阅读说明：本技术 一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法 (Ceramic matrix composite elastic sealing element for aero-engine and preparation method thereof ) 是由 董宁 刘小冲 涂建勇 何江怡 刘持栋 孙肖坤 成来飞 于 2020-04-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法,密封件为回转体或长条状,截面呈Ω形状,采用陶瓷基复合材料铆钉将本密封件铆接到航空发动机热端部件表面。Ω的上沿与另外一个密封面紧密接触。随着发动机环境温度升高和降低,以及发动机气流冲击、机械振动等环境条件变化,本密封件的开口尺寸L会被压缩或弹起,实现热端部件嵌套结构或对结面的有效密封。本发明制备的陶瓷基复合材料弹性密封件密度≥2.4g/cm<Sup>3</Sup>,材料孔隙率≤6％。1650K温度条件下强度保持率≥95％,密封材料基体开裂应力≥120MPa；承受应力≤100MPa时,保持线性回弹特性；1650K温度下使用寿命≥5000小时。(The invention relates to a ceramic matrix composite elastic sealing element for an aircraft engine and a preparation method thereof. The upper edge of Ω is in close contact with the other sealing surface. Along with the increase and decrease of the environmental temperature of the engine and the change of environmental conditions such as airflow impact, mechanical vibration and the like of the engine, the opening size L of the sealing element can be compressed or bounced, and the nesting structure of the hot end part or the effective sealing of the surface is realized. The inventionThe density of the prepared ceramic matrix composite elastic sealing element is more than or equal to 2.4g/cm 3 The porosity of the material is less than or equal to 6 percent. The strength retention rate under the temperature condition of 1650K is more than or equal to 95 percent, and the cracking stress of the sealing material matrix is more than or equal to 120 MPa; when the bearing stress is less than or equal to 100MPa, the linear rebound characteristic is kept; the service life is more than or equal to 5000 hours at 1650K.)

一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法

技术领域

本发明属于机械高温密封技术领域，涉及一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法。

背景技术

随着高性能飞行器技术发展，航空航天领域对高性能发动机提出了迫切需求。研究认为提高涡轮进口燃气温度成为提升发动机性能的有效途径，各国均投入巨资探索，陆续开展相关技术考核与验证。当前发达国家现役推重比为10的发动机涡轮前燃气温度达到了1850～1950K，未来第五代航空发动机的推重比为15～20左右，涡轮前燃气温度将达到2200～2400K；技术进步不仅推动发动机用材料耐温性能的提升，而且对各个热端构件之间的密封性也提出了更为严苛的要求。

航空发动机工作时，需要尽可能减少或消除气流通道内气体泄露，以实现气体做功效率的最大化。发动机热端部件的对接位置会因温度差、气压差、机械振动等作用而产生间隙，或者热端部件之间会设计预留固定的间隙作为气流通道，而这些间隙需要采用高可靠的密封来限定气流的方向或限制其影响的区域，用来保障航空发动机的正常运行。

文献1“专利公布号CN 103573416A”的中国专利公开一种密封件。该专利公开的密封件是由高温合金或形状记忆合金制备的环形或弧形结构。但是该专利没有提供密封圈的材料类型以及该密封圈的耐温范围。

文献2“专利公布号CN 110318158A”的中国发明专利公开一种高温动密封材料及其制备方法。该专利涉及到一种耐温弹性密封绳的制备方法。该制备方法包括弹性密封绳成型的步骤、金属网管包覆层成型步骤、纤维护套包覆层成型的步骤、长度裁剪的步骤和封端处理步骤。该专利公开的密封绳具有耐高温、可高压缩、回弹性能好的特点，同时又具有压缩力可调节的优势，适用于高温动密封等部位。然而该专利公开的弹性密封绳耐温极限为1100℃左右，而且该弹性绳的直径较小，固定不方便，对高振动环境的适应能力差。

综上所述，现有航空发动机热端密封件存在如下缺点：

(1)现有高温密封件大多是针对常规材料、常规结构的密封，密封件大多为圆形截面结构，适用范围局限性大；

(2)现有高温密封件通常采用高温合金材料、无机纤维等。材料密度较高，自重大，而且耐温性能也不满足未来高性能发动机的发展需求。

现有技术也没有考虑到高温密件与密封面的连接、固定方式等问题，密封结构在高温振动环境容易失效。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法，解决常规高温弹性密封件密度高、耐温性能不佳、容易失效等缺陷问题，以满足未来高性能航空发动机热端部件高温密封发展需求。

技术方案

一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件，为回转体或长条状结构，其特征在于：截面呈Ω形状，采用陶瓷基复合材料铆钉2将Ω的下沿固定于需要密封的表面。

所述纤维包括但不限于C纤维、SiC纤维或氮化硼中的一种或几种。

一种所述航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用纤维编制成2D、2.5D或3D编织结构的弹性体预制体，预制体厚度为4～6mm；

步骤2：将预制体固定在Ω形状的石墨内模与外模之间；所述石墨模具表面设有陶瓷化过程的导流孔和导气孔，孔径为2～5mm；

步骤3：将内有纤维预制体的石墨模具置于CVD界面沉积设备中，界面层沉积温度为500～1100℃，沉积炉真空为3～50kPa，40～200L/min的Ar气作为保护气体，界面层前驱体气体流量为100～500L/min，沉积时间为20～50h，界面厚度控制在500～700μm范围；

步骤4：将沉积界面后的预制体放置于CVI沉积设备中，开始SiC基体沉积：SiC陶瓷基体沉积温度为1100～1400℃，沉积炉抽真空至20～50kPa，60～100L/min的H₂气作为载气，SiC陶瓷基体前驱体气体流量为100～500L/min，单次沉积时间为100～150h，多次循环致密化沉积SiC基体；当毛坯材料的密度≥1.3g/cm³后，将石墨模具脱除，重复循环步骤四内容，直到密度≥2.0g/cm³后即完成毛坯密封件制备；

步骤5：将毛坯密封件按照目标尺寸加工，密封件厚度控制在2～3mm，加工后清洗、烘干；

步骤6：采用步骤4的CVI工艺在加工后的毛坯高温弹性密封件表面沉积SiC防氧化涂层，厚度控制在400～600μm，完成高温弹性密封件制备

有益效果

本发明提出的一种航空发动机用陶瓷基复合材料弹性密封件及制备方法，该弹性密封件的截面如图1所示，该密封件1为回转体或长条状，截面呈Ω形状，采用陶瓷基复合材料铆钉2将本密封件1铆接到航空发动机热端部件3表面。Ω的上沿与另外一个密封面紧密接触。随着发动机环境温度升高和降低，以及发动机气流冲击、机械振动等环境条件变化，本密封件1的开口尺寸L会被压缩或弹起，实现热端部件嵌套结构或对结面的有效密封。

本发明可以覆盖RT～1700℃环境下陶瓷基复合材料热端部件之间的机械密封，满足航空航天领域精密机械零部件的动态、长寿命、高可靠密封连接。本发明制备的陶瓷基复合材料弹性密封件密度≥2.4g/cm³，材料孔隙率≤6％。1650K温度条件下强度保持率≥95％，密封材料基体开裂应力≥120MPa；承受应力≤100MPa时，保持线性回弹特性；1650K温度下使用寿命≥5000小时。

附图说明

图1为高温弹性密封件界面及密封装置结构示意图；

图中附图标记为：1-陶瓷基复合材料弹性密封件截面示意图，2-耐高温铆接结构截面示意图，3-发动机内部可动零部件截面示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施实例1

步骤1、采用C纤维制备弹性体预制体，预制体结构为2D结构，预制体厚度为4mm。

步骤2、将预制体放置在石墨内模和外模之间，压紧。石墨模具表面打孔，孔直径2mm。

步骤3、将带有模具的纤维预制体放置于CVD界面沉积设备中，界面层沉积温度为500～1100℃，沉积炉真空为3～50kPa，90L/min的Ar气作为保护气体，三氯化硼作为界面层前驱体气体，三氯化硼气体流量为140L/min，沉积时间为30h，界面厚度控制在600μm；

步骤4、将沉积界面后的预制体放置于CVI沉积设备中，开始SiC基体沉积。SiC陶瓷基体沉积温度为1100～1400℃，沉积炉抽真空至20～50kPa，80L/min的H₂气作为载气，三氯甲基硅烷作为SiC陶瓷基体前驱体，气体流量为200L/min，单次沉积时间为100h，多次沉积SiC基体；当毛坯材料的密度≥1.3g/cm³后，将石墨模具脱除；重复本步骤4，直到密度≥2.0g/cm³后即完成毛坯密封件制备。

步骤5、采用金刚石刀具将毛坯密封件按照目标尺寸加工，密封件厚度控制在2mm，加工后清洗、烘干，转入下一工序。

步骤6、采用步骤4的CVI工艺在加工后的毛坯高温弹性密封件表面沉积SiC防氧化涂层，厚度控制在400μm，完成高温弹性密封件制备。

步骤7、采用陶瓷基复合材料铆钉将制备的高温弹性密封件铆接在发动机热端部件需密封部位，完成本专利高温弹性密封件安装。

本实施实例得到的弹性密封件密度为2.0g/cm³，材料孔隙率小于6％。1650K条件下强度保持率≥96％，基体开裂应力160MPa；承受应力≤100MPa时，保持线性回弹，1650K高温使用寿命≥6000小时。

实施实例2

步骤1、采用SiC纤维制备弹性体预制体，预制体结构为2.5D结构，预制体厚度为5mm。

步骤2、将预制体放置在石墨内模和外模之间，压紧。石墨模具表面打孔，孔直径4mm。

步骤3、将带有模具的纤维预制体放置于CVD界面沉积设备中，界面层沉积温度为500～1100℃，沉积炉真空为3～50kPa，180L/min的Ar气作为保护气体，三氯化硼作为界面层前驱体气体，三氯化硼气体流量为300L/min，沉积时间为40h，界面厚度控制在650μm；

步骤4、将沉积界面后的预制体放置于CVI沉积设备中，开始SiC基体沉积。SiC陶瓷基体沉积温度为1100～1400℃，沉积炉抽真空至20～50kPa，90L/min的H₂气作为载气，三氯甲基硅烷作为SiC陶瓷基体前驱体，气体流量为400L/min，单次沉积时间120h，多次沉积SiC基体；当毛坯材料的密度≥1.3g/cm³后，将石墨模具脱除；重复本步骤，直到密度≥2.0g/cm³后即完成毛坯密封件制备。

步骤5、采用金刚石刀具将毛坯密封件按照目标尺寸加工，密封件厚度控制在2.5mm，加工后清洗、烘干，转入下一工序。

步骤6、采用步骤1的CVI工艺在加工后的毛坯高温弹性密封件表面沉积SiC防氧化涂层，厚度控制在500μm，完成高温弹性密封件制备。

步骤7、采用陶瓷基复合材料铆钉将制备的高温弹性密封件铆接在发动机热端部件需密封部位，完成本专利高温弹性密封件安装。

本实施实例得到的弹性密封件密度为2.5g/cm³，材料孔隙率小于5％。1650K条件下强度保持率≥98％，基体开裂应力170MPa；承受应力≤100MPa时，能保持线性回弹，1650K高温使用寿命≥10000小时。

实施实例3

步骤1、采用氮化硼等纤维制备弹性体预制体，预制体为3D结构，预制体厚度为6mm。

步骤2、将预制体放置在石墨内模和外模之间，压紧。石墨模具表面打孔，孔直径5mm。

步骤3、将带有模具的纤维预制体放置于CVD界面沉积设备中，界面层沉积温度为500～1100℃，沉积炉真空为3～50kPa，200L/min的Ar气作为保护气体，三氯化硼作为界面层前驱体气体，三氯化硼气体流量为450L/min，沉积时间为50h，界面厚度控制在700μm；

步骤4、将沉积界面后的预制体放置于CVI沉积设备中，开始SiC基体沉积。SiC陶瓷基体沉积温度为1100～1400℃，沉积炉抽真空至20～50kPa，100L/min的H₂气作为载气，三氯甲基硅烷作为SiC陶瓷基体前驱体，气体流量500L/min，单次沉积时间150h，多次沉积SiC基体；当毛坯材料的密度≥1.3g/cm³后，将石墨模具脱除；重复本步骤，直到密度≥2.0g/cm³后即完成毛坯密封件制备。

步骤5、采用金刚石刀具将毛坯密封件按照目标尺寸加工，密封件厚度控制在3mm，加工后清洗、烘干，转入下一工序。

步骤6、采用步骤4的CVI工艺在加工后的毛坯高温弹性密封件表面沉积SiC防氧化涂层，厚度控制在600μm，完成高温弹性密封件制备。

步骤7、采用陶瓷基复合材料铆钉将制备的高温弹性密封件铆接在发动机热端部件需密封部位，完成本专利高温弹性密封件安装。

本实施实例得到的弹性密封件密度为2.5g/cm³，材料孔隙率小于5％。1650K条件下强度保持率≥93％，基体开裂应力150MPa；承受应力≤100MPa时，保持线性回弹，1650K高温使用寿命≥15000小时。