BR102015005624A2

BR102015005624A2 - PROCESS TO PRODUCE AN ARTICLE

Info

Publication number: BR102015005624A2
Application number: BR102015005624-9A
Authority: BR
Inventors: Edward Gray Paul
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2017-11-21

Abstract

processo para produzir um artigo trata-se de um processo para produzir artigos de cmc (10) que inclui reduzir a presença de porosidade e vãos dentro dos artigos. o processo é realizado em uma pré-forma queimada porosa que compreende um material de reforço de fibra (14) e um material de matriz de cerâmica (18) e a pré-forma é densificada aquecendo-se a pré-forma e um material de preenchimento para fundir o material de preenchimento e criando-se um vácuo que produz o material de preenchimento fundido para infiltrar e preencher parcialmente os vãos dentro da pré-forma. embora o material de preenchimento permaneça fundido dentro dos vãos, a pré-forma e o material de preenchimento são submetidos a uma pressão aumentada para preencher adicionalmente os vãos com o material de preenchimento fundido. a partir daí e enquanto a pré-forma e o material de preenchimento fundido na mesma ainda são submetidos à pressão aumentada, a pré-forma e o material de preenchimento são resfriados para solidificar o material de preenchimento dentro dos vãos e produzir um artigo de cmc.A process for producing an article is a process for producing cmc articles 10 which includes reducing the presence of porosity and gaps within the articles. the process is carried out in a porous burned preform comprising a fiber reinforcing material (14) and a ceramic matrix material (18) and the preform is densified by heating the preform and a fill to fuse the fill material and creating a vacuum that produces the fused fill material to infiltrate and partially fill the gaps within the preform. although the filler material remains molten within the spans, the preform and filler material is subjected to increased pressure to further fill the spans with the molten filler material. thereafter and while the preform and the filler fused therein are still subjected to increased pressure, the preform and the filler are cooled to solidify the filler within the gaps and produce a cmc article. .

Description

“PROCESSO PARA PRODUZIR UM ARTIGO” Antecedentes da Invenção [001] Geralmente, a presente invenção se refere a artigos de composto de matriz de cerâmica (CMC) e processos para sua produção. Mais particularmente, essa invenção refere-se a um processo para produzir artigos de CMC que inclui processor etapas que podem produzir artigos de CMC que exibem propriedades físicas, mecânicas e/ou microestruturas desejáveis a temperaturas elevadas.Background of the Invention Generally, the present invention relates to ceramic matrix compound (CMC) articles and processes for their production. More particularly, this invention relates to a process for producing CMC articles that includes processor steps that can produce CMC articles that exhibit desirable physical, mechanical and / or microstructural properties at elevated temperatures.

[002] As temperaturas de operação mais altas para turbomáquinas, como um exemplo não limitante, motores de turbina a gás, são continuamente procurados a fim de aumentar sua eficiência. Os materiais de CMC tornaram-se interesse particular, pois suas capacidades de alta temperatura podem reduzir significativamente os requisites de ar de resfriamento. Os materiais de CMC compreendem geralmente um material de reforço de fibra de cerâmica embutido em um material de matriz de cerâmica. O material de reforço pode ser fibras pequenas descontínuas dispersadas no material de matriz ou fibras contínuas ou grupos de fibra orientados dentro do material de matriz e serve como o constituinte de rolamento de carregamento do CMC. Por sua vez, a matriz de cerâmica protege o material de reforço, mantém a orientação de suas fibras e serve para dissipar cargas para o material de reforço. Muitas vezes, as fibras individuais (filamentos) são revestidas com um agente de liberação, como nitreto de boro (BN), a fim de formar uma camada de desligação que permite deslizamento limitado e controlado entre as fibras e o material de matriz de cerâmica.Higher operating temperatures for turbochargers, as a non-limiting example, gas turbine engines, are continually sought in order to increase their efficiency. CMC materials have become of particular interest as their high temperature capabilities can significantly reduce cooling air requirements. CMC materials generally comprise a ceramic fiber reinforcement material embedded in a ceramic matrix material. The reinforcement material may be small staple fibers dispersed in the matrix material or continuous fibers or fiber groups oriented within the matrix material and serves as the CMC loading bearing constituent. In turn, the ceramic matrix protects the reinforcement material, maintains the orientation of its fibers and serves to dissipate loads for the reinforcement material. Often individual fibers (filaments) are coated with a release agent such as boron nitride (BN) to form a release layer that allows limited and controlled slippage between the fibers and the ceramic matrix material.

[003] Os compostos de cerâmicas reforçados com fibra contínuos (CFCC) são um tipo de CMC que oferece peso leve, alta resistência, e alta rigidez para uma variedade de aplicações de suporte de carga em alta temperatura, incluindo mortalhas, revestimentos do combustor, pás, lâminas e outros componentes de alta temperatura de motores de turbina a gás. Um material de CFCC geralmente é caracterizado por fibras contínuas (filamentos) que podem estar dispostas a fim de formar um arranjo unidirecional de fibras ou empacotadas em feixes que estão dispostos a fim de formar um arranjo unidirecional de feixes ou empacotadas em feixes que são entrelaçados a fim de formar um tecido bidimensional ou entrelaçados ou trançados a fim de formar um tecido tridimensional. Para tecidos tridimensionais, os conjuntos de feixes unidirecionais podem, por exemplo, ser interligados de modo transversal entre si. Os compostos a base de silício são de interesse particular para aplicações de alta temperatura, como carboneto de silício (SiC) como a matriz e/ou o material de reforço. As fibras de SiC também foram usadas como um material de reforço para uma variedade de outros materiais de matriz de cerâmica, incluindo carboneto de titânio (TiC), nitreto de silício (SÍ3N4), e alumina (Al203).[003] Continuous Fiber Reinforced Ceramic Compounds (CFCC) is a CMC type that offers light weight, high strength, and high rigidity for a variety of high temperature load bearing applications including shrouds, combustor coatings, blades, blades and other high temperature components of gas turbine engines. A CFCC material is generally characterized by continuous fibers (filaments) which may be arranged to form a unidirectional array of bundles or bundled which are arranged to form a unidirectional array of bundles or bundled bundles which are interlaced at in order to form a two-dimensional fabric or interlaced or braided in order to form a three-dimensional fabric. For three-dimensional fabrics, one-way bundles may, for example, be transverse interconnected. Silicon based compounds are of particular interest for high temperature applications such as silicon carbide (SiC) as the matrix and / or reinforcing material. SiC fibers have also been used as a reinforcement material for a variety of other ceramic matrix materials, including titanium carbide (TiC), silicon nitride (Si3N4), and alumina (Al203).

[004] Os exemplos de materiais de CMC e, em particular, SiC/Si-SiC (fibra/matriz) os compostos de cerâmica reforçado com fibra contínuos (CFCC) os materiais e os processos são revelados nos Documentos de Patente ns U.S. 5.015.540; 5.330.854; 5.33.350; 5.628.938; 6.024.898; 6.258.737; 6.403.158 e 6.503.441 e na Publicação de Pedido de Patente n9 U.S. 2004/0067316, cujo conteúdo é incorporado no presente documento a título de referência. Esse processo é conhecido como infiltração por fusão (Ml) de “prepreg" que, em termos gerais, produz a fabricação de CMCs usando múltiplas camadas de prepregs, cada uma na forma de uma estrutura como fita que compreende o material de reforço de fibra de cerâmica desejado um ou mais precursores do material de matriz de CMC, ligantes e outros ingredientes possíveis. De acordo com a prática convencional, os prepregs podem ser formados impregnando-se o material de reforço com uma pasta aquosa que contém o(s) precursor(s) de cerâmica e ligantes que promovem a flexibilidade dos prepregs. Os materiais preferenciais para o precursor dependerão da composição particular desejada para a matriz de cerâmica do componente de CMC, por exemplo, pó de SiC e/ou um ou mais materiais contendo carbono que são convertidos posteriormente em SiC após a reação com Si fundido. Outros ingredientes de pasta aquosa típicos incluem solventes para os ligantes que promovem a fluidez da pasta aquosa a fim de permitir a impregnação do material de reforço de fibra.Examples of CMC materials, and in particular SiC / Si-SiC (fiber / matrix) continuous fiber reinforced ceramic (CFCC) compounds, materials and processes are disclosed in US Patent Documents 5,015. 540; 5,330,854; 5,33,350; 5,628,938; 6,024,898; 6,258,737; 6,403,158 and 6,503,441 and U.S. Patent Application Publication No. 2004/0067316, the contents of which are incorporated herein by reference. This process is known as prepreg melt infiltration (M1) which generally produces the manufacture of CMCs using multiple layers of prepregs, each in the form of a tape-like structure comprising the fiber reinforcement material. desired ceramic one or more precursors of the CMC matrix material, binders and other possible ingredients In accordance with conventional practice, prepregs may be formed by impregnating the reinforcement material with an aqueous slurry containing the precursor (s). s) of ceramic and binders that promote the flexibility of the prepregs Preferred precursor materials will depend on the particular desired composition for the ceramic matrix of the CMC component, for example SiC powder and / or one or more carbon-containing materials are later converted to SiC after reaction with molten Si Other typical aqueous slurry ingredients include solvents for the slurry-promoting binders to allow impregnation of the fiber reinforcing material.

[005] Após permitir que a pasta aquosa seque parcialmente e, caso apropriado, cure parcialmente os ligantes (B-staging), o prepreg resultante é colocado com outras fitas e, em seguida, tem o volume diminuído e, caso apropriado, é curado ao passo em que é submetido a pressões e temperaturas elevadas para produzir uma pré-forma. Em seguida, a pré-forma é aquecida (queimada) em um vácuo ou atmosfera inerte a fim de decompor os ligantes, remover solventes e converter o precursor no material de matriz de cerâmica desejado. Devido à decomposição dos ligantes, o resultado é uma pré-forma de CMC porosa que posteriormente irá passar por infiltração (Ml) sob vácuo para preencher a porosidade e produzir o componente de CMC. Por exemplo, processos de infiltração usados para produzir matrizes de SiC geralmente implicam na infiltração da pré-forma de CMC porosa com silício fundido fornecido externamente para a pré-forma. O silício fundido se infiltra na porosidade e reage preferencialmente com constituintes (por exemplo, uma fonte de carbono) dentro da matriz a fim de formar uma cerâmica a base de silício (por exemplo, carboneto de silício) que preenche a porosidade para produzir o componente de CMC desejado. As técnicas e os parâmetros de processamento específicos para o processo acima dependerão da composição particular dos materiais.After allowing the aqueous slurry to partially dry and, if appropriate, partially cure the binder (B-staging), the resulting prepreg is placed with other tapes and then shrunk in volume and, if appropriate, cured. whereas it is subjected to high pressures and temperatures to produce a preform. Thereafter, the preform is heated (fired) in a vacuum or inert atmosphere to decompose the binder, remove solvents and convert the precursor to the desired ceramic matrix material. Due to the decomposition of the binders, the result is a porous CMC preform that will subsequently undergo vacuum infiltration (M1) to fill the porosity and produce the CMC component. For example, infiltration processes used to produce SiC matrices generally entail infiltrating the porous CMC preform with externally supplied molten silicon into the preform. The molten silicon infiltrates the porosity and preferably reacts with constituents (eg a carbon source) within the matrix to form a silicon-based ceramic (eg silicon carbide) that fills the porosity to produce the component. of desired CMC. The processing techniques and parameters specific to the above process will depend on the particular composition of the materials.

[006] Um exemplo de um material de CFCC 10 é ilustrado esquematicamente na Figura 1 como compreendendo múltiplas lâminas 12, cada uma derivada de um prepreg individual que é composto por material de reforço alinhado de maneira unidirecional 14 impregnado com um precursor de matriz de cerâmica. Como um resultado, cada lâmina 12 contém o material de reforço 14 encaixado em uma matriz de cerâmica 18 formada, completamente ou em parte, mediante conversão do precursor de matriz de cerâmica durante a queima e infiltração. Se for produzido por um processo de infiltração que compreende infiltrar uma pré-forma de CMC porosa com silício fundido, o material de CFCC 10 também pode conter silício elemental e/ou liga de silício (que, conforme usado no presente documento, refere-se a silício que não está na forma de um composto, mas pode ser silício puro ou na forma de uma liga de silício com outros metais, como boro).An example of a CFCC material 10 is schematically illustrated in Figure 1 as comprising multiple blades 12, each derived from an individual prepreg which is composed of unidirectionally aligned reinforcement material 14 impregnated with a ceramic matrix precursor. . As a result, each blade 12 contains the reinforcing material 14 embedded in a ceramic matrix 18 formed wholly or in part by conversion of the ceramic matrix precursor during firing and infiltration. If produced by an infiltration process comprising infiltrating a porous CMC preform with molten silicon, the CFCC 10 material may also contain elemental silicon and / or silicon alloy (which, as used herein, refers to silicon that is not in the form of a compound but may be pure silicon or in the form of a silicon alloy with other metals such as boron).

[007] Adicionalmente à porosidade resultante da decomposição de ligantes, uma pré-forma de CMC também pode conter intervalos em camadas e/ou regiões mal compactadas. Durante a infiltração, esses defeitos definem vãos que podem não estar completamente preenchidos com silício fundido. Qualquer porosidade ou vãos restantes dentro de um artigo de CMC podem afetar seu comportamento mecânico. Portanto, existem esforços em andamento para reduzir também a presença de porosidade e vãos dentro de artigos de CMC.In addition to the porosity resulting from binder decomposition, a CMC preform may also contain layered gaps and / or poorly compacted regions. During infiltration, these defects define gaps that may not be completely filled with molten silicon. Any porosity or gaps remaining within a CMC article may affect its mechanical behavior. Therefore, efforts are underway to also reduce the presence of porosity and gaps within CMC articles.

Breve Descrição da Invenção [008] A presente invenção fornece um processo para produzir artigos de CMC que inclui etapas de processamento para reduzir a presença de porosidade e vãos dentro dos artigos.Brief Description of the Invention The present invention provides a process for producing CMC articles which includes processing steps to reduce the presence of porosity and gaps within the articles.

[009] De acordo com um aspecto da invenção, um processo é fornecido, o qual compreende produzir prepregs unidirecionais que compreendem uma pasta aquosa e um material de reforço de fibra, empilhar os prepregs, também chamados de fitas, a fim de formar uma pré-forma, queimar a pré-forma para produzir uma pré-forma queimada porosa que compreende o material de reforço de fibra, um material de matriz de cerâmica e vãos dentro da pré-forma queimada porosa e, em seguida, densificar a pré-forma queimada porosa. A densificação é realizada aquecendo-se inicialmente a pré-forma queimada porosa e um material de preenchimento em um vácuo para fundir o material de preenchimento e produzir, assim, um material de preenchimento fundido que é desejado para preencher os vãos da pré-forma queimada porosa, mas apenas preenche parcialmente os vãos sob o efeito do vácuo. Enquanto o material de preenchimento fundido permanece fundido dentro dos vãos, a pré-forma queimada porosa e o material de preenchimento fundido na mesma são submetidos a uma pressão aumentada para preencher adicionalmente os vãos com o material de preenchimento fundido. A partir daí e enquanto a pré-forma queimada porosa e o material de preenchimento fundido na mesma continuam sendo submetidos à pressão aumentada, a pré-forma queimada porosa e o material de preenchimento fundido na mesma são resfriados para solidificar o material de preenchimento fundido dentro dos vãos e produzir um artigo de CMC que compreende o material de reforço de fibra, o material de matriz de cerâmica, e o material de preenchimento dentro dos vãos.According to one aspect of the invention, a process is provided which comprises producing unidirectional prepregs comprising an aqueous paste and a fiber reinforcing material, stacking the prepregs, also called tapes, to form a prepreg. shape, burn the preform to produce a porous burnt preform comprising fiber reinforcing material, a ceramic matrix material and gaps within the porous burnt preform and then densify the preform. porous burnt. Densification is performed by initially heating the porous burnt preform and a filler in a vacuum to fuse the filler and thereby produce a molten filler that is desired to fill the burnt preform gaps. porous, but only partially fills the voids under the effect of vacuum. While the molten filler remains molten within the gaps, the porous burned preform and the molten filler therein are subjected to increased pressure to further fill the gaps with the molten filler. Thereafter and while the porous burnt preform and the molten filler in it continue to be subjected to increased pressure, the porous burnt preform and the molten filler in it are cooled to solidify the molten filler within. of the spans and produce a CMC article comprising the fiber reinforcing material, the ceramic matrix material, and the filler material within the spans.

[010] De acordo com certos aspectos preferenciais da invenção, o processo pode ser realizado a fim de produzir componentes de turbomáquina que compreendem materiais de matriz de cerâmica contendo silício.According to certain preferred aspects of the invention, the process may be carried out in order to produce turbomachine components comprising silicon-containing ceramic matrix materials.

[011] Um efeito técnico da invenção é a capacidade para produzir artigos de CMC que têm níveis reduzidos de porosidade e vãos, tipicamente correspondente a propriedades aperfeiçoadas para os artigos, por exemplo, propriedades físicas, mecânicas e microestruturas desejáveis para temperaturas elevadas.[011] A technical effect of the invention is the ability to produce CMC articles having reduced porosity and void levels, typically corresponding to improved article properties, for example, desirable physical, mechanical properties and microstructures at elevated temperatures.

[012] Outros aspectos e vantagens dessa invenção serão mais bem apreciados a partir da descrição detalhada.Other aspects and advantages of this invention will be better appreciated from the detailed description.

Breve Descrição das Figuras [013] A Figura 1 representa esquematicamente uma vista fragmentária em corte transversal de um artigo de CFCC.Brief Description of the Figures Figure 1 schematically represents a fragmentary cross-sectional view of a CFCC article.

[014] A Figura 2 representa esquematicamente uma camada perfurada de um tipo usado para produzir pré-formas experimentais que têm vãos controlados e são usadas em investigações que conduzem à presente invenção.Figure 2 schematically depicts a perforated layer of a type used to produce experimental preforms that have controlled spans and are used in investigations leading to the present invention.

[015] As Figuras 3 e 4 mostram duas imagens digitalizadas que evidenciam níveis diferentes de infiltração de silício em pré-formas experimentais produzidas com camadas perfuradas do tipo mostrado na Figura 2.[015] Figures 3 and 4 show two digitized images showing different levels of silicon infiltration in experimental preforms produced with perforated layers of the type shown in Figure 2.

Descrição Detalhada da Invenção [016] A presente invenção será descrita em termos de processos para produzir artigos de CMC, incluindo artigos de CFCC que podem ser usados em temperaturas elevadas, por exemplo, temperaturas dentro da turbina e seções de combustor de turbomáquinas. Os materiais de CMC de interesse particular para a invenção são aqueles contendo silício, incluindo CMCs contendo carboneto de silício como um reforço e/ou material de matriz, cujo exemplo particular, porém não limitante, é fibras de carboneto de silício contínuo em uma matriz de carboneto de silício. No entanto, outros materiais contendo silício também são abrangidos pelo escopo da invenção, incluindo cerâmicas como nitreto de silício e silicietos (intermetálicos) como silicieto de nióbio e silicieto de molibdênio, visto que são outros tipos de materiais de cerâmica. Embora várias aplicações sejam previstas, as aplicações particulares para os artigos de CMC incluem componentes de turbinas a gás, como mortalhas, revestimentos do combustor, pás, lâminas e outros componentes com alta temperatura de motores de turbina a gás.Detailed Description of the Invention The present invention will be described in terms of processes for producing CMC articles, including CFCC articles that can be used at elevated temperatures, for example, temperatures within the turbine and turbocharger combustion sections. CMC materials of particular interest to the invention are those containing silicon, including CMCs containing silicon carbide as a reinforcement and / or matrix material, whose particular but not limiting example is continuous silicon carbide fibers in a matrix of silicon carbide. However, other silicon-containing materials are also within the scope of the invention, including ceramics such as silicon nitride and (intermetallic) silicides such as niobium silicide and molybdenum silicide, as they are other types of ceramic materials. Although various applications are foreseen, particular applications for CMC articles include gas turbine components such as shrouds, combustor coatings, blades, blades and other high temperature components of gas turbine engines.

[017] A discussão a seguir de artigos de CMC relacionados à invenção fará referência à Figura 1, a qual, conforme observado anteriormente, representa um componente de CFCC 10. No entanto, deve-se compreender que os ensinamentos não são limitados aos componentes de CFCC ou às características em corte transversal representadas na Figura 1. Conforme discutido anteriormente, o componente 10 compreende múltiplas lâminas 12, cada uma derivada de um prepreg individual que originalmente compreendia feixes alinhados de maneira unidirecional 14 impregnados com um ou mais precursores de matriz de cerâmica. Os precursores são tipicamente introduzidos como componentes de uma pasta aquosa que pode incluir, adicionalmente, um ou mais ligantes, solventes e outros ingredientes possíveis. Como um resultado da diminuição de volume, curar (caso apropriado) e queimar uma pré-forma de laminado formada empilhando-se (agrupando-se) múltiplos prepregs, cada lâmina 12 contém fibras alinhadas de maneira unidirecional 16 encaixadas em uma matriz de cerâmica 18 formada pelo menos em parte por conversão dos precursores durante a queima da pré-forma de laminado. A pré-forma queimada resultante, muitas vezes, irá conter porosidade que advém da decomposição dos ligantes durante a queima da pré-forma de laminado. Alternativa ou adicionalmente, a pré-forma aquecida pode conter vãos, por exemplo, intervalos em camadas e/ou regiões mal compactadas que podem afetar adversamente o componente 10 e seu comportamento mecânico. Ao passo que a infiltração (Ml) sob vácuo é empregada geralmente para preencher a porosidade e os vãos, um aspecto particular da invenção é realizar as etapas de processamentos adicionais para reduzir também a porosidade dentro do componente final 10.The following discussion of CMC articles related to the invention will refer to Figure 1, which, as noted above, represents a CFCC component 10. However, it should be understood that the teachings are not limited to the components of CFCC. CFCC or the cross-sectional characteristics shown in Figure 1. As discussed above, component 10 comprises multiple blades 12, each derived from an individual prepreg that originally comprised unidirectionally aligned beams 14 impregnated with one or more ceramic matrix precursors. . Precursors are typically introduced as components of an aqueous paste which may additionally include one or more binders, solvents and other possible ingredients. As a result of shrinking, curing (if appropriate) and burning a laminate preform formed by stacking (grouping) multiple prepregs, each blade 12 contains unidirectionally aligned fibers 16 embedded in a ceramic matrix 18 formed at least in part by converting the precursors during the laminate preform firing. The resulting burned preform will often contain porosity that results from the decomposition of the binders during burning of the laminate preform. Alternatively or additionally, the heated preform may contain gaps, e.g., layered gaps and / or poorly compacted regions that may adversely affect component 10 and its mechanical behavior. While vacuum infiltration (M1) is generally employed to fill porosity and gaps, a particular aspect of the invention is to perform additional processing steps to reduce porosity within the final component 10 as well.

[018] Os diâmetros de fibra adequados, os diâmetros de feixe e espaçamentos entre feixes centro a centro para os feixes 14 dentro de cada lâmina 12 dependerão da aplicação particular, as espessuras das lâminas 12 e outros fatores, por conseguinte, não são representados em escala na Figura 1. De acordo com a prática conhecida, as fibras individuais 16 dos feixes 14 podem ser revestidas com um ou mais agentes de liberação a fim de formar um revestimento de fibra de desligação (não mostrado) que permite deslizamento limitado e controlado entre a matriz 18 e os feixes 14 e suas fibras individuais 16. Os materiais adequados para o revestimento de fibra incluem nitreto de boro (BN). BN enriquecido com silício, nitreto de silício (Si3N4), carboneto de silício (SiC), carboneto de háfnio (HfC), nitreto de háfnio (HfN), carboneto de zircônio (ZrC), nitreto de zircônio (ZrN), carboneto de tântalo (TaC), nitreto de tântalo (TaN) e misturas dos mesmos. Os revestimentos de fibra preferenciais podem compreender múltiplas camadas de um ou mais dentre esses compostos. À medida que fendas se desenvolvem no componente 10, as fibras 16 que ligam a fenda atuam para redistribuir a carga para fibras adjacentes 16 e regiões da matriz 18, inibindo, assim, ou pelo menos diminuindo a maior propagação da fenda.Suitable fiber diameters, beam diameters and center-to-center beam spacings for the beams 14 within each blade 12 will depend on the particular application, the thicknesses of the blades 12 and other factors are therefore not represented in In accordance with known practice, the individual fibers 16 of the bundles 14 may be coated with one or more release agents to form a shutoff fiber coating (not shown) that allows limited and controlled sliding between matrix 18 and bundles 14 and their individual fibers 16. Suitable materials for fiber coating include boron nitride (BN). Silicon enriched BN, silicon nitride (Si3N4), silicon carbide (SiC), hafnium carbide (HfC), hafnium nitride (HfN), zirconium carbide (ZrC), zirconium nitride (ZrN), tantalum carbide (TaC), tantalum nitride (TaN) and mixtures thereof. Preferred fiber coatings may comprise multiple layers of one or more of these compounds. As slits develop in component 10, the slit-connecting fibers 16 act to redistribute the load to adjacent fibers 16 and matrix regions 18, thereby inhibiting or at least decreasing further crack propagation.

[019] Conforme observado anteriormente, durante a fabricação do componente 10, uma quantidade desejada de prepregs são agrupados para formar a pré-forma de laminado que passa pelo processamento adicional a fim de produzir o componente 10. De acordo com a prática convencional, esses prepregs podem ser formados em uma operação única, por exemplo, aplicando-se a pasta aquosa contendo precursor durante enrolamento de uma corda contínua de feixe 16 em um tambor. Várias pastas aquosas contendo precursor podem ser aplicadas a fibras contínuas e feixes para produzir prepregs. As composições de pasta aquosa típicas continham precursores de cerâmica como SiC particulado, carbono e/ou outros materiais particulados contendo carbono, caso o material de matriz desejado seja SiC, e ligantes orgânicos como resinas que produzem carvão de carbono incluindo termoestável resinas a base de (C4H40) de resinas, fenólicos, novolacs, poliéster, e epóxis, embora outros precursores e ligantes também sejam abrangidos pelo escopo da invenção. As composições de pasta aquosa típicas podem conter adicionalmente constituintes de cerâmica adicionais da matriz 18, resinas orgânicas que servem como ajudas no processamento (por exemplo, polivinibutiral e poli isobutil metacrilato), solventes (por exemplo, tolueno, MIBK, etilbenzeno, etc.), e plastificantes para os ligantes (por exemplo, dibutil ftalato).As noted above, during the manufacture of component 10, a desired amount of prepregs are grouped together to form the laminate preform that undergoes further processing to produce component 10. According to conventional practice, these Prepregs may be formed in a single operation, for example, by applying the precursor-containing aqueous slurry while winding a continuous beam 16 in a drum. Various precursor-containing aqueous pastes may be applied to continuous fibers and bundles to produce prepregs. Typical aqueous paste compositions contained ceramic precursors such as particulate SiC, carbon and / or other carbon-containing particulate materials, if the desired matrix material is SiC, and organic binders such as carbon-producing resins including thermostable resins based on ( C4H40) of resins, phenolics, novolacs, polyester, and epoxies, although other precursors and binders are also within the scope of the invention. Typical aqueous paste compositions may additionally contain additional matrix 18 ceramic constituents, organic resins that serve as processing aids (e.g. polyvinyl butyral and polyisobutyl methacrylate), solvents (e.g. toluene, MIBK, ethylbenzene, etc.). , and plasticizers for binders (e.g. dibutyl phthalate).

[020] Seguindo a operação de enrolamento, pode-se permitir que a pasta aquosa seque parcialmente e o prepreg resultante seja removido do tambor, colocado com outras fitas e, em seguida, tenha o volume diminuído e seja curada (caso apropriado) ao passo em que é submetida a pressões e temperaturas elevadas a fim de formar a pré-forma de laminado curada. A pré-forma de laminado é aquecida a vácuo ou em uma atmosfera inerte para decompor os ligantes e produzir uma pré-forma rígida, porém porosa que compreende os feixes 14 (ou outro material de reforço de fibra), a matriz de cerâmica 18 e porosidade e vãos (não mostrados na Figura 1).Following the winding operation, the aqueous slurry may be allowed to partially dry and the resulting prepreg removed from the drum, placed with other tapes and then decreased in volume and cured (if appropriate) to the step. wherein it is subjected to high pressures and temperatures to form the cured laminate preform. The laminate preform is heated under vacuum or in an inert atmosphere to decompose the binders and produce a rigid but porous preform comprising the bundles 14 (or other fiber reinforcing material), the ceramic matrix 18 and porosity and spans (not shown in Figure 1).

[021] As técnicas de processamento a seguir se destinam a promover as propriedades mecânicas de artigos de CMC (por exemplo, o componente 10 da Figura 1) produzido por etapas de processamento do tipo descrito acima reduzindo-se ou eliminando-se completamente a porosidade e os vãos dentro do artigo de CMC. De acordo com um aspecto preferencial da invenção, o conteúdo de porosidade reduzido pode ser realizado através de um processo de densificação que inclui pelo menos uma etapa de infiltração (Ml) realizada na pré-forma queimada porosa. Por exemplo, uma etapa de infiltração pode utilizar forças de umidificação capilares para preencher a porosidade e os vãos com um material de preenchimento adequado, por exemplo, silício elemental, uma liga de silício com ponto de fusão baixo e/ou qualquer outro material com capacidade para formar um material desejável que formará uma parte da matriz 18 para o componente 10, cujos exemplos não limitantes incluem carboneto de silício e nitreto de silício. Conforme conhecido na técnica, os processos de infiltração são bem adequados, em particular, para uso em casos em que a pré-forma de laminado foi formada com uma pasta aquosa que, após queimar, resulta na pré-forma porosa queimada contendo um carbono ou um resíduo contendo carbono que pode preferencialmente reagir com o material de preenchimento (por exemplo, silício fundido) a fim de formar um material de cerâmica desejado (por exemplo, carboneto de silício).The following processing techniques are intended to promote the mechanical properties of CMC articles (e.g., component 10 of Figure 1) produced by processing steps of the type described above by reducing or completely eliminating porosity. and the gaps within the CMC article. According to a preferred aspect of the invention, the reduced porosity content may be realized by a densification process including at least one infiltration step (M1) carried out in the porous burned preform. For example, an infiltration step may utilize capillary humidifying forces to fill the porosity and gaps with a suitable filler, for example elemental silicon, a low melting silicon alloy and / or any other material capable of to form a desirable material that will form a matrix part 18 for component 10, non-limiting examples of which include silicon carbide and silicon nitride. As known in the art, infiltration processes are well suited, in particular, for use in cases where the laminate preform has been formed with an aqueous slurry which, after burning, results in the burnt porous preform containing a carbon or a carbon-containing residue which may preferably react with the filler material (e.g. molten silicon) to form a desired ceramic material (e.g. silicon carbide).

[022] Na fabricação do componente 10 mostrado na Figura 1, a infiltração geralmente compreende aquecer a pré-forma queimada porosa e o material de preenchimento em um vácuo a uma temperatura de pico que é suficiente para fundir o material de preenchimento, produzindo, assim, um material de preenchimento fundido contendo a pré-forma queimada. Enquanto o material de preenchimento se encontra fundido, as forças de umidificação capilares estimulam o material de preenchimento fundido a infiltrar a pré-forma queimada. As taxas de aquecimento e as temperaturas de pico adequadas para essa etapa dependerão do material de preenchimento particular, em que um exemplo não limitante de uma temperatura é de cerca de 1.420 °C ou maior caso o material de preenchimento seja silício elemental. Os níveis de vácuo típicos estão abaixo de cerca de 0,01 atmosferas (7,6 Torr), por exemplo, cerca de 0,1 a cerca de 2,5 Torr, em que um exemplo não limitante particular é 1,0 Torr, embora, em particular, os níveis de vácuo adequados possam variar dependendo das características de vazão do material de preenchimento fundido. O processo de infiltração pode ser realizado em qualquer fornalha a vácuo adequada.In the manufacture of component 10 shown in Figure 1, the infiltration generally comprises heating the porous burnt preform and the filler material in a vacuum to a peak temperature that is sufficient to melt the filler material, thereby producing a molten filler material containing the burnt preform. While the filler is fused, capillary humidifying forces stimulate the fused filler to infiltrate the burned preform. Suitable heating rates and peak temperatures for this step will depend on the particular filler, where a non-temperature limiting example is about 1,420 ° C or greater if the filler is elemental silicon. Typical vacuum levels are below about 0.01 atmospheres (7.6 Torr), for example about 0.1 to about 2.5 Torr, where a particular non-limiting example is 1.0 Torr, although, in particular, suitable vacuum levels may vary depending on the flow characteristics of the molten filler material. The infiltration process can be performed in any suitable vacuum furnace.

[023] A infiltração completa da porosidade dentro da pré-forma queimada pode ser inibida pela rede tortuosa de poros e vãos dentro da pré- forma, com o resultado que o material de preenchimento fundido é muito propenso a apenas preencher parcialmente os poros e vãos. As pré-formas contendo poros grandes e poros muito mais finos estão, em particular, em uma desvantagem de processamento, pois os poros maiores têm uma propensão reduzida para preenchimento capilar do que os poros mais finos. Também, a porosidade adicional pode formar dentro da pré-forma aquecida durante o processo de infiltração como um resultado de reações químicas que pode ocorrer acima do ponto de fusão do material de preenchimento. Por exemplo, um material de preenchimento de silício elemental pode produzir reações contendo gás que ocorrem com a matriz de cerâmica existente ou outros constituintes da pré-forma, gerando pressões localizadas dentro de vãos que podem ser maiores do que a pressão dentro da fornalha a vácuo. As pressões elevadas dentro dos vãos tendem a diminuir o efeito de umidificação capilar pelo material de preenchimento fundido e conduzindo adicionalmente à infiltração incompleta da pré-forma queimada. Como um aspecto preferencial do processo de densificação, enquanto o material de preenchimento fundido permanece fundido dentro dos poros e vãos, a pré-forma aquecida e o material de preenchimento fundido na mesma são submetidos a uma pressão aumentada aplicada externamente à pré-forma a fim de promover o preenchimento adicional dos poros e vãos com o material de preenchimento fundido. Embora sem intenção de estar ligado a qualquer teoria em particular, acredita-se que a pressão aumentada também pode ter o efeito benéfico de interromper e parar potencialmente as reações que produzem gás dentro da pré-forma, permitindo que as espécies gasosas condensem a fim de formar fases sólidas dentro dos poros e vãos da pré-forma. Como um exemplo não limitante. se o material de preenchimento for silício elemental ou uma liga de silício, as altas temperaturas e baixas pressões durante a infiltração podem resultar na formação de SiO que acredita-se que irá condensar a Si02, à medida em que a pressão é elevada, enquanto mantém a alta temperatura de infiltração. Acredita-se que uma pressão aumentada adequada deve ser de pelo menos 200 Torr, por exemplo, cerca de 300 a cerca de 3.800 Torr, em que um exemplo particular não limitante é cerca de uma atmosfera (cerca de 760 Torr). Os gases para aplicar a pressão aumentada à pré-forma serão tipicamente aqueles que não são reativos com o material de preenchimento fundido, por exemplo, nitrogênio, caso o material de preenchimento seja silício elemental. Preferencialmente, o aumento na pressão ocorre rapidamente, por exemplo, em uma taxa de cerca de 150 Torr por segundo ou mais e ocorre preferencialmente próximo ao fim de um período o de tempo durante o qual o material de preenchimento está no estado fundido e em contato com a pré-forma queimada porosa.Complete infiltration of porosity into the burned preform can be inhibited by the tortuous network of pores and spans within the preform, with the result that molten filler material is very prone to only partially filling pores and spans. . Preforms containing large pores and much thinner pores are, in particular, at a processing disadvantage, as larger pores have a lower propensity for capillary filling than thinner pores. Also, additional porosity may form within the heated preform during the infiltration process as a result of chemical reactions that may occur above the melting point of the filler material. For example, an elemental silicon filler may produce gas-containing reactions that occur with the existing ceramic matrix or other preform constituents, generating pressures located within spans that may be greater than the pressure within the vacuum furnace. . High pressures within the gaps tend to diminish the effect of capillary humidification by the molten filler material and further leading to incomplete infiltration of the burnt preform. As a preferred aspect of the densification process, while the molten filler remains molten within the pores and gaps, the heated preform and the molten filler therein are subjected to increased pressure applied externally to the preform in order to to further fill the pores and voids with the molten filler material. While not intended to be linked to any particular theory, it is believed that increased pressure can also have the beneficial effect of disrupting and potentially stopping gas producing reactions within the preform, allowing gas species to condense in order to form solid phases within the pores and spans of the preform. As a non-limiting example. if the filler is elemental silicon or a silicon alloy, high temperatures and low pressures during infiltration may result in the formation of SiO which is believed to condense Si02 as the pressure is elevated while maintaining the high infiltration temperature. It is believed that a suitable increased pressure should be at least 200 Torr, for example about 300 to about 3,800 Torr, where a particular non-limiting example is about one atmosphere (about 760 Torr). The gases for applying the increased pressure to the preform will typically be those that are not reactive with the molten filler, for example nitrogen, if the filler is elemental silicon. Preferably, the increase in pressure occurs rapidly, for example at a rate of about 150 Torr per second or more, and preferably occurs near the end of a period of time during which the filler material is in molten state and in contact. with the porous burned preform.

[024] Enquanto a pré-forma queimada e o material de preenchimento fundido na mesma continuam sendo submetidos à pressão aumentada ou pelo menos uma pressão que exceda preferencialmente 300 Torr, a pré-forma queimada é resfriada a partir da temperatura de pico a uma temperatura no ponto de congelamento ou abaixo do mesmo do material de preenchimento, solidificam, assim, o material de preenchimento fundido dentro da porosidade e vãos e produzindo um artigo de CMC, por exemplo, semelhante ao componente 10 representado na Figura 1. O resfriamento pode ser realizado em qualquer taxa adequada.While the burnt preform and the melt filler thereof continue to be subjected to increased pressure or at least one pressure preferably exceeding 300 Torr, the burnt preform is cooled from the peak temperature to a temperature at or below the freezing point of the filler material, thus solidify the molten filler material within the porosity and gaps and producing a CMC article, for example, similar to component 10 represented in Figure 1. Cooling can be achieved. performed at any appropriate rate.

[025] Durante as investigações que conduzem à presente invenção, as amostras de teste são produzidas compreendendo combinações de camadas com e sem orifícios. As camadas foram formadas por fitas unidirecionais de um tipo descrito em referência à Figura 1. As camadas foram de aproximadamente 3x3 polegadas (cerca de 7,6x7,6 cm) em área, e aproximadamente 0,008 polegada (cerca de 0,2 mm) em espessura. Certas camadas foram processadas adicionalmente a fim de ter orifícios atravessantes em um padrão, conforme representado na Figura 2. Os orifícios atravessantes eram de aproximadamente meia polegada (cerca de 1,3 cm) em diâmetro. Em seguida, as camadas perfuradas e não perfuradas foram agrupadas para produzir pré-formas de laminado que têm a construção a seguir: seis camadas não perfuradas; três camadas perfuradas; quatro camadas não perfuradas; seis camadas perfuradas; quatro camadas não perfuradas; três camadas perfuradas; e seis camadas não perfuradas. As pré-formas de laminado se submeteram ao processamento como diminuição de volume e cura, antes de passar pela infiltração. Todas as pré-formas foram infiltradas por fusão com silício fundido elevando-se as temperaturas das pré-formas a uma temperatura de pico de cerca de 1.435 °C em uma fornalha a vácuo em um nível de vácuo de cerca de 0.8 Torr. Algumas das pré-formas, designadas como pré-formas de linha de base, foram retidas sob essas condições por uma duração de cerca de 90 minutos, após a qual se permitiu que as pré-formas infiltradas por fusão resfriassem a uma temperatura de cerca de 1.100 °C, enquanto mantém o vácuo, de modo que o silício fundido infiltrado solidifique, ao passo que as pré-formas continuam submetidas ao vácuo. Outras pré-formas, designadas como pré-formas experimentais, foram retidas sob essas condições por uma duração de cerca de 90 minutos, após a qual a pressão dentro da fornalha foi elevada a cerca de uma atmosfera (cerca de 760 Torr) preenchendo de novo rapidamente a fornalha com gás de nitrogênio, enquanto as pré-formas permaneceram a cerca de 1.435 °C. Em seguida, permitiu-se que essas pré-formas infiltradas por fusão resfriassem a uma temperatura de cerca de 1.100 °C, enquanto mantém a pressão, de modo que o silício fundido infiltrado solidificasse, enquanto as pré-formas experimentais foram submetidas a uma atmosfera de pressão.During investigations leading to the present invention, test samples are produced comprising combinations of layers with and without holes. The layers were formed by one-way tapes of a type described with reference to Figure 1. The layers were approximately 3x3 inches (about 7.6x7.6 cm) in area, and approximately 0.008 inch (about 0.2 mm) in area. thickness. Certain layers were further processed to have through holes in a pattern as shown in Figure 2. The through holes were approximately half an inch (about 1.3 cm) in diameter. The perforated and unperforated layers were then grouped together to produce laminate preforms having the following construction: six unperforated layers; three perforated layers; four unperforated layers; six perforated layers; four unperforated layers; three perforated layers; and six unperforated layers. The laminate preforms underwent processing such as shrinkage and curing prior to infiltration. All preforms were melt-melted infiltrated by raising preform temperatures to a peak temperature of about 1,435 ° C in a vacuum furnace at a vacuum level of about 0.8 Torr. Some of the preforms, designated as baseline preforms, were retained under these conditions for a duration of about 90 minutes, after which the melt infiltrated preforms were allowed to cool to a temperature of about 90 ° C. 1,100 ° C while maintaining the vacuum so that the infiltrated molten silicon solidifies while the preforms remain subjected to vacuum. Other preforms, designated as experimental preforms, were retained under these conditions for a duration of about 90 minutes, after which the pressure within the furnace was raised to about one atmosphere (about 760 Torr), again filling. the furnace with nitrogen gas quickly, while the preforms remained at about 1,435 ° C. These melt-infiltrated preforms were then allowed to cool to a temperature of about 1,100 ° C while maintaining the pressure so that the infiltrated molten silicon solidified while the experimental preforms were subjected to an atmosphere. pressure

[026] As Figuras 3 e 4 contêm imagens de termo difusividade de infravermelho (IR) de transmissão de, respectivamente, linha de base e pré- formas infiltradas por fusão experimentais produzidas por uma das duas técnicas de infiltração diferentes descritas acima. A Figura 3 é uma imagem de uma pré-forma de linha de base infiltrada por fusão produzida solidificando-se o silício fundido infiltrando, ao passo em que é submetido ao vácuo de 0,8 Torr e a Figura 4 é uma imagem de uma pré-forma experimental infiltrada por fusão produzida solidificando-se o silício fundido infiltrando, ao passo em que é submetido a uma atmosfera de pressão. Conforme está evidente a partir das Figuras 3 e 4, a aplicação de pressão aumentada antes da solidificação do material de preenchimento resultou em infiltração mais completa pelo silício fundido, preenchendo completamente, assim, os poros dentro da pré-forma experimental, conforme comparados à pré-forma de linha de base. A metalografia de seção polida subsequente das regiões vazias visível nas Figuras 3 e 4 confirmou que os vãos na pré-forma experimental da Figura 4 foram completamente preenchidos com silício, ao passo que os vãos na pré-forma de linha de base da Figura 3 não.Figures 3 and 4 contain transmission infrared (IR) term diffusion images of respectively baseline and experimental fusion infiltrated preforms produced by one of the two different infiltration techniques described above. Figure 3 is an image of a melt infiltrated baseline preform produced by solidifying the infiltrating molten silicon, while subjected to the 0.8 Torr vacuum and Figure 4 is an image of a Melt-infiltrated experimental form produced by solidifying the infiltrating molten silicon, while being subjected to a pressure atmosphere. As is apparent from Figures 3 and 4, the application of increased pressure prior to solidification of the filler material resulted in more complete infiltration by the molten silicon, thus completely filling the pores within the experimental preform as compared to the preform. -baseline shape. Subsequent polished section metallography of the void regions visible in Figures 3 and 4 confirmed that the gaps in the experimental preform of Figure 4 were completely filled with silicon, while the gaps in the baseline preform of Figure 3 did not. .

[027] Embora a invenção tenha sido descrita em termos de realizações particulares, é aparente que outras formas poderíam ser adotadas por uma pessoa versada na técnica. Por exemplo, os parâmetros e materiais usados nos processos observados acima podem diferir daqueles descritos e os processos adicionais além daqueles observados poderíam ser usados. Deve ser compreendido também que a fraseologia e terminologia empregadas acima têm a finalidade de revelar as realizações e não necessariamente servem como limitações ao escopo da invenção. Finalmente, embora as reivindicações anexas descrevam certos aspectos que se acredita estarem associados à invenção, conforme indicado pelas investigações discutidas acima, não necessariamente servem como limitações ao escopo da invenção.Although the invention has been described in terms of particular embodiments, it is apparent that other forms could be adopted by one of ordinary skill in the art. For example, the parameters and materials used in the processes noted above may differ from those described and additional processes beyond those observed could be used. It should also be understood that the phraseology and terminology employed above is intended to disclose the embodiments and does not necessarily serve as limitations on the scope of the invention. Finally, while the appended claims describe certain aspects believed to be associated with the invention, as indicated by the investigations discussed above, they do not necessarily serve as limitations on the scope of the invention.

ReivindicaçõesClaims

Claims

A process for producing a CMC article (10), the process of which comprises: - producing unidirectional prepregs (12) comprising an aqueous paste and a fiber reinforcing material (14); stacking the prepregs (12) to form a preform; burning the preform to produce a porous burnt preform comprising fiber reinforcing material (14), a ceramic matrix material (18) and gaps within the porous burnt preform and then - densifying the porous burnt preform: - by heating the porous burnt preform and a filler to fuse the filler and thereby produce a molten filler and creating a vacuum within the voids of the preform porous fired to produce the molten filler to infiltrate the porous burned preform and partially fill the gaps with the molten filler; while the molten filler remains molten within the gaps, subject the porous burnt preform and the molten filler thereto to increased pressure to further fill the gaps with the molten filler and then while porous burnt form and the molten filler in it remain subject to increased pressure, cool the porous burnt preform and the molten filler in it to solidify the molten filler within the gaps and produce a CMC article (10). ) comprising the fiber reinforcing material (14), the ceramic matrix material (18) and the filler material within the spans.

A process according to claim 1, characterized in that the aqueous paste comprises one or more organic binders which are pyrolyzed during the firing step to form at least some of the spans.

A process according to claim 1 or 2, characterized in that at least some of the spans comprise layered gaps between the prepregs (12) forming the porous burned preform.

Process according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that at least some of the spans comprise incompletely compacted regions within the porous burned preform.

A process according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the increased pressure to which the porous burned preform and molten filler are subjected is applied with nitrogen gas.

Process according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the increased pressure is about one atmospheric pressure.

Process according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the filler material is at least one elemental silicon material and a low melting silicon alloy.

Process according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the CMC article (10) is a silicon-containing CMC article.

Process according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that the fiber reinforcing material (14) comprises silicon carbide.

Process according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that the ceramic matrix material (18) comprises silicon carbide.

Process according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that the CMC article (10) is a component of a turbomachine.

Process according to Claim 11, characterized in that it further comprises installing the component in a gas turbine engine.