陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法与流程

1.本发明属于航空发动机涡轮叶片制备技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法。


背景技术：

2.陶瓷基复合材料具有高强度、耐高温、轻质化、耐蠕变、抗氧化和强吸振等优异特点。其作为耐高温结构材料，应用温度能达到1350℃以上，在航空航天、核能等领域具有非常广阔的应用前景，特别是航空发动机涡轮叶片领域。陶瓷基复合材料被誉为新一代航空发动机的战略热结构材料，以陶瓷基复合材料为代表的新一代复合材料及其高精度制造技术代表着世界工业材料及制造技术的前沿，是航空工业竞争的热点，也是发动机制造领域最核心的技术。然而陶瓷基复合材料存在强韧性不足、脆性大、难加工等问题，难以精确成形出具有复杂结构的涡轮叶片，特别是我国的陶瓷基复合材料制备技术相对落后，难以将其真正工程化。
3.单晶高温合金在高温度、高应力和燃气腐蚀等条件下，其应用温度能达到1150℃，是航空发动机涡轮叶片中应用最广泛的材料。单晶高温合金避免了高温下晶界软化的缺点，弥补了传统高温合金偏析严重、热加工性能差和成型困难等缺点。由单晶高温合金制备而成的航空发动机涡轮导向叶片与燃气直接接触，需要在高温、高应力、强腐蚀性等极端环境下长时间工作。新一代航空发动机涡轮前进口的温度最高可达1800℃，现有的材料技术难以达到如此高温的水平。
4.陶瓷基复合材料和单晶高温合金的结合是当前研究的一大热点，利用陶瓷基复合材料优异的承温能力和轻质量特征将其制成叶身外壳，以此承受超高温，利用单晶高温合金良好的承温能力和高强持久特征将其制成榫头和内部金属承力杆，以此承担高应力。结合二者的优势后，新制成的陶瓷基复合材料和单晶高温合金异质叶片则兼具陶瓷基复合材料优异的高温性能和单晶高温合金良好的加工性能。
5.在此基础上，陶瓷基复合材料的叶身外壳与单晶高温合金的承力杆和缘板的连接存在较大问题：（1）陶瓷基复合材料的可制造性一般，难以在单晶高温合金件上直接制备出复杂结构陶瓷件，从而制备复合构件；（2）陶瓷基复合材料和单晶高温合金的热膨胀系数差异大，连接接头容易产生较大的残余应力，致使接头强度低；（3）单晶高温合金的铸造具备一体化特征，难以实现两者的有效连接。目前关于陶瓷基复合材料与单晶高温合金连接方法的研究有很多，包括机械连接、粘接连接、钎焊连接、固相扩散连接、瞬时液相连接、熔化焊、自蔓延高温合成连接、摩擦焊、微波连接和超声连接等方法，但是没有任何一种已知的方法能够在连接陶瓷基复合材料和单晶高温合金后使得样品在1300℃以上的高温下进行使用，因此需要开发一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法，以解决现有技术存在的问题。
6.申请公布号为cn102416464a的发明专利公开了一种制备等轴晶高温合金铸件合金/陶瓷界面反应试样的方法，包括以下步骤：采用传统熔模精密铸造工艺制备内部带有陶
瓷型芯的壳型；将壳型在定向凝固真空感应炉的加热器中加热到预计发生合金/陶瓷界面反应的不同温度并保温；将高温合金锭重熔并浇注进壳型空腔，再以一定速度抽拉出加热器，形成带型芯的定向凝固铸件或试棒；切取不同高度的定向凝固铸件或试棒，获得合金与陶瓷在同一温度下不同反应时间的数据。该技术方案虽然能够提高试验效率，但是高温合金与陶瓷材料连接形成复合构件，该复合构件在高温下的连接强度较低。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，包括上缘板、下缘板、承力杆、外层叶身和榫卯结构，所述上缘板、下缘板和承力杆为一体成型结构，所述承力杆为叶片形状，所述外层叶身与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构通过所述榫卯结构连接；所述榫卯结构包括榫头和榫槽，所述榫头嵌入所述榫槽的内部。
8.优选的是，所述上缘板、下缘板和承力杆上均设置若干个榫槽，所述榫槽的深度为3-30mm；所述外层叶身上设置若干个榫头，所述榫头的长度为3-30mm。更为优选的是，所述榫槽的深度为15-20mm，所述榫头的长度为15-20mm；所述榫卯结构为肩榫接合。
9.在上述任一方案中优选的是，所述上缘板、下缘板、承力杆和榫槽均由单晶高温合金制成，所述外层叶身和所述榫头均由陶瓷基复合材料制成；在与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的所述外层叶身的表面设置一层低热膨胀涂层，在与所述榫槽相接触的所述榫头的表面设置一层低热膨胀涂层。
10.在上述任一方案中优选的是，所述单晶高温合金中各元素的质量百分比为：cr为8-12wt%、co为3-7wt%、mo为1-5wt%、ta为1-3wt%、ti为0-1wt%、al为3-6wt%、hf为0-0.15wt%，余量为ni；所述单晶高温合金的熔点为1200-1400℃。
11.在上述任一方案中优选的是，所述陶瓷基复合材料包括碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料、碳纤维增强碳化硅基复合材料中的任一种；所述陶瓷基复合材料的密度不超过3g/cm3，孔隙率为0-2%，热膨胀系数为2-5
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，工作温度为1000-1400℃。本发明中，陶瓷基复合材料采用熔渗工艺（mi）、化学气相渗透工艺（cvi）、前驱体浸渍/裂解工艺（pip）或3d打印工艺（am）中的任一种制备而成，对具体工艺参数不做特殊限定。
12.在上述任一方案中优选的是，所述低热膨胀涂层的厚度为60-100μm。
13.本发明还提供一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，用于制备上述任一项所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，按照先后顺序包括以下步骤：步骤一：准备单晶高温合金、蜡料和型壳浆料备用；按照设计要求制作上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，按照要求的形状和尺寸制作外层叶身及其上的榫头；步骤二：采用电镀方法，在榫头的表面电镀一层低热膨胀涂层，同时在与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的外层叶身的表面电镀一层低热膨胀涂层；步骤三：待低热膨胀涂层电镀结束后，将外层叶身及其上的榫头与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具按照要求的位置放置，并按照设计要求压制陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模；
步骤四：待蜡模压制结束后，拆除上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，并将陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模组成模组，将该模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；步骤五：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶。
14.优选的是，步骤一中，单晶高温合金母合金采用真空感应熔炼制备而成，要求浮渣水平≤1%，夹杂物＜0.5级，o+n+s含量≤10ppm；蜡料选用f28蜡和浇道蜡，要求熔点在58-66℃，线收缩在0.6-0.8%，软化点在30-40℃；型壳浆料选用电熔刚玉砂，要求熔点在1900-2100℃，热膨胀系数小于3
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15.在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所使用的电解液含有钼元素、锰元素或镍元素中的任一种；若电解液中含有钼元素，则钼元素的含量为100-120g/l，即1l电解液中含有钼元素100-120g；若电解液中含有锰元素，则锰元素的含量为100-120g/l，即1l电解液中含有锰元素100-120g；若电解液中含有镍元素，则镍元素的含量为50-80g/l，即1l电解液中含有镍元素50-80g；向所述电解液中添加氨基磺酸和乙醇胺，所述氨基磺酸的添加量为20-40g/l，所述乙醇胺的添加量为20-40g/l，即向1l电解液中分别添加氨基磺酸20-40g、乙醇胺20-40g。
16.在上述任一方案中优选的是，步骤二中，电镀的工艺参数为，电流密度0.2-2a/cm2、电解温度70-85℃。
17.在上述任一方案中优选的是，步骤三中，压蜡温度为70-80℃、注射压力为5-10bar、注蜡时间为15-25s、保压时间为1-2min。
18.在上述任一方案中优选的是，步骤四中，型壳浆料的粘度为10-60s，挂砂粒度为30-60#，风干时间不低于5min，温度为18-28℃，湿度为30-70%。
19.在上述任一方案中优选的是，步骤五中，定向凝固的工艺参数为，浇注系统的型壳的保温温度1500-1530℃、保温时间15-30min、浇注温度1540-1560℃、抽拉速率3-5mm/min。
20.本发明中，对于蜡模压制方法、电镀方法、熔模精密铸造方法和定向凝固方法均采用传统的工艺方法即可，但是需要对工艺参数做特殊限定，具体限定如前所述。步骤一中，上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具由不锈钢材料制成；步骤四中，浇注系统包括自上而下依次连接的陶瓷浇口杯、金属支撑柱、浇道、若干个陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模、若干个螺旋选晶器和底盘。
21.本发明中，在熔模铸造的蜡模制备工艺过程中引入陶瓷叶身是一种全新的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的连接方式，利用了二者的高温特性和熔点差，在陶瓷基复合材料不发生熔化的前提下，使液态的单晶高温合金和固态的陶瓷基复合材料发生界面反应，通过完美的冶金结合实现复杂结构的精密制造。在此基础上，本发明还将在陶瓷叶身上电镀一层低热膨胀涂层，以解决高温下陶瓷基复合材料和单晶高温合金热膨胀系数不匹配的难题。此外，本发明还增加了榫卯结构，以此加强陶瓷基复合材料与单晶高温合金之间的连接强度，特别是在陶瓷基复合材料外层叶身部位与单晶高温合金上、下缘板以及单晶高温合金承力杆之间增加榫卯结构，以此加强连接强度。
22.本发明的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法，具有如下有益效果：
本发明的工艺简单，不需要改进现有工艺的生产线，只需要在中间添加一些简单的步骤即可实现，极大程度地降低了生产成本，节约了时间与资源，同时解决了高温热膨胀难题，在陶瓷基复合材料与单晶高温合金领域具有极大的应用前景。
23.本发明通过单晶高温合金和陶瓷基复合材料异质叶片一体成型，克服了高温下陶瓷基复合材料和单晶高温合金热膨胀系数不匹配的难题。
24.本发明能够明显减轻航空发动机涡轮导向器叶片的重量，结合陶瓷基复合材料叶身和单晶高温合金缘板，极大程度上降低了叶片的重量，在现有单晶高温合金叶片的基础上减重30%以上，同时避免了陶瓷基复合材料叶片的硬脆、难加工的缺点。
25.（4）本发明能够在1350℃以上的温度下工作，目前没有比单晶高温合金更轻、更耐高温、更持久的材料，本发明设计的多联体导叶及其制备方法，在单晶高温合金叶片的基础上极大地提升了涡轮叶片的工作温度，从而推动了航空发动机的代次更迭。
26.（5）本发明在单联导叶的基础上减重更多，性能更好，承温能力更高。
附图说明
27.图1为按照本发明陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的一优选实施例的结构示意图；图2为图1所示实施例中上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的示意图；图3为图1所示实施例中外层叶身的结构示意图；图4为图1所示实施例中榫卯结构的示意图。
28.图中标注说明：1-上缘板，2-下缘板，3-承力杆，4-外层叶身，5-榫卯结构，6-榫头，7-榫槽，8-低热膨胀涂层。
实施方式
29.为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例
30.如图1-4所示，按照本发明陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的一优选实施例，包括上缘板1、下缘板2、承力杆3、外层叶身4和榫卯结构5，所述上缘板1、下缘板2和承力杆3为一体成型结构，所述承力杆3为叶片形状，所述外层叶身4与所述上缘板1、下缘板2和承力杆3一体成型结构通过所述榫卯结构5连接；所述榫卯结构5包括榫头6和榫槽7，所述榫头6嵌入所述榫槽7的内部。
31.所述上缘板1、下缘板2和承力杆3上均设置若干个榫槽7，所述榫槽7的深度为15mm；所述外层叶身4上设置若干个榫头6，所述榫头6的长度为15mm。
32.所述上缘板1、下缘板2、承力杆3和榫槽7均由单晶高温合金制成，所述外层叶身4和所述榫头6均由陶瓷基复合材料制成；在与所述上缘板1、下缘板2和承力杆3一体成型结构相接触的所述外层叶身4的表面设置一层低热膨胀涂层8，在与所述榫槽7相接触的所述榫头6的表面设置一层低热膨胀涂层8，所述低热膨胀涂层8的厚度为80μm。
33.所述单晶高温合金中各元素的质量百分比为：cr为10wt%、co为5wt%、mo为3wt%、ta为2wt%、ti为0.5wt%、al为4.5wt%、hf为0.1wt%，余量为ni；所述单晶高温合金的熔点为1300
℃。
34.所述陶瓷基复合材料为碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料，其中纤维占复合材料总体积的30%；所述陶瓷基复合材料的密度为3g/cm3、孔隙率为1.2%、热膨胀系数为3
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、工作温度为1200℃。本实施例中，陶瓷基复合材料采用化学气相渗透工艺（cvi）制备而成，对具体工艺参数不做特殊限定。
35.本实施例还提供一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，用于制备上述陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，按照先后顺序包括以下步骤：步骤一：准备单晶高温合金、蜡料和型壳浆料备用；按照设计要求制作上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，按照要求的形状和尺寸制作外层叶身及其上的榫头；步骤二：采用电镀方法，在榫头的表面电镀一层低热膨胀涂层，同时在与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的外层叶身的表面电镀一层低热膨胀涂层；步骤三：待低热膨胀涂层电镀结束后，将外层叶身及其上的榫头与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具按照要求的位置放置，并按照设计要求压制陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模；步骤四：待蜡模压制结束后，拆除上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，并将陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模组成模组，将该模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；步骤五：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶。
36.步骤一中，单晶高温合金母合金采用真空感应熔炼制备而成，要求浮渣水平≤1%，夹杂物＜0.5级，o+n+s含量≤10ppm；蜡料选用f28蜡和浇道蜡，要求熔点为62℃，线收缩为0.7%，软化点为35℃；型壳浆料选用电熔刚玉砂，要求熔点为2000℃，热膨胀系数小于3
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37.步骤二中，所使用的电解液中含有钼元素，钼元素的含量为110g/l，即1l电解液中含有钼元素110g；同时向所述电解液中添加氨基磺酸和乙醇胺，所述氨基磺酸的添加量为30g/l，所述乙醇胺的添加量为30g/l，即向1l电解液中分别添加氨基磺酸30g、乙醇胺30g。电镀的工艺参数为，电流密度1.1a/cm2、电解温度80℃。
38.步骤三中，压蜡温度为75℃、注射压力为8bar、注蜡时间为20s、保压时间为1.5min。
39.步骤四中，型壳浆料的粘度为40s，挂砂粒度为40#，风干时间不低于5min，温度为23℃，湿度为50%。
40.步骤五中，定向凝固的工艺参数为，浇注系统的型壳的保温温度1515℃、保温时间25min、浇注温度1550℃、抽拉速率4mm/min。
41.本实施例中，对于蜡模压制方法、电镀方法、熔模精密铸造方法和定向凝固方法均采用传统的工艺方法即可，但是需要对工艺参数做特殊限定，具体限定如前所述。步骤一中，上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具由不锈钢材料制成；步骤四中，浇注系统包括自上而下依次连接的陶瓷浇口杯、金属支撑柱、浇道、若干个陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模、若干个螺旋选晶器和底盘。
42.本实施例中，在熔模铸造的蜡模制备工艺过程中引入陶瓷叶身是一种全新的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的连接方式，利用了二者的高温特性和熔点差，在陶瓷基复合材料不发生熔化的前提下，使液态的单晶高温合金和固态的陶瓷基复合材料发生界面反应，通过完美的冶金结合实现复杂结构的精密制造。在此基础上，本实施例还将在陶瓷叶身上电镀一层低热膨胀涂层，以解决高温下陶瓷基复合材料和单晶高温合金热膨胀系数不匹配的难题。此外，本实施例还增加了榫卯结构，以此加强陶瓷基复合材料与单晶高温合金之间的连接强度。
43.本实施例的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法，具有如下有益效果：工艺简单，不需要改进现有工艺的生产线，只需要在中间添加一些简单的步骤即可实现，极大程度地降低了生产成本，节约了时间与资源；通过单晶高温合金和陶瓷基复合材料异质叶片一体成型，克服了高温下陶瓷基复合材料和单晶高温合金热膨胀系数不匹配的难题；能够明显减轻航空发动机涡轮导向器叶片的重量，结合陶瓷基复合材料叶身和单晶高温合金缘板，极大程度上降低了叶片的重量，在现有单晶高温合金叶片的基础上减重30%以上，同时避免了陶瓷基复合材料叶片的硬脆、难加工的缺点；能够在1350℃以上的温度下工作。
实施例
44.按照本发明陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法的另一优选实施例，其多联体导叶的结构、制备方法、所使用的设备、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：（1）对于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶所述上缘板、下缘板和承力杆上均设置若干个榫槽，所述榫槽的深度为30mm；所述外层叶身上设置若干个榫头，所述榫头的长度为30mm。在与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的所述外层叶身的表面设置一层低热膨胀涂层，在与所述榫槽相接触的所述榫头的表面设置一层低热膨胀涂层，所述低热膨胀涂层的厚度为100μm。
45.所述单晶高温合金中各元素的质量百分比为：cr为12wt%、co为7wt%、mo为5wt%、ta为3wt%、ti为1wt%、al为6wt%、hf为0.15wt%，余量为ni；所述单晶高温合金的熔点为1400℃。
46.所述陶瓷基复合材料为碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料，其中纤维占复合材料总体积的40%；所述陶瓷基复合材料的密度为3g/cm3、孔隙率为2%、热膨胀系数为5
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、工作温度为1400℃。
47.（2）对于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法步骤一中，单晶高温合金母合金采用真空感应熔炼制备而成，要求浮渣水平≤1%，夹杂物＜0.5级，o+n+s含量≤10ppm；蜡料选用f28蜡和浇道蜡，要求熔点为66℃，线收缩为0.8%，软化点为40℃；型壳浆料选用电熔刚玉砂，要求熔点为2100℃，热膨胀系数小于3
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48.步骤二中，所使用的电解液中含有锰元素，锰元素的含量为120g/l，即1l电解液中含有锰元素120g；同时向所述电解液中添加氨基磺酸和乙醇胺，所述氨基磺酸的添加量为40g/l，所述乙醇胺的添加量为20g/l，即向1l电解液中分别添加氨基磺酸40g、乙醇胺20g。电镀的工艺参数为，电流密度2a/cm2、电解温度85℃。
49.步骤三中，压蜡温度为80℃、注射压力为10bar、注蜡时间为25s、保压时间为2min。
50.步骤四中，型壳浆料的粘度为60s，挂砂粒度为60#，风干时间不低于5min，温度为28℃，湿度为70%。
51.步骤五中，定向凝固的工艺参数为，浇注系统的型壳的保温温度1530℃、保温时间15min、浇注温度1560℃、抽拉速率3mm/min。
实施例
52.按照本发明陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法的另一优选实施例，其多联体导叶的结构、制备方法、所使用的设备、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：对于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶所述上缘板、下缘板和承力杆上均设置若干个榫槽，所述榫槽的深度为3mm；所述外层叶身上设置若干个榫头，所述榫头的长度为3mm。在与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的所述外层叶身的表面设置一层低热膨胀涂层，在与所述榫槽相接触的所述榫头的表面设置一层低热膨胀涂层，所述低热膨胀涂层的厚度为60μm。
53.所述单晶高温合金中各元素的质量百分比为：cr为8wt%、co为3wt%、mo为1wt%、ta为1wt%、ti为0.1wt%、al为3wt%、hf为0.05wt%，余量为ni；所述单晶高温合金的熔点为1200℃。
54.所述陶瓷基复合材料为碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料，其中纤维占复合材料总体积的20%；所述陶瓷基复合材料的密度为3g/cm3、孔隙率为0.5%、热膨胀系数为2
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、工作温度为1000℃。
55.（2）对于陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法步骤一中，单晶高温合金母合金采用真空感应熔炼制备而成，要求浮渣水平≤1%，夹杂物＜0.5级，o+n+s含量≤10ppm；蜡料选用f28蜡和浇道蜡，要求熔点为58℃，线收缩为0.6%，软化点为30℃；型壳浆料选用电熔刚玉砂，要求熔点为1900℃，热膨胀系数小于3
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56.步骤二中，所使用的电解液中含有镍元素，镍元素的含量为80g/l，即1l电解液中含有锰元素80g；同时向所述电解液中添加氨基磺酸和乙醇胺，所述氨基磺酸的添加量为20g/l，所述乙醇胺的添加量为40g/l，即向1l电解液中分别添加氨基磺酸20g、乙醇胺40g。电镀的工艺参数为，电流密度0.2a/cm2、电解温度70℃。
57.步骤三中，压蜡温度为70℃、注射压力为5bar、注蜡时间为15s、保压时间为1min。
58.步骤四中，型壳浆料的粘度为10s，挂砂粒度为30#，风干时间不低于5min，温度为18℃，湿度为30%。
59.步骤五中，定向凝固的工艺参数为，浇注系统的型壳的保温温度1500℃、保温时间30min、浇注温度1540℃、抽拉速率5mm/min。
60.特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。
61.本领域技术人员不难理解，本发明的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：包括上缘板、下缘板、承力杆、外层叶身和榫卯结构，所述上缘板、下缘板和承力杆为一体成型结构，所述承力杆为叶片形状，所述外层叶身与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构通过所述榫卯结构连接；所述榫卯结构包括榫头和榫槽，所述榫头嵌入所述榫槽的内部。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：所述上缘板、下缘板和承力杆上均设置若干个榫槽，所述榫槽的深度为3-30mm；所述外层叶身上设置若干个榫头，所述榫头的长度为3-30mm。3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：所述上缘板、下缘板、承力杆和榫槽均由单晶高温合金制成，所述外层叶身和所述榫头均由陶瓷基复合材料制成；在与所述上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的所述外层叶身的表面设置一层低热膨胀涂层，在与所述榫槽相接触的所述榫头的表面设置一层低热膨胀涂层。4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：所述单晶高温合金中各元素的质量百分比为，cr为8-12wt%、co为3-7wt%、mo为1-5wt%、ta为1-3wt%、ti为0-1wt%、al为3-6wt%、hf为0-0.15wt%，余量为ni；所述单晶高温合金的熔点为1200-1400℃。5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：所述陶瓷基复合材料包括碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料、碳纤维增强碳化硅基复合材料中的任一种；所述陶瓷基复合材料的密度不超过3g/cm3，孔隙率为0-2%，热膨胀系数为2-5
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，工作温度为1000-1400℃。6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，其特征在于：所述低热膨胀涂层的厚度为60-100μm。7.一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1-6中任一项所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶，按照先后顺序包括以下步骤，步骤一：准备单晶高温合金、蜡料和型壳浆料备用；按照设计要求制作上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，按照要求的形状和尺寸制作外层叶身及其上的榫头；步骤二：采用电镀方法，在榫头的表面电镀一层低热膨胀涂层，同时在与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构相接触的外层叶身的表面电镀一层低热膨胀涂层；步骤三：待低热膨胀涂层电镀结束后，将外层叶身及其上的榫头与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具按照要求的位置放置，并按照设计要求压制陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模；步骤四：待蜡模压制结束后，拆除上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构的模具，并将陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶蜡模组成模组，将该模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；步骤五：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼炉内，采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶。8.根据权利要求7所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，其特征在于：步骤二中，所使用的电解液含有钼元素、锰元素或镍元素中的任一种，若电解
液中含有钼元素，则钼元素的含量为100-120g/l，若电解液中含有锰元素，则锰元素的含量为100-120g/l，若电解液中含有镍元素，则镍元素的含量为50-80g/l；向所述电解液中添加氨基磺酸和乙醇胺，所述氨基磺酸的添加量为20-40g/l，所述乙醇胺的添加量为20-40g/l。9.根据权利要求8所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，其特征在于：步骤二中，电镀的工艺参数为，电流密度0.2-2a/cm2、电解温度70-85℃。10.根据权利要求9所述的陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶的制备方法，其特征在于：步骤五中，定向凝固的工艺参数为，浇注系统的型壳的保温温度1500-1530℃、保温时间15-30min、浇注温度1540-1560℃、抽拉速率3-5mm/min。

技术总结
本发明公开了一种陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法，该导叶包括上缘板、下缘板、承力杆、外层叶身和榫卯结构，上缘板、下缘板和承力杆为一体成型结构，外层叶身与一体成型结构通过榫卯结构连接。该制备方法包括以下步骤：在榫头表面以及在与上缘板、下缘板和承力杆一体成型结构接触的外层叶身表面均电镀一层低热膨胀涂层；压制陶瓷基复合材料与单晶高温合金多联体导叶蜡模；采用熔模精密铸造方法制备浇注系统型壳；采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后即可制得陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶。本发明通过单晶高温合金和陶瓷基复合材料异质叶片一体成型，解决了高温下陶瓷基材料和高温合金热膨胀系数不匹配的难题。系数不匹配的难题。系数不匹配的难题。


技术研发人员：赵云松 骆宇时 王尧 杨振宇 李远 张迈 张剑 王海文
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2023.09.14
技术公布日：2023/10/20