基于粉末3D打印和RMI工艺制备航空发动机涡轮转子的方法

基于粉末3d打印和rmi工艺制备航空发动机涡轮转子的方法
技术领域
1.本发明属于陶瓷基复合材料领域，涉及一种基于粉末3d打印和rmi工艺制备航空发动机涡轮转子的方法。


背景技术：

2.涡轮转子是现代航空发动机关键热端转动件，其服役环境极为苛刻，需要承受高温(超过1500℃)、高载荷和水氧腐蚀性气氛。极高的工作温度将绝大部分候选材料排除，例如，高温合金结合热障涂层技术可以使工作温度达到1200℃-1300℃，但这已接近高温合金熔点的80％，再提高的潜力极其有限；连续碳化硅纤维增强的碳化硅基复合材料由于本征的耐高温特性可以进一步将使用温度提高至1450℃，但在更高温度下，碳化硅纤维将分解，力学性能严重退化，这本质上是由碳化硅纤维的非化学计量比(含有氧元素)和结晶度低导致的。因此，选用化学计量比、单晶结构的碳化硅晶须(sic whiskers，sicw)代替非化学计量比、多晶且含非晶相的碳化硅纤维，制备获得的晶须增强陶瓷基复合材料有望成为可耐更高温度(》1500℃)的涡轮转子候选材料。
3.另一方面，航空发动机用涡轮转子通常具有盘心厚(大于10mm)、叶片薄的梯度结构特点，并且为了更高的气动效率，涡轮转子叶片通常具有高度复杂的三维曲面，这使涡轮转子的制备工艺困难、研发周期漫长，一般都依赖模具、或者包含大量的机械加工，而精密模具的开发设计将导致成本十分高昂，机械加工则面临着无法进刀(涡轮转子强度过高)或易开裂(涡轮转子强度不足)的问题。因此，如何快速、低成本、近净尺寸地制造涡轮转子是真正的难点。
4.晶须增强陶瓷基复合材料的传统制备工艺一般基于压力成型和烧结，这一路线的最大问题是无法实现涡轮转子的近净尺寸制造。效仿纤维增强陶瓷基复合材料的制备路线是近几年兴起的一种近净尺寸制备晶须增强陶瓷基复合材料的新思路，即先制备晶须预制体，再在晶须表面制备界面，最后结合如化学气相沉积(cvi)、先驱体浸渍裂解(pip)或反应熔体渗透(rmi)技术将预制体致密化，最终获得晶须增强陶瓷基复合材料。如chen等人(microstructure and properties of sicw/sic composites prepared by gel-casting combined with precursor infiltration and pyrolysis，文献)提出凝胶注模结合pip工艺近净尺寸制备sicw/sic复合材料，但该工作采用凝胶注模工艺成型晶须预制体时仍然需要模具。
5.粉末3d打印是一项颠覆性的陶瓷材料成型技术，其不需要模具和机械加工，可以极大地缩短制造周期、降低制造成本。更重要的是，该技术可以近净尺寸成型大型复杂形状晶须预制体。同时，由于涡轮转子构件的盘心通常厚度较大，在匹配后续预制体致密化工艺时，相比cvi工艺的“瓶颈效应”难以将厚壁件致密，rmi和pip法是更适用于涡轮转子构件的致密化工艺。
6.鉴于此，本发明提出先在碳化硅晶须(sicw)表面制备一层界面，可防止晶须在rmi工艺中被液硅腐蚀，然后采用粉末3d打印的方法成型sicw预制体，最后采用rmi工艺进行致
密化，从而得到碳化硅晶须增强碳化硅复合材料(sicw/sic)航空发动机涡轮转子构件。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于粉末3d打印和rmi工艺制备航空发动机涡轮转子的方法
9.技术方案
10.一种基于粉末3d打印和rmi工艺制备航空发动机涡轮转子的方法，其特征在于步骤如下：
11.步骤1、化学法sicw粉末表面包覆氮化硼界面：
12.以质量分数计，将bn的先驱体液态硼吖嗪、无水乙醇和sicw按照1︰50︰50到1:100:100的比例混合并磁力搅拌，然后采用旋转蒸发仪在60℃下将无水乙醇挥发完全，将得到的混合粉末送入管式炉中，通流动的氩气，以5℃/min的速率升温至900-1200℃裂解2h，完成硼吖嗪向bn的转化，即得到包覆bn界面的sicw；
13.步骤2、sicw的喷雾造粒和碳源的一次引入：
14.以质量分数计，将25-50％的sicw、0-3％的分散剂聚乙二醇-400、1-5％的调节剂四甲基氢氧化铵、4-7％的粘结剂糊精、5-10％的碳颗粒的碳源和30-65％的无水乙醇溶剂混合成浆料，混合均匀；然后进行喷雾造粒，制备出粒径在20-100μm含碳sicw球形颗粒；
15.步骤3、碳源的二次引入：依据颗粒级配的原则，将粒径在1-3μm的碳颗粒与步骤2中所得的粒径在20-100μm的含碳sicw球形颗粒混合，质量比在1:1.5到1:3之间，干粉球磨；
16.步骤4、粉末3d打印涡轮转子素坯：
17.在打印台上放置一块基板，然后将步骤3获得混合粉送入粉末3d打印设备，打印层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为170％/340％，按照涡轮转子的三维模型进行3d打印，打印后的晶须素坯原位干燥8-12h，然后将素坯和基板一同取出进行脱粉，得到涡轮转子素坯；
18.步骤5、碳源的三次引入：采用pip法第三次引入碳源，在sicw表面包覆碳，并且调控总体碳含量；
19.将含碳树脂与无水乙醇按质量比1:10到1:20之间混合，磁力搅拌0.5-1h，然后采用真空浸渍技术将高稀释比的含碳树脂乙醇溶液浸渍到涡轮转子素坯内，浸渍压力为-0.8mpa，浸渍时间约1-3h，之后将浸渍了含碳树脂乙醇溶液的素坯送入φ120的管式炉中，通流动的氩气，以1℃/min的速率升温至80℃保温1h，再以1℃/min的速率升温至120-180℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至900℃保温2h，然后以3℃/min的速率升温至1700℃对碳源进行热处理2h，最后以5℃/min的速率降温至600℃，随炉冷却至室温，由此得到sicw/c预制体；
20.步骤6、渗硅：首先，对sicw/c预制体进行湿法包埋，即用质量比为1:1的硅/碳化硅混合粉末与一定量的水混合，需保证混合后的混合物几乎不能流动或者流动很慢，用上述硅/碳化硅混合湿粉将sicw/c预制体包埋严实，在最外面再包覆一层石墨纸防止硅/碳化硅混合湿粉流失；然后，放入石墨坩埚，将坩埚送入渗硅炉中进行液相渗硅，升温至1600-1700℃保温1h，然后降温至室温取出坩埚，最后将涡轮转子表面的残余硅/碳化硅混合粉去除，
即得到致密的sicw/sic复合材料涡轮转子。
21.所述混合均匀是将物质放入滚筒式球磨机中以30-60r/min的速度球磨2-10h混合均匀。
22.所述喷雾造粒：喷雾干燥机的进口温度为150℃，出口温度在60-80℃之间，雾化盘转速在6000-24000r/min之间，制备含碳sicw球形颗粒。
23.所述步骤3的干粉球磨时间3-10h。
24.所述pip的循环次数在1-3次之间。
25.所述的渗硅工艺包括液相渗硅和气相渗硅。
26.上述步骤的特征在于：
27.在步骤1中，所述的在sicw粉体表面制备bn界面的方法包括bn先驱体与sicw粉体和溶剂的混合、旋转蒸发以及高温裂解三步。所述的bn先驱体包括但不限于硼吖嗪。
28.在步骤2中，提供了一份有机体系的喷雾造粒配方，并且在此步骤中第一次引入碳源，所述的碳颗粒粒径需在1-10μm。所述的碳颗粒包括但不限于石墨颗粒。
29.在步骤3中，依据颗粒级配原则第二次引入碳源，所述碳颗粒粒径在1-3μm。所述的碳颗粒包括但不限于石墨颗粒。
30.在步骤4中，所述的粉末3d打印法为粘结剂喷射法(binder jetting,bj)。
31.在步骤5中，碳源的第三次引入采用pip工艺，循环次数在1-3次，目的是在sicw表面包覆碳，并且调控总体碳含量，所述的含碳树脂包括但不限于酚醛树脂，所述的升温步骤中包含对碳的1700℃热处理以得到高织构碳。
32.在步骤6中，所述的渗硅工艺包括液相渗硅和气相渗硅。
33.有益效果
34.本发明提出的一种基于粉末3d打印和rmi工艺制备航空发动机涡轮转子的方法，先采用化学法将氮化硼(bn)界面包覆在碳化硅晶须(sicw)表面，然后将包覆bn的sicw与碳颗粒(碳源的一次引入)以及其他添加剂配制成有机浆料进行喷雾造粒，然后将得到的带有碳颗粒的sicw球形颗粒再次与碳颗粒(碳源的二次引入)依据颗粒级配原则进行混合，将所得混合粉末送入粉末3d打印机进行涡轮转子素坯的打印，然后采用先驱体浸渍裂解(pip)工艺进行碳源的三次引入，目的是在sicw表面包覆碳并调控碳源的总含量，然后对所有碳源进行高温(1700℃)热处理得到高织构碳，最后采用渗硅工艺对涡轮转子进行致密化，得到sicw/sic复合材料的涡轮转子。该工艺路线具有快速、低成本、近净尺寸制造的优势。
35.本发明的有益效果有以下几点：
36.1、本发明可以提供一份适用于粉末3d打印的晶须粉末，该粉末具有以下好处：其为球形颗粒，流动性非常好，利于粉末3d打印的铺粉过程；其带有均匀的氮化硼界面，相比于在晶须预制体内制备界面，在粉体阶段制备的界面具有更好的均匀性；其带有碳颗粒，碳颗粒分布均匀，比表面积大，这利于后续rmi工艺更充分的反应。
37.2、采用粉末3d打印工艺可以快速地、近净尺寸地制备涡轮转子素坯，无需昂贵的模具或后续繁琐的机械加工，成本非常低，周期非常短(小于一天)。
38.3、对碳源有三次含量与分布的调控，均可以使碳源达到非常好的均匀性，且可以精准的控制其含量，利于对最终材料的成分达到精准调控，使残余碳含量和残余硅含量分别低至约5％和6％。
39.4、本发明采用rmi工艺进行致密化，工艺周期短，而且所制备的复合材料涡轮转子具有高的相对密度(》97％)和低的开气孔率(《3％)，能够有效阻止高温工作环境中氧气向内部扩散。
40.5、采用本发明的组合式工艺路线能够实现高力学性能(抗弯强度405mpa，断裂韧性5.3mpa
·m1/2
)的涡轮转子构件的近净尺寸制造。该组合式工艺路线效率高、周期非常短(约一星期)、成本低，是一条非常适合商业化的航空发动机热端转动部件制备工艺路线。
附图说明
41.图1是本发明的工艺流程图
42.图2是本发明打印过程中的粉床图案
43.图3是本发明的涡轮转子素坯图
44.图4是本发明致密化后的涡轮转子构件图
具体实施方式
45.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
46.实施例1
47.步骤1：化学法sicw粉末表面包覆bn界面
48.将6g硼吖嗪、600g无水乙醇和600gsicw混合并磁力搅拌10min，然后将混合浆料在旋转蒸发仪中60℃下蒸发1h，将得到的混合粉末送入管式炉中，通流动的氩气，以5℃/min的速率升温至1200℃裂解2h，得到包覆bn界面的sicw。
49.步骤2：sicw的喷雾造粒和碳源的一次引入
50.取246g步骤1中得到的包覆bn界面的sicw、5.4g peg-400、8.8g tmah、14g的糊精、44g石墨颗粒(中位径＝7μm)和126g无水乙醇混合成浆料，放入滚筒式球磨机中以40r/min的速度球磨5h以混合均匀用于喷雾造粒。喷雾干燥机的进口温度为150℃，出口温度为65℃，雾化盘转速为24000r/min，由此，可制备出256g含碳球形sicw颗粒。
51.步骤3：碳源的二次引入
52.依据颗粒级配的原则，将128g粒径在1-3μm的石墨颗粒与步骤2中所得的含碳sicw球形颗粒混合，干粉球磨10h。
53.步骤4：粉末3d打印涡轮转子素坯
54.先在打印台上放置一块基板，然后将步骤3所得混合粉送入粉末3d打印设备，打印层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为170％/340％，按照涡轮转子的三维模型进行3d打印，打印后的晶须素坯原位干燥12h，然后将素坯和基板一同取出进行脱粉，得到涡轮转子素坯。
55.步骤5：碳源的三次引入
56.将50g酚醛树脂与500g无水乙醇混合，磁力搅拌0.5h，然后采用真空浸渍将含碳树脂的乙醇溶液浸渍到涡轮转子素坯内，浸渍压力为-0.8mpa，浸渍时间1h，然后将浸渍了含碳树脂乙醇溶液的素坯送入φ120的管式炉中，通流动的氩气，以1℃/min的速率升温至80℃，保温1h，再以1℃/min的速率升温至180℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至900℃，保温2h，然后以3℃/min的速率升温至1700℃对碳源进行热处理2h，然后以5℃/min的速率降
温至600℃，随炉冷却至室温，得到sicw/c预制体。pip的循环次数为1次。
57.步骤6：渗硅
58.用500g硅粉和500g碳化硅混合粉末与200g水混合，然后对sicw/c预制体进行湿法包埋，在最外面再包覆一层石墨纸，然后放入石墨坩埚，将坩埚送入渗硅炉中进行液相渗硅，快速升温至1650℃保温1h，然后降温至室温取出坩埚，最后将涡轮转子表面的残余硅/碳化硅混合粉去除，即可得到致密的sicw/sic涡轮转子。
59.实施例2
60.步骤1：化学法sicw粉末表面包覆bn界面
61.将6g硼吖嗪、300g无水乙醇和300g sicw混合并磁力搅拌10min，然后将混合浆料在旋转蒸发仪中60℃下蒸发0.5h，将得到的混合粉末送入管式炉中，通流动的氩气，以5℃/min的速率升温至1200℃裂解2h，得到包覆bn界面的sicw。
62.步骤2：sicw的喷雾造粒和碳源的一次引入
63.取250g步骤1中得到的包覆bn界面的sicw、5.7g peg-400、8.9g tmah、15g的糊精、45g石墨颗粒(中位径＝7μm)和130g无水乙醇混合成浆料，放入滚筒式球磨机中以40r/min的速度球磨5h以混合均匀用于喷雾造粒。喷雾干燥机的进口温度为150℃，出口温度为65℃，雾化盘转速为24000r/min，由此，可制备出248g含碳球形sicw颗粒。
64.步骤3：碳源的二次引入
65.依据颗粒级配的原则，将125g粒径在1-3μm的石墨颗粒与步骤2中所得的含碳sicw球形颗粒混合，干粉球磨10h。
66.步骤4：粉末3d打印涡轮转子素坯
67.先在打印台上放置一块基板，然后将步骤3所得混合粉送入粉末3d打印设备，打印层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为170％/340％，按照涡轮转子的三维模型进行3d打印，打印后的晶须素坯原位干燥12h，然后将素坯和基板一同取出进行脱粉，得到涡轮转子素坯。
68.步骤5：碳源的三次引入
69.将50g酚醛树脂与500g无水乙醇混合，磁力搅拌0.5h，然后采用真空浸渍将含碳树脂的乙醇溶液浸渍到涡轮转子素坯内，浸渍压力为-0.8mpa，浸渍时间1h，然后将浸渍了含碳树脂乙醇溶液的素坯送入φ120的管式炉中，通流动的氩气，以1℃/min的速率升温至80℃，保温1h，再以1℃/min的速率升温至180℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至900℃，保温2h，然后以3℃/min的速率升温至1700℃对碳源进行热处理2h，然后以5℃/min的速率降温至600℃，随炉冷却至室温，得到sicw/c预制体。pip的循环次数为1次。
70.步骤6：渗硅
71.用500g硅粉和500g碳化硅混合粉末与200g水混合，然后对sicw/c预制体进行湿法包埋，在最外面再包覆一层石墨纸，然后放入石墨坩埚，将坩埚送入渗硅炉中进行液相渗硅，快速升温至1650℃保温1h，然后降温至室温取出坩埚，最后将涡轮转子表面的残余硅/碳化硅混合粉去除，即可得到致密的sicw/sic涡轮转子。
72.实施例2和实施例1的区别是提高了硼吖嗪：无水乙醇：sicw的比例，可以制备出厚度更厚的bn界面，说明bn界面的厚度可以调控。
73.实施例3
74.步骤1：化学法sicw粉末表面包覆bn界面
75.将6g硼吖嗪、600g无水乙醇和600g sicw混合并磁力搅拌10min，然后将混合浆料在旋转蒸发仪中60℃下蒸发1h，将得到的混合粉末送入管式炉中，通流动的氩气，以5℃/min的速率升温至1200℃裂解2h，得到包覆bn界面的sicw。
76.步骤2：sicw的喷雾造粒和碳源的一次引入
77.取240g步骤1中得到的包覆bn界面的sicw、5.3g peg-400、10g tmah、17g的糊精、43g石墨颗粒(中位径＝7μm)和154g无水乙醇混合成浆料，放入滚筒式球磨机中以50r/min的速度球磨5h以混合均匀用于喷雾造粒。喷雾干燥机的进口温度为150℃，出口温度为65℃，雾化盘转速为24000r/min，由此，可制备出257g含碳球形sicw颗粒。
78.步骤3：碳源的二次引入
79.依据颗粒级配的原则，将171g粒径在1-3μm的石墨颗粒与步骤2中所得的含碳sicw球形颗粒混合，干粉球磨10h。
80.步骤4：粉末3d打印涡轮转子素坯
81.先在打印台上放置一块基板，然后将步骤3所得混合粉送入粉末3d打印设备，打印层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为170％/340％，按照涡轮转子的三维模型进行3d打印，打印后的晶须素坯原位干燥12h，然后将素坯和基板一同取出进行脱粉，得到涡轮转子素坯。
82.步骤5：碳源的三次引入
83.将50g酚醛树脂与500g无水乙醇混合，磁力搅拌0.5h，然后采用真空浸渍将含碳树脂的乙醇溶液浸渍到涡轮转子素坯内，浸渍压力为-0.8mpa，浸渍时间1h，然后将浸渍了含碳树脂乙醇溶液的素坯送入φ120的管式炉中，通流动的氩气，以1℃/min的速率升温至80℃，保温1h，再以1℃/min的速率升温至180℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至900℃，保温2h，然后以3℃/min的速率升温至1700℃对碳源进行热处理2h，然后以5℃/min的速率降温至600℃，随炉冷却至室温，得到sicw/c预制体。pip的循环次数为1次。
84.步骤6：渗硅
85.用500g硅粉和500g碳化硅混合粉末与200g水混合，然后对sicw/c预制体进行湿法包埋，在最外面再包覆一层石墨纸，然后放入石墨坩埚，将坩埚送入渗硅炉中进行液相渗硅，快速升温至1650℃保温1h，然后降温至室温取出坩埚，最后将涡轮转子表面的残余硅/碳化硅混合粉去除，即可得到致密的sicw/sic涡轮转子。
86.实施例3和实施例1的区别是提高了步骤3碳源二次引入中的石墨颗粒的量，从而引入更多的碳源，调控碳源与硅源的比例，以降低最终材料中的残余硅含量
87.实施例4
88.步骤1：化学法sicw粉末表面包覆bn界面
89.将6g硼吖嗪、600g无水乙醇和600g sicw混合并磁力搅拌10min，然后将混合浆料在旋转蒸发仪中60℃下蒸发1h，将得到的混合粉末送入管式炉中，通流动的氩气，以5℃/min的速率升温至1200℃裂解2h，得到包覆bn界面的sicw。
90.步骤2：sicw的喷雾造粒和碳源的一次引入
91.取336g步骤1中得到的包覆bn界面的sicw、7.3g peg-400、12g tmah、20g的糊精、60g石墨颗粒(中位径＝7μm)和172g无水乙醇混合成浆料，放入滚筒式球磨机中以60r/min
的速度球磨10h以混合均匀用于喷雾造粒。喷雾干燥机的进口温度为150℃，出口温度为65℃，雾化盘转速为24000r/min，由此，可制备出361g含碳球形sicw颗粒。
92.步骤3：碳源的二次引入
93.依据颗粒级配的原则，将180g粒径在1-3μm的石墨颗粒与步骤2中所得的含碳sicw球形颗粒混合，干粉球磨10h。
94.步骤4：粉末3d打印涡轮转子素坯
95.先在打印台上放置一块基板，然后将步骤3所得混合粉送入粉末3d打印设备，打印层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为170％/340％，按照涡轮转子的三维模型进行3d打印，打印后的晶须素坯原位干燥12h，然后将素坯和基板一同取出进行脱粉，得到涡轮转子素坯。
96.步骤5：碳源的三次引入
97.将50g酚醛树脂与500g无水乙醇混合，磁力搅拌0.5h，然后采用真空浸渍将含碳树脂的乙醇溶液浸渍到涡轮转子素坯内，浸渍压力为-0.8mpa，浸渍时间1h，然后将浸渍了含碳树脂乙醇溶液的素坯送入φ120的管式炉中，通流动的氩气，以1℃/min的速率升温至80℃，保温1h，再以1℃/min的速率升温至180℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至900℃，保温2h，然后以3℃/min的速率升温至1700℃对碳源进行热处理2h，然后以5℃/min的速率降温至600℃，随炉冷却至室温，得到sicw/c预制体。pip的循环次数为3次。
98.步骤6：渗硅
99.用500g硅粉和500g碳化硅混合粉末与200g水混合，然后对sicw/c预制体进行湿法包埋，在最外面再包覆一层石墨纸，然后放入石墨坩埚，将坩埚送入渗硅炉中进行液相渗硅，快速升温至1650℃保温1h，然后降温至室温取出坩埚，最后将涡轮转子表面的残余硅/碳化硅混合粉去除，即可得到致密的sicw/sic涡轮转子。
100.实施例4与实施例1的区别是增加了步骤5中碳源三次引入的pip循环次数，从而提高了碳源的含量，目的也是调控碳源与硅源的比例，降低最终构件中的残余硅含量。