陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品和用于形成其的方法
【專(zhuān)利摘要】一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品包括：具有游離硅比例的熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料；以及設(shè)置在基底的至少一部分的外表面上的基本上沒(méi)有游離硅比例的化學(xué)汽相滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品和用于形成其的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)涉及由Steibel等人在2015年—提交且題為〃Ceramic Matrix CompositeArticles And Methods For Forming Same〃的共同轉(zhuǎn)讓的共同提交的專(zhuān)利申請(qǐng)序列第—號(hào)(代理人卷號(hào)279701-1)，其在此通過(guò)引用將其整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開(kāi)內(nèi)容大體上涉及陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)，并且更具體地涉及制品和用于形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]陶瓷基質(zhì)復(fù)合物大體上包括嵌入陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料在基質(zhì)開(kāi)裂的情況下用作CMC的承載組分，同時(shí)陶瓷基質(zhì)保護(hù)增強(qiáng)材料、保持其纖維的定向，且用于將負(fù)載消散至增強(qiáng)材料。對(duì)于諸如燃?xì)廨啓C(jī)中的高溫應(yīng)用，特別關(guān)注硅基復(fù)合物，其包括作為基質(zhì)和/或增強(qiáng)材料的碳化硅(SiC)。
[0004]不同的處理方法已經(jīng)用于形成CMC。例如，一種途徑包括熔體滲入(MI)，其使用熔化硅來(lái)滲入含有纖維的預(yù)形件中。由預(yù)浸料坯MI形成的CMC通常是全致密的，例如，具有大體上為零或小于3體積百分?jǐn)?shù)的殘余孔隙度。該極低的孔隙度給予復(fù)合物期望的機(jī)械性能，
諸如高比例極限強(qiáng)度和層間抗拉和抗剪強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率和良好的抗氧化性能。然而，MI復(fù)合物的基質(zhì)包含游離硅相(即，元素硅或硅合金)，其將系統(tǒng)的使用溫度限于硅或硅合金的熔點(diǎn)以下，或大約2550華氏度到2570華氏度。此外，游離硅相引起MI SiC基質(zhì)具有相對(duì)弱的抗蠕變性。
[0005]用于形成CMC的另一種途徑為化學(xué)汽相滲入(CVI)XVI為基質(zhì)材料由此通過(guò)使用高溫下的活性氣體以形成纖維增強(qiáng)復(fù)合物而滲入纖維預(yù)形件中的過(guò)程。大體上，由具有擴(kuò)散到預(yù)形件中的反應(yīng)物和擴(kuò)散出預(yù)形件的旁通氣體引入的限制導(dǎo)致了復(fù)合物中大約百分之10到大約百分之15之間的相對(duì)較高的殘余孔隙度。具體而言，典型地在使用CVI形成CMC中，由CVI形成的復(fù)合物的內(nèi)部典型地具有高于復(fù)合物的外部的孔隙度的孔隙度。相比于MICMC，該孔隙度的存在降低了CVI CMC的平面中和貫穿厚度的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和抗氧化性。然而，CVI復(fù)合物基質(zhì)通常沒(méi)有游離硅相，且因此具有好于MI基質(zhì)的抗蠕變性和在高于2570華氏度的溫度下操作的潛在可能。
[0006]用于形成CMC的另一途徑包括首先使用部分CVI工藝，隨后是MI工藝，且大體上稱(chēng)為〃漿料鑄造MI"。該途徑通常產(chǎn)生MI復(fù)合物與CVI復(fù)合物之間的中間孔隙度，大體上在大約百分之5到大約百分之7之間，且產(chǎn)生復(fù)合物基質(zhì)內(nèi)的殘余游離硅相。
[0007]所需的是一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)，并且更具體是制品和形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在第一方面，本公開(kāi)內(nèi)容提供了一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其包括:具有游離硅比例的熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料;設(shè)置在基底的至少一部分的外表面上的沒(méi)有游離硅比例的化學(xué)汽相滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0009]在第二方面，本公開(kāi)內(nèi)容提供了一種用于形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的方法。該方法包括通過(guò)熔體滲入形成具有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料，以及通過(guò)化學(xué)汽相滲入形成設(shè)置在基底的至少一部分上的沒(méi)有游離硅的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0010]本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，包括:具有游離硅比例的熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料;設(shè)置在基底的至少一部分的外表面上的沒(méi)有游離硅的化學(xué)汽相滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0011]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底大體上包括碳化硅和游離硅，且外層大體上包括純碳化硅。
[0012]本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底大體上包括碳化硅和游離硅，且外層大體上包括碳化硅和游離碳。
[0013]本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底包括第一抗蠕變性，外層包括第二抗蠕變性，且第二抗蠕變性大于第一抗蠕變性。
[0014]本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底包括第一溫度能力，外層包括第二溫度能力，且第二溫度能力大于第一溫度能力。
[0015]本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底包括預(yù)浸料坯熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。
[0016]本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底包括漿料鑄造熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。
[0017]本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底的陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括多個(gè)單向增強(qiáng)纖維。
[0018]本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外層的陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括至少一層單向增強(qiáng)纖維。
[0019]本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外層的陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括多層單向增強(qiáng)纖維。
[0020]本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外層的陶瓷纖維增強(qiáng)物包括一層或更多層織造增強(qiáng)纖維。
[0021]本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基底的陶瓷纖維增強(qiáng)材料與外層的陶瓷纖維增強(qiáng)材料相同。
[0022]本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，CVI復(fù)合物表面層由氧化物材料進(jìn)一步滲入。
[0023]本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括設(shè)置在外層上的環(huán)境阻隔層。
[0024]本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，制品可在超過(guò)2，400華氏度的溫度下操作。
[0025]本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，制品包括渦輪構(gòu)件。
[0026]本發(fā)明的第十七技術(shù)方案提供了一種用于形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的方法，方法包括:通過(guò)熔體滲入形成具有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料；以及通過(guò)化學(xué)汽相滲入形成設(shè)置在基底的至少一部分上的沒(méi)有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0027]本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，基底大體上包括碳化硅和游離硅，且外層大體上包括純碳化硅。
[0028]本發(fā)明的第十九技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，基底大體上包括碳化硅和游離硅，且外層大體上包括碳化硅和游離碳。
[0029]本發(fā)明的第二十技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，外層的抗蠕變性大于基底的抗蠕變性。
[0030]本發(fā)明的第二十一技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，外層的溫度能力大于基底的溫度能力。
[0031]本發(fā)明的第二十二技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底包括疊布多個(gè)預(yù)浸料坯單向帶。
[0032]本發(fā)明的第二十三技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底包括疊布多個(gè)織造纖維板層。
[0033]本發(fā)明的第二十四技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層包括將至少一個(gè)預(yù)浸料坯單向帶疊布到陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底上。
[0034]本發(fā)明的第二十五技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的形成包括將多個(gè)預(yù)浸料坯單向帶疊布到陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底上。
[0035]本發(fā)明的第二十六技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層包括將由織造纖維制成的一個(gè)或更多個(gè)預(yù)浸料坯疊布到陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底上。
[0036]本發(fā)明的第二十七技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，基底的陶瓷纖維增強(qiáng)材料與外層的陶瓷纖維增強(qiáng)材料相同。
[0037]本發(fā)明的第二十八技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底包括由預(yù)浸料坯熔體滲入形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。
[0038]本發(fā)明的第二十九技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，形成熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底包括形成漿料鑄造熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。
[0039]本發(fā)明的第三十技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，由化學(xué)汽相滲入形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層還包括煅燒外層來(lái)提高外層的陶瓷基質(zhì)材料的結(jié)晶度或粒度。
[0040]本發(fā)明的第三十一技術(shù)方案是在第三十二技術(shù)方案中，由熔體滲入形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底還包括從基底的表面除去硅。
【附圖說(shuō)明】
[0041]本公開(kāi)內(nèi)容的前述及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將從連同附圖的本公開(kāi)內(nèi)容的各種方面的以下詳細(xì)描述中變得清楚，在附圖中:
圖1為具有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底和陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的截面視圖；
圖2為圖1的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底的截面視圖；
圖3為帶有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的圖2的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底的截面視圖；
圖4為具有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底和陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的CMC制品的截面視圖；
圖5為具有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底和陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的CMC制品的透視圖；以及
圖6為用于形成按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的具有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底和陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層的CMC制品的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]詳細(xì)描述便于闡釋本公開(kāi)內(nèi)容的某些方面，且不應(yīng)當(dāng)理解為限制本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。此外，如本文在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求各處使用的近似語(yǔ)言可用于修飾可容許在不導(dǎo)致其涉及的基本功能的變化的情況下改變的任何數(shù)量表示。因此，由用語(yǔ)或多個(gè)用語(yǔ)(諸如〃大約〃)修飾的值不限于指定的精確值。在一些情況下，近似語(yǔ)言可對(duì)應(yīng)于用于測(cè)量值的器具的精確性。當(dāng)介紹各種實(shí)施例的元件時(shí)，詞語(yǔ)〃一〃、〃一個(gè)〃、〃該〃和〃所述〃旨在表示存在一個(gè)或更多個(gè)元件。用語(yǔ)"包括"、"包含"和"具有"旨在為包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。如本文中所使用的，用語(yǔ)〃可〃和〃可為〃是指出現(xiàn)在一組環(huán)境中的可能性;擁有指定性質(zhì)、特征或功能;和/或通過(guò)表示與合格動(dòng)詞相關(guān)聯(lián)的能力、性能或可能性中的一個(gè)或更多個(gè)使另一個(gè)動(dòng)詞合格。因此，"可"和"可為"的使用是指修飾的用語(yǔ)表面上是適合、有能力或適用于指出的容量、功能或使用，同時(shí)考慮了在一些情況中，修飾的用語(yǔ)有時(shí)可不是適合、有能力或適用的。操作參數(shù)的任何實(shí)例并未排除公開(kāi)的實(shí)施例的其它參數(shù)。本文參照任何特定實(shí)施例描述、示出或以其它方式公開(kāi)的構(gòu)件、方面、特征、構(gòu)造、布置、使用等可類(lèi)似地應(yīng)用于本文公開(kāi)的任何其它實(shí)施例。
[0043]大體上，本公開(kāi)內(nèi)容針對(duì)一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)制品，其具有大體上良好的機(jī)械性能，諸如抗拉和抗壓強(qiáng)度，連同提高的抗蠕變性，諸如一定時(shí)間內(nèi)由于應(yīng)力和/或升高的溫度能力引起的變形或形狀變化的抵抗力。例如，CMC制品可包括CMC基底和外CMC表皮或?qū)印MC基底和外CMC表皮或?qū)涌删哂胁煌再|(zhì)，以允許CMC制品的定制來(lái)導(dǎo)致CMC制品具有大體上良好的機(jī)械性能，帶有提高的抗婦變性(對(duì)一定時(shí)間內(nèi)由應(yīng)力引起的變形或形狀變化的抵抗力)和提高的溫度能力。本公開(kāi)內(nèi)容的技術(shù)導(dǎo)致CMC基底和CMC外層兩者為具有增強(qiáng)材料的CMC，且因此，CMC基底和CMC外層兩者提供機(jī)械性能，諸如抗拉和抗壓強(qiáng)度。此外，CMC外層還可向CMC制品提供提高的抗蠕變性和提高的溫度能力。本公開(kāi)內(nèi)容的該技術(shù)可在CMC構(gòu)件中有利，其中表面應(yīng)力較高，且其中蠕變通常成問(wèn)題，或其中經(jīng)歷高溫。例如，許多渦輪構(gòu)件具有模擬彎曲狀態(tài)的熱和機(jī)械應(yīng)力。在彎曲中，平面內(nèi)應(yīng)力在表面處最高。因此，將帶有較高溫度能力的更抗蠕變的材料置于表面上可改善作為總體的結(jié)構(gòu)的蠕變響應(yīng)和熱能力。
[0044]圖1示出了按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的具有CMC基底20和CMC表皮或外層50的CMC制品10。如下文更詳細(xì)所述，CMC基底20可包括具有一定游離硅含量或比例(例如，關(guān)于總體上的基底的元素硅或硅合金的量)的陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。這里用語(yǔ)游離硅是指元素硅或硅合金的存在，其中硅構(gòu)成合金的大于大約33原子百分?jǐn)?shù)。CMC外層50可包括設(shè)置在CMC基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。CMC外層50不包括游離硅含量或比例。CMC基底20可為富硅碳化硅基底，其例如具有游離硅(例如，按元素硅或硅合金相的體積的大約百分之5、百分之10、百分之15、百分之20、百分之30或更多游離硅)XMC基底20可大體上全致密，或沒(méi)有或很小孔隙度(例如，大約百分之0、小于百分之5，在大約百分之O到小于百分之5之間)<XMC外層50可大體上不包含或包含零硅含量碳化硅，或略微富碳的碳化硅。CMC基底20可由第一過(guò)程形成，且CMC外層50可由不同于第一過(guò)程的第二過(guò)程形成。例如，CMC基底可通過(guò)使用熔體滲入過(guò)程形成，且外層使用化學(xué)汽相滲入過(guò)程形成。外層50可具有好于基底20的抗蠕變性，且可導(dǎo)致CMC制品10具有大于沒(méi)有外層50的CMC制品的抗蠕變性的抗蠕變性。沒(méi)有游離元素硅或硅合金的CMC外層50相比于CMC基底20(其可包括游離硅)可經(jīng)得起較高溫度(例如，高于硅的熔點(diǎn))，且可導(dǎo)致CMC基底10可經(jīng)得起大于沒(méi)有外層50的CMC制品所能經(jīng)受的溫度的溫度。
[0045]參看圖2，CMC制品10 (圖1)可包括首先形成CMC基底20。CMC基底20的表面區(qū)域可包括多個(gè)薄層22，其各自源自獨(dú)立的預(yù)浸料坯，其包括以陶瓷基質(zhì)前體浸漬的單相對(duì)準(zhǔn)的束
24。結(jié)果，各個(gè)薄層22均包括包圍在焚燒和熔體滲入期間由陶瓷基質(zhì)前體的轉(zhuǎn)變形成的陶瓷基質(zhì)26中的單向?qū)?zhǔn)的纖維25。
[0046]例如，CMC基底20可由多層〃預(yù)浸料坯"制成，其通常為帶狀結(jié)構(gòu)，包括浸漬CMC基質(zhì)材料的前體的期望的CMC的增強(qiáng)材料。預(yù)浸料坯可經(jīng)歷處理(包括焚燒)來(lái)將前體轉(zhuǎn)換成期望的陶瓷。預(yù)浸料坯可為連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合物(CFCC)材料，且可包括二維纖維陣列，其包括浸漬有基質(zhì)前體的單向?qū)?zhǔn)的束的單層，以產(chǎn)生大體上二維的薄層。所得的預(yù)浸料坯的多個(gè)板層堆疊和減積(debulk)，以形成薄層預(yù)形件(稱(chēng)為"疊布(lay-up)"的過(guò)程)。預(yù)浸料坯典型地布置成使得預(yù)浸料坯層的束定向成彼此橫穿(例如，垂直)或成角，以在預(yù)形件的薄層平面中對(duì)應(yīng)于最終CMC構(gòu)件的主要(承載)方向)提供較大強(qiáng)度。
[0047]在疊布之后，疊層預(yù)形件可經(jīng)歷減積和固化，同時(shí)經(jīng)歷施加的壓力和升高的溫度，諸如在高壓釜中。在熔體滲入(MI)的情況下，減積和固化預(yù)形件經(jīng)歷附加處理。首先，預(yù)形件可在真空或在惰性氣氛中加熱，以便分解有機(jī)粘合劑，其中至少一者在該熱處理期間熱解以形成碳炭，且產(chǎn)生用于熔體滲入的多孔預(yù)形件。作為與粘結(jié)劑燒盡步驟的同一加熱循環(huán)的一部分或在獨(dú)立的隨后加熱步驟中的進(jìn)一步加熱，預(yù)形件被熔體滲入，諸如利用外部供應(yīng)的熔化的硅。熔化的硅滲入孔隙中，與基質(zhì)的碳組分反應(yīng)以形成碳化硅，且填充孔隙來(lái)產(chǎn)生期望的CMC基底。
[0048]參看圖3，CMC制品10可包括在最初形成的CMC基底20上形成外層50。例如，薄層52可源于獨(dú)立的預(yù)浸料坯，其包括浸漬有陶瓷基質(zhì)前體的單向?qū)?zhǔn)的束54。薄層52包含包圍在焚燒和化學(xué)汽相滲入(CVI)期間由陶瓷基質(zhì)前體的轉(zhuǎn)變形成的陶瓷基質(zhì)56中的單向?qū)?zhǔn)的纖維55。
[0049]例如，CMC外層50可由通常為片狀結(jié)構(gòu)形式的〃預(yù)浸料坯〃的層制成，其包括浸漬有CMC基質(zhì)材料的前體的期望的CMC的增強(qiáng)材料。預(yù)浸料坯經(jīng)歷處理(包括焚燒)來(lái)將前體轉(zhuǎn)變成期望的陶瓷。預(yù)浸料坯可為連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合物(CFCC)材料，且可包括二維纖維陣列，其包括浸漬有基質(zhì)前體的單向?qū)?zhǔn)的束的單層，以產(chǎn)生大體上二維的薄層。作為備選，預(yù)浸料坯可包括帶有織造纖維的層。預(yù)浸料坯的板層可設(shè)置在CMC基底上。預(yù)浸料坯可布置成使得預(yù)浸料坯層的束平行、橫穿(例如，垂直于)CMC基底的最外層的束或與CMC基底的最外層的束成角來(lái)定向。
[0050]預(yù)浸料坯層可經(jīng)歷固化，同時(shí)經(jīng)歷施加的壓力和升高溫度，諸如在高壓釜中或局部施加的壓力和熱下。在化學(xué)汽相滲入(CVI)的情況下，固化的預(yù)形件經(jīng)歷附加的處理。首選，設(shè)置在CMC基底上的預(yù)浸料坯層可在真空中或在惰性氣氛中加熱，以便分解有機(jī)粘結(jié)劑，其中至少一者在此熱處理期間熱解以形成陶瓷炭，且產(chǎn)生用于化學(xué)汽相滲入的多孔層。作為與粘合劑燒盡步驟的同一加熱循環(huán)的一部分或在獨(dú)立的隨后加熱步驟中的進(jìn)一步加熱，層被化學(xué)汽相滲入，諸如利用外部供應(yīng)的氣態(tài)碳化硅源。執(zhí)行CVI過(guò)程的適合的反應(yīng)性氣體和處理?xiàng)l件是本領(lǐng)域中公知的。氣態(tài)碳化硅源滲入多孔中，在多孔基底的內(nèi)表面上反應(yīng)以沉積沒(méi)有游離Si金屬的SiC。
[0051]圖4示出了按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的具有CMC基底100和CMC表皮或外層150的CMC制品110。CMC基底120可包括具有游離硅比例或含量的陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料，且CMC外層150可包括設(shè)置在CMC基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。CMC外層150可基本上不包括游離硅比例或含量。例如，CMC基底120可具有大體上完整密度，或沒(méi)有或很少孔隙度(例如，大約百分之O、小于百分之5，或在大約百分之O到小于百分之5之間)<XMC基底120可為富硅碳化硅基底，其例如具有游離硅(例如，按元素娃或娃合金相的體積的大約百分之5、百分之10、百分之15、百分之120、百分之30或更多游離硅)XMC外層150大體上可為純碳化硅、大體上沒(méi)有或具有零游離硅含量的碳化硅，或略微富碳的碳化硅。CMC基底120可由第一過(guò)程形成，且CMC外層150可由不同于第一過(guò)程的第二過(guò)程形成。例如，CMC基底可通過(guò)使用熔體滲入過(guò)程形成，且外層使用化學(xué)汽相滲入過(guò)程形成。具有好于基底120的抗蠕變性的外層150可導(dǎo)致CMC制品110具有大于沒(méi)有外層150的CMC制品的抗蠕變性的抗蠕變性。可不具有游離硅或硅合金的CMC外層150可相比于CMC基底120(其可包括游離硅)經(jīng)得起更高的溫度(例如，高于硅的熔體)，且可導(dǎo)致CMC制品110可經(jīng)得起高于沒(méi)有外層150的CMC制品所能經(jīng)受的溫度的溫度。
[0052]CMC制品110可包括首先以類(lèi)似于上文結(jié)合形成基底20(圖2)的方式形成CMC基底120。仍參看圖4，CMC制品110可包括在最初形成的CMC基底120上形成外層150。例如，外層150可包括多個(gè)薄層152，其各自源自獨(dú)立的預(yù)浸料坯，其包括浸漬有陶瓷基質(zhì)前體的單向?qū)?zhǔn)的束。各個(gè)薄層152可包含包圍在焚燒和化學(xué)汽相滲入(CVI)期間由陶瓷基質(zhì)前體的轉(zhuǎn)變形成的陶瓷基質(zhì)中的單向?qū)?zhǔn)的纖維或織造纖維。
[0053]例如，CMC外層150可由通常為帶狀結(jié)構(gòu)形式的〃預(yù)浸料坯〃的多層制成，其包括浸漬有CMC基質(zhì)材料的前體的期望的CMC的增強(qiáng)材料。預(yù)浸料坯經(jīng)歷處理(包括焚燒)來(lái)將前體轉(zhuǎn)變成期望的陶瓷。預(yù)浸料坯可為連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合物(CFCC)材料，且可包括二維纖維陣列，其包括浸漬有基質(zhì)前體的單向?qū)?zhǔn)的束的單層，以產(chǎn)生大體上二維的薄層。作為備選，預(yù)浸料坯可包括帶有織造纖維的層。所得的預(yù)浸料坯的多個(gè)板層堆疊和減積。預(yù)浸料坯通常布置成使得預(yù)浸料坯層的束平行于、橫穿(例如，垂直于)于CMC基底的最外層的束或與CMC基底的最外層的束成角來(lái)定向。
[0054]多個(gè)層典型地可經(jīng)歷減積和固化，同時(shí)經(jīng)歷施加的壓力和升高溫度，諸如在高壓釜或壓力和熱的局部施加中。在化學(xué)汽相滲入(CVI)的情況下，減積和固化的多個(gè)層可經(jīng)歷附加的處理。首先，設(shè)置在CMC基底上的多個(gè)層可在真空中或在惰性氣氛中加熱，以便分解有機(jī)粘結(jié)劑，其中至少一者在該熱處理期間熱解來(lái)形成陶瓷炭，且產(chǎn)生用于化學(xué)汽相滲入的多孔層。作為與粘合劑燒盡步驟的同一加熱循環(huán)的一部分或在獨(dú)立的隨后加熱步驟中的進(jìn)一步加熱，多孔層被化學(xué)汽相滲入，諸如利用外部供應(yīng)的氣態(tài)碳化硅源。氣態(tài)碳化硅源滲入多孔中，反應(yīng)來(lái)將SiC沉積在多孔層的內(nèi)部孔隙表面來(lái)形成具有比基底低的游離硅含量(例如，優(yōu)選零)的碳化硅復(fù)合物。
[0055]備選實(shí)施例將MI復(fù)合物基底置入模具中，一層或更多層纖維板層占據(jù)MI復(fù)合物基底的外表面與模具的內(nèi)表面之間的空間，以及經(jīng)歷CVI密實(shí)化的結(jié)構(gòu)。模具材料將與CVI過(guò)程相容，且將包含孔或通道，其將允許反應(yīng)性氣體的向內(nèi)擴(kuò)散和反應(yīng)產(chǎn)物氣體的向外擴(kuò)散。此模具材料(諸如碳)和孔構(gòu)造是CVI技術(shù)中公知的。
[0056]在以上實(shí)施例中，用于束的材料可為SiC纖維。適用于束的材料的實(shí)例為來(lái)自Nippon Carbon C0., Ltd的H1-NICALON ?。用于纖維的直徑的適合范圍為大約二到大約二十微米，但具有更大和更小直徑的纖維也在本公開(kāi)內(nèi)容的范圍內(nèi)。纖維可優(yōu)選地涂布有材料，以將某些期望的性質(zhì)給予CMC基底和/或CMC外層，諸如碳或氮化硼中間層(未示出)。外層中的纖維可在形成在預(yù)浸料坯帶中且施加到MI CMC基底上之前涂布，或纖維涂層可在CVI過(guò)程的初始部分期間施加。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)內(nèi)容的教導(dǎo)內(nèi)容還適用于其它CMC材料組合，且此組合在本公開(kāi)內(nèi)容的范圍內(nèi)。
[0057]如上文所述，由CVI過(guò)程形成的大體上沒(méi)有游離硅相的CMC外層可導(dǎo)致CMC外層具有大于由MI形成的CMC基底的抗蠕變性和/或溫度能力，且具有大體上完整密度，或沒(méi)有或有很少孔隙度，諸如大約百分之0，小于百分之5，或在大約百分之O到小于百分之5之間。此夕卜，諸如由硅熔體滲入形成的CMC基底可導(dǎo)致富硅碳化硅基底，其例如具有按元素硅或硅合金相的體積的百分之5、百分之10、百分之15、百分之20、百分之30或更多的游離硅。CMC外層可大體上包括純碳化硅，例如，大約I比I的硅與碳的比例，或略微富碳，諸如0.995的硅與1.005的碳的比率。用于形成CMC制品的板層或單向帶的厚度可為大約3mil(0.003英寸)到大約20mil(0.020英寸)<XMC制品可形成為具有增強(qiáng)纖維的單個(gè)板層或?qū)?、增?qiáng)纖維的多個(gè)板層或?qū)?，或用于形成CMC外層的增強(qiáng)纖維的多個(gè)板層或?qū)?。例如，本公開(kāi)內(nèi)容的CMC制品可包括由增強(qiáng)纖維和熔體滲入的大約八個(gè)板層或?qū)有纬傻腃MC基底，以及一個(gè)或兩個(gè)增強(qiáng)纖維的板層或?qū)雍突瘜W(xué)汽相滲入形成的外層，使得外層可為CMC制品的厚度的大約百分之10到大約百分之25。在陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的其它實(shí)施例中，外層可為陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的厚度的大約百分之5到大約百分之70。在其它實(shí)施例中，CMC制品可具有大約50到大約100個(gè)板層。將認(rèn)識(shí)到的是，CMC基底板層數(shù)目和厚度關(guān)于CMC外層的其它構(gòu)造也是可能的。
[0058]盡管CMC制品可由單向預(yù)浸料坯帶形成，但將認(rèn)識(shí)到的是，織造預(yù)浸料坯帶可用于形成CMC基底和/或CMC外層。單向預(yù)浸料坯帶中的對(duì)準(zhǔn)纖維可導(dǎo)致少于預(yù)浸料坯織造纖維織物引起的氣孔。此外，一個(gè)或更多個(gè)附加層或涂層可形成CMC制品的CMC外層上。例如，在一些實(shí)施例中，環(huán)境阻隔涂層(EBC)可形成在外層上。
[0059]此外，基底可由漿料鑄造熔體滲入過(guò)程形成，例如，使用在模具中成形的織造或編織纖維構(gòu)架，纖維界面涂層由CVI施加，隨后是基質(zhì)的一部分通過(guò)CVI沉積，顆粒SiC和/或C滑移或漿料鑄造到部分密實(shí)化的本體的空隙中，且最終以硅或硅合金熔體滲入本體來(lái)填充任何剩余的開(kāi)放的孔隙，且與基質(zhì)中的碳反應(yīng)。
[0060]在一些實(shí)施例中，CMC外層可例如由1mil的板層形成，使得外層可具有大約0.01英寸的厚度，或由兩個(gè)5mil的板層形成，使得外層可具有大約0.0l英寸厚的厚度，且一旦形成(諸如使用CVI過(guò)程)，則可沿CMC外層的外表面具有大約百分之O的孔隙度。CMC外層的孔隙度可穿過(guò)CMC外層的厚度從外表面到內(nèi)表面線(xiàn)性或非線(xiàn)性改變。
[0061]在一些實(shí)施例中，CVISiC陶瓷基質(zhì)復(fù)合物可在高溫(諸如超過(guò)大約2，900華氏度(大約I，600攝氏度))下煅燒以使SiC結(jié)晶且增大其粒度。如果這樣，則來(lái)自基底基質(zhì)的硅可能必須首先被除去且以由聚合物滲入熱解(PIP)或氧化物基質(zhì)的滲入或CVI之前的一些其它技術(shù)產(chǎn)生的SiCVSi3N4基質(zhì)替換。在此情況下，整個(gè)過(guò)程可涉及由熔體滲入形成CMC基底、取出游離硅和可能以SiC/Si3N4或氧化物替換其，隨后施加表面層，由CVI處理，且然后執(zhí)行最終煅燒。
[0062]在一些實(shí)施例中，表面層的CVI密實(shí)化可在完全密封外表面之前停止，且表面層的剩余開(kāi)放的孔隙然后可由氧化物材料滲入。
[0063]圖5示出了按照本公開(kāi)內(nèi)容的各方面的CMC制品210，其具有陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底220和相對(duì)的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層250 XMC外層250可在整個(gè)CMC基底上或僅在CMC基底220的一部分(諸如基底的一側(cè)或兩側(cè)上)上延伸?；?20和外層250可類(lèi)似地形成，且具有如上文所述的基底20(圖3)和120(圖4)以及外層50(圖3)和150(圖4)的特征。
[0064]如上文所述，大體上，單獨(dú)地使用一致的預(yù)形件和熔體滲入形成的CMC制品具有吸引人的特征，其包括完整密度和機(jī)械性能。然而，由于在超過(guò)大約2，400華氏度(大約I，300攝氏度)的溫度下由熔體滲入引起的游離硅，基質(zhì)的抗蠕變性弱，這在張力下自身顯現(xiàn)出弱的蠕變斷裂強(qiáng)度，且在壓縮下自身顯現(xiàn)出弱的持續(xù)峰值低周疲勞(SPLCF)。在高于大約2，550華氏度(大約I，400攝氏度)的溫度下，游離硅熔化。單獨(dú)地使用化學(xué)汽相滲入形成的CMC制品包含顯著的孔隙度，其導(dǎo)致了差的薄層內(nèi)性質(zhì)和差的抗氧化性。
[0065]從本描述中將認(rèn)識(shí)到本公開(kāi)內(nèi)容的技術(shù)克服了與單獨(dú)地由使用熔體滲入的一致預(yù)形件形成，或通過(guò)提供CMC表皮或外層(其向CMC制品提供了提高的抗蠕變性和/或提高的溫度能力)的化學(xué)汽相滲入形成的CMC制品相關(guān)的問(wèn)題。本公開(kāi)內(nèi)容的提出的技術(shù)可將當(dāng)前MI陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的溫度極限從大約2，400華氏度(大約I，300攝氏度)增大至高于硅的溶解溫度(大約2，577華氏度(大約I，414攝氏度))的溫度。這在制品用于基底保持在大約2，500華氏度(大約I，370攝氏度)以下，但外表面被允許超過(guò)該溫度的熱梯度中的情況下是可能的，諸如在渦輪護(hù)罩中。該溫度能力可導(dǎo)致用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的若干百分比的比燃料消耗(SFC)的減小。
[0066]本公開(kāi)內(nèi)容的此技術(shù)可有利于應(yīng)用于硅承載陶瓷渦輪構(gòu)件，例如，渦輪葉片、導(dǎo)葉、噴嘴、護(hù)罩、燃燒器等。
[0067]圖6示出了用于形成陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品的方法300。方法包括310處的通過(guò)熔體滲入形成具有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料，以及320處的通過(guò)化學(xué)汽相滲入形成設(shè)置在基底的至少一部分上的沒(méi)有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0068]在本公開(kāi)內(nèi)容的其它實(shí)施例中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品可包括:具有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料;設(shè)置在基底的至少一部分的外表面上的基本上沒(méi)有游離硅比例的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。
[0069]在本公開(kāi)內(nèi)容的其它實(shí)施例中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品可包括:具有第一抗蠕變性的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料；以及設(shè)置在基底的至少一部分上的具有第二抗蠕變性的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。第二抗蠕變性大于第一抗蠕變性。
[0070]將理解的是，以上描述旨在為示范性的，而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可在此制作出許多變化和修改，而不會(huì)脫離如由所附權(quán)利要求及其等同物限定的本公開(kāi)內(nèi)容的總體精神和范圍。例如，上述實(shí)施例(和/或其方面)可與彼此組合使用。此外，可做出一些修改以使特定形勢(shì)或材料適于各種實(shí)施例的教導(dǎo)內(nèi)容，而并未脫離其范圍。盡管本文所述的材料的大小和類(lèi)型旨在限定各種實(shí)施例的參數(shù)，但它們絕不意在限制且僅為示例性的。在查閱以上描述時(shí)，許多其它實(shí)施例將對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚。因此，各種實(shí)施例的范圍應(yīng)當(dāng)相對(duì)于所附權(quán)利要求連同此權(quán)利要求規(guī)定的等同物的完整范圍來(lái)確定。在所附權(quán)利要求中，用語(yǔ)〃包括(including) 〃和〃其中(in wh i ch ) 〃用作相應(yīng)的用語(yǔ)〃包括(comprising) 〃和〃其中(wherein) 〃的普通英語(yǔ)的同義詞。此外，在所附權(quán)利要求中，用語(yǔ)〃第一〃、〃第二〃和〃第三〃等僅用作標(biāo)記，且不旨在對(duì)其對(duì)象施加數(shù)目要求。另外，連同諸如聯(lián)接、連接、連結(jié)、密封等用語(yǔ)的用語(yǔ)〃可操作地〃在本文中用于表示由直接地或間接地聯(lián)接的單獨(dú)的不同構(gòu)件和整體結(jié)合形成的構(gòu)件(即，一件式、一體式或整體式)引起的兩種連接。此夕卜，所附權(quán)利要求的限制并未以裝置加功能的格式撰寫(xiě)，且不旨在基于35 U.S.C.§112的第六段來(lái)理解，除非且直到此權(quán)利要求限制明確使用短語(yǔ)〃裝置〃后加沒(méi)有其它結(jié)構(gòu)的功能的聲明。將理解的是，不一定上文所述的所有這些目的或優(yōu)點(diǎn)都可根據(jù)任何特定實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文所述的系統(tǒng)和技術(shù)可以以實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化本文教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)組合的方式體現(xiàn)或執(zhí)行，而不需要實(shí)現(xiàn)本文可教導(dǎo)或提出的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。
[0071]盡管已經(jīng)僅結(jié)合了有限數(shù)目的實(shí)施例詳細(xì)描述了本公開(kāi)內(nèi)容，但將容易理解的是，本公開(kāi)內(nèi)容不限于此公開(kāi)實(shí)施例。相反，本公開(kāi)內(nèi)容可修改為并入迄今并未描述但與本公開(kāi)內(nèi)容的精神和范圍相當(dāng)?shù)娜魏螖?shù)目的變型、改型、替換或等同布置。此外，盡管已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但將理解的是，本公開(kāi)內(nèi)容的各方面可包括僅一些所述實(shí)施例。因此，本公開(kāi)內(nèi)容不應(yīng)看作是由前述描述限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
[0072]本書(shū)面描述使用了實(shí)例，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本公開(kāi)內(nèi)容，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，且執(zhí)行任何并入的方法。本公開(kāi)內(nèi)容的專(zhuān)利范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這些其它實(shí)例具有并非不同于權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元件，或如果這些其它實(shí)例包括與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實(shí)例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，包括: 具有游離硅比例的熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料； 設(shè)置在所述基底的至少一部分的外表面上的沒(méi)有游離硅的化學(xué)汽相滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物外層，其在陶瓷基質(zhì)材料中包括陶瓷纖維增強(qiáng)材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底大體上包括碳化硅和游離硅，且所述外層大體上包括純碳化硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底大體上包括碳化硅和游離硅，且所述外層大體上包括碳化硅和游離碳。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底包括第一抗蠕變性，所述外層包括第二抗蠕變性，且所述第二抗蠕變性大于所述第一抗蠕變性。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底包括第一溫度能力，所述外層包括第二溫度能力，且所述第二溫度能力大于所述第一溫度能力。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底包括預(yù)浸料坯熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底包括漿料鑄造熔體滲入陶瓷基質(zhì)復(fù)合物基底。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述基底的所述陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括多個(gè)單向增強(qiáng)纖維。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述外層的所述陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括至少一層單向增強(qiáng)纖維。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物制品，其特征在于，所述外層的所述陶瓷纖維增強(qiáng)材料包括多層單向增強(qiáng)纖維。
【文檔編號(hào)】C04B35/565GK105924198SQ201610106273
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日
【發(fā)明人】K.L.盧思拉, G.S.科曼, B.N.拉馬默蒂
【申請(qǐng)人】通用電氣公司