本發(fā)明涉及增材制造，尤其涉及一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法及渦輪葉片。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料因具有質(zhì)輕、耐高溫、高溫強度好、抗蠕變性能佳等特點，在航空航天、先進武器、汽車等領(lǐng)域中得到廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。

2、目前，連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的主要制備工藝包括前驅(qū)體浸漬裂解工藝(pip)、樹脂浸漬裂解結(jié)合熔硅浸滲工藝(mi)以及化學(xué)氣相滲透工藝(cvi)。但上述三種技術(shù)路線比較復(fù)雜，制造周期長且成本高，需要模具，一旦需要設(shè)計變更，就需要進行復(fù)雜的模具重制；而且由于制備過程中反復(fù)熱處理，纖維穩(wěn)定性和一致性一直是困擾其發(fā)展的關(guān)鍵。

3、近年來，隨著渦噴發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，對渦輪葉片的高溫性能提出了更高的要求，連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成為新一代發(fā)動機渦輪葉片的首選材料，也是未來發(fā)動機的核心技術(shù)之一。隨著增材制造技術(shù)(即3d打印技術(shù))的快速發(fā)展，使用增材制造技術(shù)制備連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的方法開始得到關(guān)注，但目前的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的增材制造方法主要是“預(yù)浸纖維擠出+熱塑性樹脂的熔融沉積成型”，這種方法只對樹脂基復(fù)合材料有效，連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的3d打印還在探索之中，尚無良好的成熟方法。因此，尋找一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法對于解決連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成型中的關(guān)鍵問題(例如：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，連續(xù)纖維的完整性、穩(wěn)定性、一致性，以及纖維與基體的充分浸潤)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法及渦輪葉片，以解決以下技術(shù)問題中的至少一種：現(xiàn)有技術(shù)中連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料很難實現(xiàn)3d打印，纖維的完整性、一致性和/或纖維與基體浸潤不佳，以及高性能渦輪葉片快速制造較困難的問題。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，復(fù)合材料為層合復(fù)合材料，包括陶瓷基體和由連續(xù)纖維編織而成且在x-y平面內(nèi)分布的二維纖維織物；

4、所述增材制造方法包括以下步驟：

5、步驟s1、建立層合復(fù)合材料產(chǎn)品的三維模型，進行切片處理，每一層二維纖維織物都包含在相應(yīng)切片內(nèi)；

6、步驟s2、分層預(yù)制二維纖維織物：采用預(yù)浸法將二維纖維織物與熱固性樹脂的液體充分浸潤并進行定型，預(yù)成型為能夠維形的二維纖維預(yù)制體；將二維纖維預(yù)制體加工為所需要形狀的二維纖維預(yù)制件，并按切片打印順序疊放備用；

7、步驟s3、通過選區(qū)光固化+燒結(jié)成型法進行層合復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造：在打印包含二維纖維織物的某一層切片時，先準(zhǔn)確鋪放相應(yīng)次序的二維纖維預(yù)制件，定位，再鋪放或者噴涂陶瓷基體。

8、進一步地，步驟s2還包括通過織造的方式制備二維纖維織物。

9、進一步地，步驟s2中，熱固性樹脂包括高溫固化樹脂或者光敏樹脂。

10、進一步地，步驟s2中，預(yù)浸法包括噴涂滾壓預(yù)浸法，膠槽滾壓預(yù)浸法。

11、進一步地，步驟s2中，噴涂滾壓預(yù)浸法的主要步驟包括：在二維纖維織物表面噴涂熱固性樹脂液體，通過滾壓法使二維纖維織物與樹脂液體充分浸潤結(jié)合并壓實，經(jīng)低溫預(yù)固化或者光預(yù)固化進行定型，得到二維纖維預(yù)制體。

12、進一步地，步驟s2中，膠槽滾壓預(yù)浸法的主要步驟包括：將二維纖維織物浸入盛裝熱固性樹脂液體的膠槽中，通過滾壓法使二維纖維織物與樹脂液體充分浸潤結(jié)合并壓實，經(jīng)低溫預(yù)固化或者光預(yù)固化進行定型，得到二維纖維預(yù)制體。

13、進一步地，滾壓法的主要步驟包括：由旋轉(zhuǎn)的成對壓輥對充分浸潤熱固性樹脂液體的二維纖維織物施以擠壓，同時，對壓輥進行加熱實現(xiàn)低溫預(yù)固化，或者對經(jīng)過壓輥的二維纖維織物照射紫外光或者激光實現(xiàn)光預(yù)固化。

14、進一步地，步驟s3包括下述步驟：

15、步驟s31：準(zhǔn)備陶瓷漿料；

16、步驟s32：選區(qū)光固化成型；

17、步驟s33、脫脂燒結(jié)成型，得到陶瓷基層合復(fù)合材料產(chǎn)品。

18、第二方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)上述連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法制備得到的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料和/或制品。

19、進一步地，所述制品為渦輪葉片，渦輪葉片包括葉片和安裝基座；

20、葉片包括葉根、葉尖、以及在葉根和葉尖之間軸向延伸的葉身，葉片沿與軸向垂直的剖面為月牙形空心結(jié)構(gòu)；

21、安裝基座為六面體空心結(jié)構(gòu)，且上端面和下端面包括榫齒；

22、渦輪葉片內(nèi)分布沿x-y平面分布的二維纖維織物。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少可實現(xiàn)如下有益效果之一：

24、1、本發(fā)明給出了一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，采用“分層預(yù)制二維纖維織物”結(jié)合“陶瓷材料增材制造工藝”的方法，實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強陶瓷基層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增材制造，使得連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度得到了很好的拓展，能夠充分利用增材制造的優(yōu)勢，無需模具即可快速設(shè)計和生產(chǎn)出高復(fù)雜度、多樣化的產(chǎn)品。

25、2、本發(fā)明提供的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，采用“分層預(yù)制二維纖維織物”結(jié)合“陶瓷材料增材制造工藝”的方法，使得連續(xù)纖維增強陶瓷基層合復(fù)合材料實現(xiàn)快速增材制造成為可能，相比于現(xiàn)有技術(shù)中的前驅(qū)體浸漬裂解工藝(pip)、樹脂浸漬裂解結(jié)合熔硅浸滲工藝(mi)以及化學(xué)氣相滲透工藝(cvi)，可以省掉模具加工環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期和降低成本；同時，本發(fā)明的制造方法無需高溫裂解、高溫氣相化學(xué)沉積等步驟，可以采用簡便、高效的工藝步驟，得到工藝質(zhì)量和性能非常好的產(chǎn)品；其中，由于“分層預(yù)制二維纖維織物”中樹脂基體和纖維已經(jīng)充分浸潤結(jié)合并定型，且整個過程中無需長時間高溫處理，最終產(chǎn)品中的二維纖維織物的穩(wěn)定性、完整性和一致性更好，能夠滿足高性能陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能和功能性要求。

26、3、本發(fā)明實施例給出了一種采用所述連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法制備得到的渦輪葉片(sic/sic復(fù)合材料)，所述渦輪葉片包括葉片和安裝基座，其采用“分層預(yù)制二維纖維織物”結(jié)合“增材制造工藝(選區(qū)光固化+燒結(jié)成型)”一體成型，可以省掉葉片制造的模具加工環(huán)節(jié)，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，使得“空心結(jié)構(gòu)+連續(xù)纖維增強”渦輪葉片的快速設(shè)計和增材制造成為可能，從輕量化角度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計；所得渦輪葉片的碳化硅陶瓷致密度可以超過95％，彎曲強度可以達到600mpa以上，可以耐受1700℃以上的環(huán)境溫度，完全可以滿足高性能發(fā)動機的使用要求。

27、本發(fā)明中，上述各技術(shù)方案之間還可以相互組合，以實現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，所述復(fù)合材料為層合復(fù)合材料，包括陶瓷基體和由連續(xù)纖維編織而成且在x-y平面內(nèi)分布的二維纖維織物；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2還包括通過織造的方式制備二維纖維織物。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述熱固性樹脂包括高溫固化樹脂或者光敏樹脂。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述預(yù)浸法包括噴涂滾壓預(yù)浸法，膠槽滾壓預(yù)浸法。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述噴涂滾壓預(yù)浸法的主要步驟包括：在二維纖維織物表面噴涂熱固性樹脂液體，通過滾壓法使二維纖維織物與樹脂液體充分浸潤結(jié)合并壓實，經(jīng)低溫預(yù)固化或者光預(yù)固化進行定型，得到二維纖維預(yù)制體。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述膠槽滾壓預(yù)浸法的主要步驟包括：將二維纖維織物浸入盛裝熱固性樹脂液體的膠槽中，通過滾壓法使二維纖維織物與樹脂液體充分浸潤結(jié)合并壓實，經(jīng)低溫預(yù)固化或者光預(yù)固化進行定型，得到二維纖維預(yù)制體。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，所述滾壓法的主要步驟包括：由旋轉(zhuǎn)的成對壓輥對充分浸潤熱固性樹脂液體的二維纖維織物施以擠壓，同時，對壓輥進行加熱實現(xiàn)低溫預(yù)固化，或者對經(jīng)過壓輥的二維纖維織物照射紫外光或者激光實現(xiàn)光預(yù)固化。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s3包括下述步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法制備得到的連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料和/或制品。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制品，其特征在于，所述制品為渦輪葉片，所述渦輪葉片(200)包括葉片(2)和安裝基座(3)；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法及渦輪葉片，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)中連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料很難實現(xiàn)3D打印，纖維的完整性、一致性和/或纖維與基體浸潤不佳，以及高性能渦輪葉片快速制造困難的問題。一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，包括：S1、建立層合復(fù)合材料產(chǎn)品的三維模型，進行切片處理，每一層二維纖維織物都包含在相應(yīng)切片內(nèi)；S2、分層預(yù)制二維纖維織物；S3、通過選區(qū)光固化+燒結(jié)成型法進行層合復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造。本發(fā)明實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的快速增材制造，所得產(chǎn)品中纖維具備很好的完整性、一致性，纖維與基體浸潤良好且界面結(jié)合強度高。

技術(shù)研發(fā)人員：張瑋,翟小菲,孟凡顥,李志勇,熊亮同,焦世坤,錢遠(yuǎn)宏,楊奇龍,韓冬雪,陳榮
受保護的技術(shù)使用者：航天增材科技(北京)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6