專利名稱：使用水基預(yù)浸漿料的cmc方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基體元件的制備，尤其涉及將水用作含有顆粒碳化硅、炭黑和高溫和低溫粘合劑的預(yù)浸漿料的液體載體的制劑。
背景技術(shù)：
在過去五十年中，高溫材料的發(fā)展已經(jīng)受到它們在要求苛刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)上的需要的推動。目前在燃?xì)廨啓C(jī)熱區(qū)使用的材料是基于鎳和鈷的超合金。在許多情況下，它們當(dāng)前使用溫度約為1100℃。
陶瓷是耐火材料，在遠(yuǎn)高于1100℃的溫度具有穩(wěn)定性，所以對燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用而言很有吸引力。單一結(jié)構(gòu)陶瓷，例如SiC和Si3N4，40年前就已經(jīng)制備出來了，但由于缺乏損傷容限以及災(zāi)難性失效模式，還沒能用于燃?xì)廨啓C(jī)。但是，陶瓷基體復(fù)合物(CMC)，尤其是那些用連續(xù)纖維增強(qiáng)的，具有明顯的損傷容限，而且失效模式更好。和其它CMC相比，熔融滲透(MI)SiC/SiC復(fù)合物對燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用尤其具有吸引力，這是因為它們的高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的抗熱沖擊性、抗蠕變性和抗氧化性。
已經(jīng)開發(fā)了多種制備MI-CMC的工藝方案。一種方法稱作“預(yù)浸方法”，另一種方法稱作“漿料澆注”方法。本發(fā)明主要涉及預(yù)浸方法。
典型預(yù)浸方法的第一步是通過化學(xué)汽相沉積(CVD)施加纖維涂層。在過去，CMC典型采用碳作為纖維涂層，但是已經(jīng)加入了氮化硼或摻硅氮化硼以提高抗氧化性。
施加了纖維涂層后，將該纖維束拖過含有預(yù)制基體組分(SiC和碳顆粒、粘合劑和溶劑)的漿料，然后繞在滾筒上形成單方向的預(yù)浸漬，即“預(yù)浸”，帶。然后將此帶干燥，從滾筒上取下，切割成形，敷層后得到所需的纖維結(jié)構(gòu)，層疊后形成原始復(fù)合預(yù)制體。
最終的致密化步驟是硅熔體滲透步驟。將含有具有涂層的SiC纖維、SiC和/或碳顆粒以及有機(jī)粘合劑的復(fù)合預(yù)制體，加熱到大于約1420℃，同時和熔融硅金屬源接觸。
目前用于預(yù)浸SiC預(yù)制體的漿料制劑采用的是非水性溶劑，這在工業(yè)應(yīng)用中帶來了危害。非水性溶劑一般與高溫及低溫粘合劑組合使用，這些粘合劑溶于該非水性溶劑但不溶于水。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及將水用作預(yù)浸漿料的液體載體的制劑。在示例性實施方案中，漿料含有水、顆粒碳化硅、炭黑、高溫粘合劑和低溫粘合劑。因此，本發(fā)明用危險性較小的水性系統(tǒng)取代了以前的非水性系統(tǒng)，不過作用方式基本相同。
相應(yīng)地，在一方面，本發(fā)明涉及形成陶瓷基體復(fù)合物元件的方法，包括(a)通過化學(xué)汽相沉積在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；和(c)將預(yù)浸帶繞在滾筒上。
在另一方面，本發(fā)明涉及形成陶瓷基體復(fù)合物元件的方法，包括(a)在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；(c)將預(yù)浸帶繞在滾筒上；(d)切割、敷層并層疊所述預(yù)浸帶，以形成復(fù)合預(yù)制體；(e)用熔融硅熔融滲透該預(yù)制體；以及(f)加工該預(yù)制體形成所述陶瓷基體復(fù)合物元件；其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠；并且其中所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
在又另一方面，本發(fā)明涉及形成陶瓷基體復(fù)合物元件的方法，包括(a)通過化學(xué)汽相沉積在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；(c)將預(yù)浸帶繞在滾筒上；(d)切割、敷層并層疊該預(yù)浸帶，以形成復(fù)合預(yù)制體；(e)用熔融硅熔融滲透該預(yù)制體；以及(f)將該預(yù)制體加工成燃?xì)廨啓C(jī)元件的形狀。
現(xiàn)在，結(jié)合下面給出的附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。


唯一的圖是在制備MI-CMC中使用的傳統(tǒng)預(yù)浸熔融滲透(PrepregMelt Infiltration)方法的示意圖。
具體實施例方式
參見該圖，用于制備MI-CMC的傳統(tǒng)預(yù)浸方法從SiC多纖維的纖維束，典型是Hi-NicalonTM或SylramicTM纖維開始。具體地說，該纖維束10從滾輪或滾筒12上解繞，通過室或腔14，在此處通過傳統(tǒng)化學(xué)汽相沉積(CVD)法對纖維施加涂層。該纖維涂層，典型具有陶瓷材料，在復(fù)合物加工時起到保護(hù)纖維的作用并提供低強(qiáng)度纖維-基體界面，從而使得纖維-基體剝離以及纖維拔出增韌(fiber pull-outtoughening)機(jī)制可行。CMC典型采用碳作為纖維涂層，但現(xiàn)在也加入了氮化硼或摻硅氮化硼以提高抗氧化性。
在采用CVD施加了纖維涂層后，纖維束被拖過含有非水性預(yù)制基體漿料的基體漿料容器16，其中該非水性預(yù)制基體漿料含有SiC、碳顆粒、粘合劑和溶劑。隨后將纖維束繞在滾筒18上形成單方向預(yù)浸漬帶。接著將該帶干燥，從滾筒上取下，切割成形并敷層得到所需的纖維結(jié)構(gòu)，然后層疊形成原始復(fù)合預(yù)制體20。如果需要的話，預(yù)制體的加工可以在這個階段進(jìn)行，這樣有助于減少致密化后該部分的最終加工量。
最后的致密化步驟通常被稱為硅熔融滲透。復(fù)合預(yù)制體20，含有具有涂層的SiC纖維、SiC和/或碳顆粒，該復(fù)合預(yù)制體20被加熱到約1420℃以上，同時和熔融硅金屬源接觸。熔融硅很容易潤濕SiC和/或碳，所以很容易通過毛細(xì)方法被拖進(jìn)預(yù)制體的殘余孔隙里。滲透不需要外來的驅(qū)動力，并且復(fù)合預(yù)制體沒有尺寸變化。
在本發(fā)明的一個示例性實施方案中，引入容器16的水基預(yù)浸基體漿料制劑中，除水以外，還包括作為低溫粘合劑的RhoplexB-60A(丙烯酸乳膠)和作為高溫粘合劑的Rugters Plenco單級(singlestage)酚醛樹脂No.12114。碳化硅粉(HSC-059)和當(dāng)前在非水性系統(tǒng)中使用的相同，炭黑也是如此。由于水基系統(tǒng)的性質(zhì)，可以與任何合適的pH控制組分一起加入已知的分散劑。
為了證實如上所述的預(yù)浸漿料的有效性，進(jìn)行下面的步驟在1000ml廣口瓶中放入164g去離子水、3g TEGO Dispers 750和140gHSC-059 SiC以及氧化鋁磨球。讓廣口瓶轉(zhuǎn)動或滾動過夜。大約12小時后，沒有可見的SiC塊，然后按照給定順序?qū)⑾铝形镔|(zhì)加入廣口瓶中，在每次加入之間搖動廣口瓶3g TEGO、60g炭黑、2g氫氧化銨、68.3g RhoplexB-60A乳膠和56g酚醛樹脂。讓該制劑在廣口瓶中滾轉(zhuǎn)1小時。取少量置于燒杯中在真空下除氣。澆注到塑料片上。干燥后，層疊該澆注物。申請人發(fā)現(xiàn)該漿料的表現(xiàn)和傳統(tǒng)非水性漿料非常相似。根據(jù)上述方法，現(xiàn)在也制備出了實際的元件部分，這進(jìn)一步證實了使用水基預(yù)浸漿料的可行性。
一種可替換的方法是通過將填充的纖維束或帶通過干燥器而完全固化丙烯酸樹脂粘合劑來干燥纖維束或帶。隨后，該纖維束或帶可以通過諸如丙酮或醇的安全溶劑，并可以通過諸如帶連接(tapeplacement)的方法來制備部件。這種技術(shù)廣泛用于有機(jī)復(fù)合物工業(yè)。
此處描述的方法可以用來制備許多不同的燃?xì)廨啓C(jī)元件，包括燃燒室襯里、罩蓋和其它大的要求耐高溫的三維部件。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為是最實際和優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該理解本發(fā)明不限于公開的實施方案，而相反是為了涵蓋在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)所包括的各種修改和等同方案。
附圖標(biāo)記說明纖維束10滾輪或滾筒12室或腔14基體漿料容器16滾筒18復(fù)合預(yù)制體20
權(quán)利要求
1.一種形成陶瓷基體復(fù)合元件的方法，包括a)通過化學(xué)汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；b)將纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；和c)將所述預(yù)浸帶繞在滾筒(18)上。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括d)切割、敷層和層疊所述預(yù)浸帶，以形成復(fù)合預(yù)制體(20)；和e)用熔融硅熔融滲透所述預(yù)制體。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
5.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒(18)上取下。
6.權(quán)利要求4的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒(18)上取下。
7.一種形成陶瓷基體復(fù)合元件的方法，包括a)在纖維束(10)上施加纖維涂層；b)將所述纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；c)將所述預(yù)浸帶繞在滾筒(18)上；d)切割、敷層和層疊所述預(yù)浸帶，以形成復(fù)合預(yù)制體(20)；e)用熔融硅熔融滲透所述預(yù)制體(20)；和f)加工所述預(yù)制體以形成陶瓷基體復(fù)合元件；其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠；和所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述復(fù)合元件包含燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的燃燒室元件。
9.一種形成陶瓷基體復(fù)合燃?xì)廨啓C(jī)元件的方法，包括(a)通過化學(xué)汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；(b)將所述纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；(c)將所述預(yù)浸帶繞在滾筒(18)上；(d)切割、敷層并層疊所述預(yù)浸帶，以形成復(fù)合預(yù)制體(20)；(e)用熔融硅熔融滲透該預(yù)制體；以及(f)將該預(yù)制體加工成所述燃?xì)廨啓C(jī)元件的形狀。
10.權(quán)利要求9的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒上取下。
全文摘要
一種形成陶瓷基體復(fù)合元件例如汽輪機(jī)元件的方法，包括(a)通過化學(xué)汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；(b)將纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預(yù)浸帶；和(c)將預(yù)浸帶繞在滾筒(18)上。
文檔編號C04B35/84GK1749217SQ200510091660
公開日2006年3月22日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者R·L·K·馬特蘇莫托 申請人:通用電氣公司