專利名稱：一種制備碳化硅晶須增強碳化硅復合材料零件的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于陶瓷基復合材料及其零部件的制備技術領域，特別是提供了一種制備近終形碳化硅晶須增強碳化硅(SiCw/SiC)復合材料零件的方法，實現(xiàn)了低成本、高性能陶瓷基復合材料零部件的制備。
背景技術：
現(xiàn)代國防、核能和航空航天技術以及石油化工、海洋工程等的迅速發(fā)展，對火箭燃燒室內襯、飛機渦輪發(fā)動機葉片、核反應堆結構部件、高速氣動軸承、機械密封零件、輕質衛(wèi)星反射鏡等眾多關鍵材料提出了愈來愈高的要求，迫切需要開發(fā)各種新型的高性能材料。碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等先進陶瓷因其具有高溫強度高，耐磨蝕性、抗氧化性、抗熱震和熱穩(wěn)定性好以及熱膨脹系數(shù)小、密度低等優(yōu)點，在許多領域中得到廣泛應用。陶瓷本身固有的脆性使其在高溫材料領域中一直難以有所作為，因此，先進陶瓷的增韌已成為世界性的研究課題。在所有的增韌方法中，陶瓷纖維和晶須補強增韌陶瓷基復合材料因其在高強度和高韌性方面的巨大潛力而在結構應用中嶄露頭角。其中，具有金剛石型結構的SiC晶須(SiCw)成為陶瓷基復合材料中最為重要的補強增韌劑之一。
由于SiCw/SiC復合材料不僅基體本身具有優(yōu)異的高溫性能，同時SiCw與SiC基體完全相容，晶須可以很好地發(fā)揮補強增韌效果，因此SiCw/SiC復合材料被認為是未來制造燃氣輪機、火箭噴嘴、發(fā)動機和熱交換器部件以及衛(wèi)星反射鏡等領域最有希望的候選材料之一。
SiCw增強SiC復合材料的成形方法主要有傳統(tǒng)的粉末冶金模壓成形、先驅體浸漬裂解法、注漿成形和壓濾成形等。傳統(tǒng)的粉末冶金模壓法雖然工藝簡單，但模壓形成的成形坯往往密度不均勻，部件的形狀復雜程度也受到一定的限制。而先驅體浸漬裂解法除受部件復雜程度限制外，還存在制備周期長、尺寸精度低等缺點。注漿成形和壓濾成形雖可成形復雜形狀部件，但由于成形坯密度均勻性差以及尺寸精度低等問題而限制了其應用范圍。因此，能直接制備出具有最終形狀、尺寸精度高和性能優(yōu)異的零部件，是SiCw增強陶瓷基復合材料能夠得到廣泛應用的關鍵。
本發(fā)明采用粉末注射成形與先驅體轉化相結合工藝制備SiCw/SiC復合材料及其零件。粉末注射成形是將現(xiàn)代塑料注射成形技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型近終形成形技術。該技術的最大特點是可以直接制備出形狀復雜、組織均勻、尺寸精度高的近終形零件，具有成本低、效率高、應用廣等諸多優(yōu)點。
為了進一步提高SiCw/SiC復合材料零件的性能和生產效率，本發(fā)明在粉末注射成形基礎上引入先驅體轉化工藝來制備SiCw/SiC復合材料零件。研究表明，在SiC基體粉末中加入一定量的SiC先驅體(聚碳硅烷)可顯著降低SiC陶瓷的致密化溫度，這是因為在SiC陶瓷致密化過程中由聚碳硅烷轉化而成的微細SiC晶體有利于SiC陶瓷的致密化。另外，聚碳硅烷固有的有機特性使其很適合作為粉末注射成形SiC陶瓷的粘結劑。因此，采用聚碳硅烷作為注射成形粘結劑主要成份不僅可降低注射成形SiC陶瓷的致密化溫度，提高零件的性能，同時還大為減少了粉末注射成形SiC陶瓷時其它粘結劑的使用量，從而提高了零件成形坯的脫脂效率和零件的尺寸精度。因此，采用粉末注射成形與先驅體轉化相結合工藝制備SiCw/SiC復合材料零件可徹底解決SiCw/SiC復合材料零件的成形問題，實現(xiàn)SiCw/SiC復合材料零件的低成本、批量化生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備SiCw/SiC復合材料零件的方法，解決了SiCw/SiC復合材料零件的成形問題，能夠實現(xiàn)低成本、高性能SiCw/SiC復合材料零件的制備。
本發(fā)明采用粉末注射成形與先驅體轉化相結合工藝制備SiCw/SiC復合材料零件。采用先驅體轉化工藝不僅可降低注射成形SiC陶瓷的致密化溫度，提高零件的性能，同時還顯著減少粉末注射成形SiC陶瓷時其它粘結劑的使用量，從而提高了成形坯的脫脂效率和零件尺寸精度。具體工藝為首先將所選用的SiC微粉和SiC晶須與所配制的粘結劑在混煉機上于120℃～140℃溫度下混煉1.5～2小時后成為均勻的喂料，粉末裝載量為54～60體積％。喂料經制粒后在注射成形機上于140～160℃溫度、100～120MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的SiCw/SiC復合材料零件成形坯。所得的SiCw/SiC復合材料零件成形坯經過熱脫脂后，在1300～1500℃溫度下預燒結。最后將SiCw/SiC復合材料零件置于燒結爐中于1850～1950℃溫度、氬氣氣氛保護下進行燒結，得到合格的SiCw/SiC復合材料零件。工藝流程如圖1所示。
本發(fā)明所配制的粘結劑為聚碳硅烷基(PCS)多組元粘結劑，以石臘(PW)和高密度聚乙烯(HDPE)作為增塑劑，以硬脂酸(SA)為表面活性劑，各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝(40～60)∶(30～45)∶(5～10)∶(0～5)。
喂料中SiC微粉與SiC晶須的質量比為100∶(8～25)喂料制粒后在注射成形機上成形，在注射成形機上成形溫度為140～160℃、壓力為100～120MPa，預燒結溫度為1300～1500℃。
先驅體轉化和成形坯預燒結工藝為經熱脫脂后的成形坯繼續(xù)升溫至900℃～1100保溫0.5小時后，然后升溫至1300～1500℃并保溫1小時。
由于將SiC粉末與聚碳硅烷基多組元粘結劑混合成均勻的喂料，喂料經制粒后在注射成形機上注射成形得到SiCw/SiC復合材料零件成形坯，因此，成形坯密度均勻，不需任何機加工處理。同時喂料可重復利用，材料利用率達到100％。SiCw/SiC復合材料零件成形坯經脫脂、預燒結和最終燒結后得到尺寸精度高、不需要任何后處理的SiCw/SiC復合材料零件，所得產品不僅組織和性能均勻，產品的尺寸和性能一致性也好，且可大批量生產，成本低。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式
實施例1將SiC微粉與SiC晶須按質量百分比SiC微粉∶SiC晶須＝100∶8的比例混合均勻制得預混合粉。粘結劑采用聚碳硅烷基多組元粘結劑，其各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝40∶45∶10∶5。將該粘結劑在混煉機上于120℃溫度下混煉2小時后與預混合粉在混煉機上于120℃溫度下混煉2小時，粉末裝載量為54體積％。制粒后在注射機上注射成形，注射溫度為140℃，注射壓力為110MPa，模溫為30℃。將所得SiCw/SiC復合材料零件成形坯在氫氣保護下的熱脫脂爐中升溫至200℃保溫0.5小時，再升溫至380℃保溫0.5小時，繼續(xù)升溫到500℃保溫1小時以完全脫除粘結劑。將脫脂后的零件成形坯繼續(xù)升溫至900℃保溫0.5小時后，再升溫至1300℃并保溫1小時，從而完成先驅體的轉化與成形坯的預燒結，得到SiCw/SiC復合材料零件預燒坯。最后將預燒坯置于燒結爐中于1850℃溫度、氬氣氣氛保護下燒結2小時，即得SiCw/SiC復合材料零件產品。
實施例2將SiC微粉與SiC晶須按質量百分比SiC微粉∶SiC晶須＝100∶15的比例混合均勻制得預混合粉。粘結劑采用聚碳硅烷基多組元粘結劑，其各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝50∶40∶5∶5。將該粘結劑在混煉機上于130℃溫度下混煉1.5小時后與預混合粉在混煉機上于120℃溫度下混煉2小時，粉末裝載量為58體積％。制粒后在注射機上注射成形，注射溫度為150℃，注射壓力為100MPa，模溫為30℃。將所得SiCw/SiC復合材料零件成形坯在氫氣保護下的熱脫脂爐中升溫至200℃保溫0.5小時，再升溫至380℃保溫0.5小時，繼續(xù)升溫到500℃保溫1小時以完全脫除粘結劑。將脫脂后的零件成形坯繼續(xù)升溫至900℃保溫0.5小時后，再升溫至1400℃并保溫1小時，從而完成先驅體的轉化與成形坯的預燒結，得到SiCw/SiC復合材料零件預燒坯。最后將預燒坯置于燒結爐中于1850℃溫度、氬氣氣氛保護下燒結2小時，即得SiCw/SiC復合材料零件產品。
實施例3將SiC微粉與SiC晶須按質量百分比SiC微粉∶SiC晶須＝100∶15的比例混合均勻制得預混合粉。粘結劑采用聚碳硅烷基多組元粘結劑，其各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝60∶30∶10∶0。將該粘結劑在混煉機上于130℃溫度下混煉1.5小時后與預混合粉在混煉機上于130℃溫度下混煉2小時，粉末裝載量為58體積％。制粒后在注射機上注射成形，注射溫度為150℃，注射壓力為110MPa，模溫為30℃。將所得SiCw/SiC復合材料零件成形坯在氫氣保護下的熱脫脂爐中升溫至200℃保溫0.5小時，再升溫至420℃保溫0.5小時，繼續(xù)升溫到520℃保溫1小時以完全脫除粘結劑。將脫脂后的零件成形坯繼續(xù)升溫至1000℃保溫0.5小時后，再升溫至1500℃并保溫1小時，從而完成先驅體的轉化與成形坯的預燒結，得到SiCw/SiC復合材料零件預燒坯。最后將預燒坯置于燒結爐中于1900℃溫度、氬氣氣氛保護下燒結2小時，即得SiCw/SiC復合材料零件產品。
實施例4將SiC微粉與SiC晶須按質量百分比SiC微粉∶SiC晶須＝100∶20的比例混合均勻制得預混合粉。粘結劑采用聚碳硅烷基多組元粘結劑，其各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝50∶40∶7∶3。將該粘結劑在混煉機上于140℃溫度下混煉1.5小時后與預混合粉在混煉機上于140℃溫度下混煉1.5小時，粉末裝載量為60體積％。制粒后在注射機上注射成形，注射溫度為160℃，注射壓力為120MPa，模溫為30℃。將所得SiCw/SiC復合材料零件成形坯在氫氣保護下的熱脫脂爐中升溫至200℃保溫0.5小時，再升溫至400℃保溫0.5小時，繼續(xù)升溫到540℃保溫1小時以完全脫除粘結劑。將脫脂后的零件成形坯繼續(xù)升溫至1100℃保溫0.5小時后，再升溫至1500℃并保溫1小時，從而完成先驅體的轉化與成形坯的預燒結，得到SiCw/SiC復合材料零件預燒坯。最后將預燒坯置于燒結爐中于1950℃溫度、氬氣氣氛保護下燒結2小時，即得SiCw/SiC復合材料零件產品。
實施例5將SiC微粉與SiC晶須按質量百分比SiC微粉∶SiC晶須＝100∶15的比例混合均勻制得預混合粉。粘結劑采用聚碳硅烷基多組元粘結劑，其各組元重量百分比為PCS∶PW∶HDPE∶SA＝60∶30∶10∶0。將該粘結劑在混煉機上于130℃溫度下混煉1.5小時后與預混合粉在混煉機上于130℃溫度下混煉1.5小時，粉末裝載量為58體積％。制粒后在注射機上注射成形，注射溫度為160℃，注射壓力為100MPa，模溫為30℃。將所得SiCw/SiC復合材料零件成形坯在氫氣保護下的熱脫脂爐中升溫至200℃保溫0.5小時，再升溫至420℃保溫0.5小時，繼續(xù)升溫到520℃保溫1小時以完全脫除粘結劑。將脫脂后的零件成形坯繼續(xù)升溫至1000℃保溫0.5小時后，再升溫至1500℃并保溫1小時，從而完成先驅體的轉化與成形坯的預燒結，得到SiCw/SiC復合材料零件預燒坯。最后將預燒坯置于燒結爐中于1950℃溫度、氬氣氣氛保護下燒結2小時，即得SiCw/SiC復合材料零件產品。
權利要求
1.一種制備碳化硅晶須增強碳化硅復合材料零件的方法，其特征在于采用粉末注射成形與先驅體轉化相結合工藝制備SiCw/SiC復合材料零件；工藝為將所選用的SiC微粉和SiC晶須與所配制的粘結劑在混煉機上于120℃～140℃溫度下混煉1.5～2小時后成為均勻的喂料，粉末裝載量為54～60體積％，喂料經制粒后在注射成形機上于140～160℃溫度、100～120MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的SiCw/SiC復合材料零件成形坯；所得的SiCw/SiC復合材料零件成形坯經過熱脫脂后，在1300～1500℃溫度下預燒結；最后將SiCw/SiC復合材料零件置于燒結爐中于1850～1950℃溫度、氬氣氣氛保護下進行燒結，得到合格的SiCw/SiC復合材料零件。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所配制的粘結劑為聚碳硅烷基粘結劑，以石臘和高密度聚乙烯作為增塑劑，以硬脂酸為表面活性劑，各組元重量百分比為聚碳硅烷基∶石臘∶高密度聚乙烯∶硬脂酸＝(40～60)∶(30～45)∶(5～10)∶(0～5)。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于喂料中SiC微粉與SiC晶須的重量百分比為100∶(8～25)；
4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于成形坯熱脫脂工藝為首先升溫至200℃保溫0.5小時，然后再升溫至380～420℃保溫0.5小時，最后升溫到500～540℃保溫1小時；
5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于先驅體轉化和成形坯預燒結工藝為經熱脫脂后的成形坯繼續(xù)升溫至900～1100℃保溫0.5小時后，然后升溫至1300～1500℃并保溫1小時。
全文摘要
一種制備碳化硅晶須增強碳化硅復合材料零件的方法，屬于陶瓷基復合材料及其零部件的制備技術領域。是采用粉末注射成形與先驅體轉化相結合工藝制備SiCw/SiC復合材料零件。將SiC微粉和SiC晶須與所配制的粘結劑按照一定的比例混合成均勻的喂料。喂料經制粒后通過模具在注射成形機上注射成形，得到所需形狀的SiCw/SiC復合材料零件成形坯。所得的SiCw/SiC復合材料零件成形坯經過熱脫脂后，在1300～1500℃溫度下預燒結，最后將SiCw/SiC復合材料零件置于燒結爐燒結致密化。優(yōu)點在于，減少了粉末注射成形SiC陶瓷粘結劑的使用量，提高了零件的性能和尺寸精度以及生產效率，實現(xiàn)了復雜SiCw/SiC復合材料零件的近終形、低成本和批量化生產。
文檔編號C04B41/91GK101037336SQ20071009890
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月29日 優(yōu)先權日2007年4月29日
發(fā)明者何新波, 曲選輝, 張勇, 任淑彬, 段柏華, 秦明禮, 湯春峰 申請人:北京科技大學