为1-3kPa，沉积温度为950-1050℃，沉积时间为450-600h。
根据本发明的另一个实施例，S7中，所述第三真空热处理温度为2000-2600℃，压强小于1kPa，保温时间为2-4h。
本发明的有益效果是，通过采用二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹对刹车盘的动环及静环的键槽部位进行增强，取代钢制槽型夹，可以减轻刹车盘整体重量，还可以调整刹车盘键槽受力方向由沿碳纤维叠层板层间方向变化为垂直于层间方向，同时刹车盘的环形基体无需开孔，能最大程度保证碳纤维的完整性，保证键槽部位的力学性能不被损坏，提高碳/碳复合材料刹车盘键槽部位抗冲击损伤的能力，解决刹车盘键槽部位易早期失效的问题，可使其安全使用寿命提高40%以上，大幅度降低了使用维护成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是常规刹车盘（动盘）的结构示意图；
图2是图1中X处放大图；
图3是钢制槽型夹的结构示意图；
图4是本发明中刹车盘（动盘）的结构示意图；
图5是图4中Y处放大图；
图6是碳/碳槽型夹的结构示意图；
图7是本发明中刹车盘（静盘）的结构示意图；
图8是图7中Z处放大图；
图9是碳/碳槽型夹的结构示意图；
图中，环形基体1，键槽11，安装台阶12，动盘2，静盘3，钢制槽型夹4，碳/碳槽型夹5。
具体实施方式
如图1-9是刹车盘的结构示意图，所述刹车盘包括静盘3及动盘2两种。
如图1-3，常规刹车盘设有环形基体1及钢制槽型夹4。在刹车盘的环形基体1的内孔或外圆上均布设有键槽11，钢制槽型夹4为U型或H形，一般为合金钢材质，常以铆钉连接的方式固定在键槽11的两侧侧壁上。
如图4-9，采用了新型的二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹5，所述碳/碳槽型夹5可以与钢制槽型夹4形状相同，并固定在键槽11的相同位置。新型的环形基体1的两侧面设置有安装台阶12，使碳/碳槽型夹5的两侧面与环形基体1的两侧面基本齐平。碳/碳槽型夹5也可以采用其他结构形式。
所述碳/碳槽型夹5的预制件应保持截面纤维连续完整，其初始密度约0.60g/cm³，厚度2.5士0.1mm。
实施例1：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体1的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹5的预制体，得到所述环形基体1及碳/碳槽型夹5的预制体；
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理，温度1050℃，压强小于1kPa，保温时间为2h；
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.15g/cm³，得到低密度的环形基体1及碳/碳槽型夹5的坯体；所述第一化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为1kPa，沉积温度为915℃，沉积时间为300h；
所述天然气可以用纯甲烷气体替代。
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理，温度为1900℃，压强小于1kPa，保温时间2h；
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理，包括车削内外圆、铣削键槽11、铣削碳/碳槽型夹5安装台阶12及切割碳/碳槽型夹5工序；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹5安装在环形基体1的键槽11相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；所述第二化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为1kPa，沉积温度为950℃，沉积时间为450h；
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理，温度为2000℃，压强小于1kPa，保温时间为2h；
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
实施例2：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体1的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹5的预制体，得到所述环形基体1及碳/碳槽型夹5的预制体；
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理，温度1200℃，压强小于1kPa，保温时间为4h；
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.30g/cm³，得到低密度的环形基体1及碳/碳槽型夹5的坯体；所述第一化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为3kPa，沉积温度为975℃，沉积时间为400h；
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理，温度为2000℃，压强小于1kPa，保温时间4h；
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理，包括车削内外圆、铣削键槽11、铣削碳/碳槽型夹5安装台阶12及切割碳/碳槽型夹5工序；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹5安装在环形基体1的键槽11相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；所述第二化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为3kPa，沉积温度为1050℃，沉积时间为600h；
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理，温度为2600℃，压强小于1kPa，保温时间为4h；
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
实施例3：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体1的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹5的预制体，得到所述环形基体1及碳/碳槽型夹5的预制体；
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理，温度1100℃，压强小于1kPa，保温时间为3h；
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.15g/cm³，得到低密度的环形基体1及碳/碳槽型夹5的坯体；所述第一化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为2kPa，沉积温度为950℃，沉积时间为350h；
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理，温度为1950℃，压强小于1kPa，保温时间3h；
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理，包括车削内外圆、铣削键槽11、铣削碳/碳槽型夹5安装台阶12及切割碳/碳槽型夹5工序；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹5安装在环形基体1的键槽11相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；所述第二化学气相沉积以天然气为化学反应气，沉积压力为2kPa，沉积温度为1000℃，沉积时间为520h；
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理，温度为2400℃，压强小于1kPa，保温时间为3h；
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
实施例4：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体1的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹5的预制体，得到所述环形基体1及碳/碳槽型夹5的预制体；
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理，温度1050℃，压强小于1kPa，保温时间为2.5h；
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.30g/cm³，得到低密度的环形基体1及碳/碳槽型夹5的坯体；所述第一化学气相沉积以丙烷为化学反应气，沉积压力为1.5kPa，沉积温度为930℃，沉积时间为350h；
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理，温度为1920℃，压强小于1kPa，保温时间2.5h；
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理，包括车削内外圆、铣削键槽11、铣削碳/碳槽型夹5安装台阶12及切割碳/碳槽型夹5工序；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹5安装在环形基体1的键槽11相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；所述第二化学气相沉积以丙烷为化学反应气，沉积压力为1.5kPa，沉积温度为1000℃，沉积时间为500h；
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理，温度为2200℃，压强小于1kPa，保温时间为2.5h；
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
对上述实施例中得到的刹车盘进行性能测试，并与未安装碳/碳槽型夹5的普通刹车盘进行对比。未安装碳/碳槽型夹5的普通刹车盘，其键槽11部位抗压强度不大于60MPa，键槽11部位冲击磨损率为0.75%，普通刹车盘寿命为500-800起落；在850℃、保温10h的条件下，普通刹车盘氧化失重率不小于12%。而对于本新型碳/碳刹车盘，其键槽11部位抗压强度不小于120MPa；键槽11部位冲击磨损率为0.3%；寿命为1000-1200起落；相同条件下刹车盘氧化失重率不大于8%。新型刹车盘的安全使用寿命提高40%以上。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，所述刹车盘包括环形基体及若干二维碳布叠层板结构的碳/碳槽型夹，所述碳/碳槽型夹固定在环形基体的键槽内，具体包括以下步骤：
S1，制作预制体，按常规技术制做全碳纤维针刺毡，并按刹车盘规格切割成环形基体的预制体，同时按常规技术制做碳/碳槽形夹的预制体，得到所述环形基体及碳/碳槽型夹的预制体；
S2，第一真空热处理，将所述预制体置入热处理炉中进行第一真空热处理；
S3，第一化学气相沉积，将所述预制体置入化学气相沉积炉中进行第一化学气相沉积，至所述预制体密度达到1.15-1.30g/cm³，得到低密度的环形基体及碳/碳槽型夹的坯体；
S4，第二真空热处理，对所述坯体进行第二真空热处理；
S5，机加工处理，对所述坯体进行机加工处理；
S6，第二化学气相沉积，将所述碳/碳槽型夹安装在环形基体的键槽相应部位上，并牢固固定，得到刹车盘坯体，将其置入气相沉积炉中进行第二化学气相沉积，沉积至1.75g/cm³以上的密度；
S7，第三真空热处理，将所述刹车盘坯体置于真空热处理炉中，进行第三真空热处理；
S8，磨削精加工，对所述刹车盘坯体的摩擦面进行磨削精加工，磨削至图纸规定的尺寸和平面度要求。
2.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S2中，所述第一真空热处理的温度不小于1050℃，压强小于1kPa，保温时间为2-4h。
3.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S3中，所述第一化学气相沉积以天然气或丙烷为化学反应气，沉积压力为1-3kPa，沉积温度为915-975℃，沉积时间为300-400h。
4.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S4中，第二真空热处理的温度为1900-2000℃，压强小于1kPa，保温时间2-4h。
5.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S5中，所述机加工处理包括车削内外圆、铣削键槽、铣削碳/碳槽型夹安装台阶及切割碳/碳槽型夹工序。
6.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S6中，所述第二化学气相沉积以天然气或丙烷为化学反应气，沉积压力为1-3kPa，沉积温度为950-1050℃，沉积时间为450-600h。
7.根据权利要求1所述的飞机碳/碳复合材料刹车盘的制备方法，其特征是，S7中，所述第三真空热处理温度为2000-2600℃，压强小于1kPa，保温时间为2-4h。
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