CN105531243B - 通过化学气相渗透制作的陶瓷基质复合物及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及通过化学气相渗透制作的陶瓷基质复合物、制作陶瓷基质复合物的方法，以及用于热气体通路中的陶瓷基质复合物涡轮构件。提供了一种制造陶瓷基质复合物的方法，其可包括以下步骤：(i)在期望形状的陶瓷基质复合物预形件中形成多个孔；以及(ii)通过化学气相渗透过程使预形件致密化来形成基质的一部分或大部分。还提供了一种可用于热燃烧气体中的陶瓷基质复合物，其根据本文所述的前述陶瓷基质复合物制造方法制作。

Description

通过化学气相渗透制作的陶瓷基质复合物及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2013年9月20日提交的Luthra等人的题为"Ceramic MatrixComposites Made by Chemical Vapor Infiltration and Methods of ManufactureThereof"的美国临时专利申请序列第61/880,352号的优先权；该申请的公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及由化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration)制作的陶瓷基质复合物、制作陶瓷基质复合物的方法，以及用于热气体通路中的陶瓷基质复合物涡轮构件。
背景技术
CVI复合物的一个关键局限性在于基质可包含显著的孔隙度。孔隙度随厚度增大，且可显著地影响平面中和层间两者的性质。因此，所需的是在制造用于生产诸如用于热气体通路中的涡轮构件的物件的陶瓷基质复合物中的改善方法和技术。
本公开内容的方法、陶瓷基质复合物、陶瓷基质复合物涡轮构件和技术针对克服本领域中的这些及其它缺陷。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明理解到。
本公开内容尤其涉及通过化学气相渗透制作的陶瓷基质复合物、制作陶瓷基质复合物的方法，以及用于热气体通路中的陶瓷基质复合物涡轮构件。
在一方面，本公开内容提供了一种制造陶瓷基质复合物的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：(i)在期望形状的陶瓷基质复合物预形件中形成多个孔；以及(ii)通过化学气相渗透过程使预形件致密化来形成基质的一部分或大部分。
在另一方面，本公开内容提供了一种根据本文所述的前述陶瓷基质复合物制造方法制作的用于热燃烧气体中的陶瓷基质复合物。
在又一方面，本公开内容提供了一种用于热气体通路中的陶瓷基质复合物涡轮构件，其包括由根据本文所述的前述陶瓷基质复合物制造方法制作的陶瓷基质复合物。
如本文所述，本公开内容的方法、陶瓷基质复合物、陶瓷基质复合物涡轮构件和技术尤其通过在CVI之前在预形件中产生贯穿厚度的孔而有效解决了与制造陶瓷基质复合物中CVI的使用相关联的孔隙度的问题。在本公开内容的方法的各种实施例中，孔可通过机加工或通过使用在烧尽时留下孔的聚合物纤维来产生。在各种实施例中，孔直径远大于预形件中的孔隙直径，这允许了气体在CVI期间穿透预形件的整个厚度。
在一个非限制性实例中，本公开内容的方法可涉及优选以单轴带层合或以织物层合来制作预形件。孔然后可在粘合剂烧尽之前或之后钻取。此外，在一些实施例中，孔可为渐缩的，其中在预形件的面上直径较大。CVI过程然后可用于填充预形件孔隙和形成在预形件中的孔两者。填充孔隙将提高层间性质和氧化寿命。在各种实施例中，存在于大孔中的SiC可进一步改善层间性质。在一些情况中，可能期望以BN预先涂布孔的内表面。性质可通过仅在需要致密复合物的区域中提供孔来定制。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入本说明书且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
看作是本发明的主题在说明书的结束部分中具体指出且明确提出。然而，本发明可连同附图参照以下详细来最佳地理解，在附图中：
图1A为根据本公开内容的预形件的一个实施例的图示；
图1B示出了图1A中所示的实施例的截面视图；
图2A为延伸穿过预形件中的板层的示例性孔的图示；
图2B为示出在预形件中使用孔对致密化的影响的图表；
图3为将本公开内容的实施例的预形件孔间距(mm)和孔直径(mm)与美国专利第5,405,560号和美国专利第8,216,641号中描述的那些相比较的图表；以及
图4为将本公开内容的实施例的预形件孔密度(孔数/cm2)和面积分数(%)与美国专利第5,405,560号和美国专利第8,216,641号中所述的那些相比较的图表。
本说明书和附图中的参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例通过阐释本发明的方式提供，而不限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在本发明中制作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，期望本发明覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。
大体上，本公开内容的方法、陶瓷基质复合物、陶瓷基质复合物涡轮构件和技术解决了与使用化学气相渗透过程制作复合物相关联的问题。
一方面，本公开内容提供了一种制造陶瓷基质复合物的方法。在一个实施例中，在期望形状的陶瓷基质复合物预形件中形成多个孔，预形件具有限定预形件的厚度的第一面和相对的第二面，且然后通过化学气相渗透(CVI)过程使预形件致密化来形成基质的一部分或大部分。例如，该方法可包括以下步骤：(i)提供期望形状的陶瓷基质复合物预形件，其具有限定预形件的厚度的第一面和相对的第二面；(ii)在预形件中形成部分地和/或完全地延伸穿过预形件的厚度的多个孔；以及(iii)通过化学气相渗透(CVI)过程使预形件致密化来形成基质的一部分或大部分。
在一个实施例中，基质为含硅材料。适合的含硅材料可包括而不限于碳化硅、氮化硅、硅化钼，以及它们的混合物。在某些实施例中，含硅材料包括作为主要组分的硅。在特定实施例中，陶瓷基质复合物为碳化硅-碳化硅复合物。
在一个实施例中，陶瓷基质复合物为连续纤维增强的复合物。在某些实施例中，陶瓷基质复合物的纤维可包括而不限于碳、碳化硅、含碳化硅材料，以及它们的混合物。
如本文所述，在特定实施例中，含硅材料包括SiC。SiC可使用各种技术沉积。根据一种技术，SiC可从甲基三氯硅烷沉积。根据另一技术，SiC可从硅烷或氯硅烷和含碳气体中的混合物或多种混合物沉积。
在一个实施例中，基质还包括碳化物或硼化物。在另一个实施例中，基质还包括HfC, ZrC, TiC, TiB2, ZrB2和/或HfB2。
如本文所述，本公开内容的方面涉及提供期望形状的陶瓷基质复合物预形件，其具有限定预形件的厚度的第一面和相对的第二面。在一个实施例中，第一面和第二面具有与彼此相同或不同的表面结构和拓扑。即，第一面在一个实施例中可为与第二面平行的表面，或在另一个实施例中与第二面不平行(例如，与彼此成斜的关系)。
如本文所述，本公开内容的方法涉及在预形件中形成多个孔，其中空部分地和/或完全地延伸穿过预形件的厚度。在一个实施例中，孔穿过预形件均匀或非均匀分布。图1A示出了限定具有孔14的第一面12的预形件10的一个实施例，孔14穿过第一面12大体上均匀分布。在各种实施例中，孔14可仅存在于预形件10的一部分中或预形件10的多个部分中。
形成在预形件中的孔14可具有各种局部体积分数。在一个实施例中，孔的局部体积分数在预形件的表面区域上从大约0.1%到大约30%之间变化，或更具体而言，在预形件的表面区域上从大约2%到大约10%变化。
根据本公开内容的方法提供的预形件的孔隙度可变化。在一个实施例中，预形件可具有大约20%到大约80%之间的孔隙度。在更具体的实施例中，预形件可具有大约40%到大约70%之间的孔隙度。
根据本公开内容的方面提供的预形件还可包括纤维。在一个实施例中，预形件包括具有单向纤维的板层。在另一个实施例中，预形件包括具有2D织造架构的板层，具有或没有贯穿厚度的缝合。在另一个实施例中，预形件包括由织造和/或编织制成的3D纤维架构。图1B示出了形成预形件10的多个板层16，且图2A示出了从第一面12延伸至相对的第二面13的孔14附近的示例性板层16。
根据本公开内容的方法，纤维的体积分数可变化。在一个实施例中，纤维的体积分数可在大约10%到大约60%之间。在一个实施例中，纤维的体积分数可在大约15%到大约40%之间。在各种其它实施例中，本公开内容的方法中使用的纤维可具有一个或更多个层合的涂层。
根据本公开内容的方法，形成在预形件中的孔可具有各种尺寸、形状和深度。在一个实施例中，孔具有范围从大约25微米到大约250微米的截面尺寸直径(即，在孔的截面中测得的最长长度)。在另一个实施例中，孔具有范围从大约50微米到大约200微米的截面尺寸直径。在又一个实施例中，孔具有范围从大约75微米到大约150微米的截面尺寸直径。在再一个实施例中，孔具有范围从大约90微米到大约125微米的截面尺寸直径。此外，本公开内容提供了预形件的孔可具有一致的截面尺寸直径，或其截面尺寸直径可变。此外，预形件的不同部分可具有截面尺寸直径一致或其截面尺寸直径变化的孔。
形成在预形件中的孔可以以各种体积分数布置。在一个实施例中，孔的体积分数对于整个预形件在大约0.5%到大约15%之间。在另一个实施例中，孔的体积分数对于整个预形件在大约3%到大约10%之间。
如本文所述，形成在预形件中的孔可具有进入预形件的各种深度。如本文所述，按照本公开内容的方法提供的陶瓷基质复合物预形件具有期望形状，且具有限定预形件的厚度的第一面和相对的第二面。在一个实施例中，孔穿透预形件的整个厚度。在另一个实施例中，孔穿透厚度的一部分。在又一个实施例中，孔可具有相同或不同的截面形状。在特定实施例中，孔具有可包括而不限于圆形、正方形、矩形、椭圆形和任何其它二维封闭图案的截面形状。
在一个实施例中，形成在预形件中的孔可穿过预形件具有恒定的截面尺寸。在另一个实施例中，孔可穿过预形件改变截面尺寸。在各种实施例中，形成在预形件中的孔可为渐缩的。在特定实施例中，渐缩的孔的直径在预形件的一个面处较大。在其它实施例中，渐缩的孔延伸穿过预形件的厚度，使得一个面上的孔的直径大于预形件的相对面上的孔的直径。
在某些实施例中，形成在预形件中的孔可垂直于预形件的面且/或与预形件的面成角。在某些其它实施例中，孔形成到预形件的第一面中且从其向内延伸，形成到预形件的第二面中且从其向内延伸，或形成在预形件的第一面和第二面两者中且从其向内延伸。
按照本公开内容的方法，可使用各种技术来形成预形件中的孔。用于形成预形件中的孔的适合的技术可包括而不限于机械钻孔、激光钻孔、放电加工(EDM)、水射流加工、超声波研磨加工和/或通过使用易消失的纤维或杆。
如本文所述，制造陶瓷基质复合物的方法涉及提供期望形状的陶瓷基质复合物预形件的步骤。在特定实施例中，陶瓷基质复合物预形件的期望形状具有用于热气体通路中的涡轮构件。在更具体的实施例中，涡轮构件可包括而不限于燃烧衬套、导叶和叶片、喷嘴、轮叶、过渡件、涡轮中心框架和护罩。
如本文所述，本公开内容提供了一种制作陶瓷基质复合物的方法，该方法涉及提供期望形状的陶瓷基质复合物预形件，其具有限定预形件的厚度的第一面和相对的第二面。该方法还涉及在预形件中形成部分地和/或完全地延伸穿过预形件的厚度的多个孔。
在一个实施例中，在预形件中形成孔之后，该方法涉及通过化学气相渗透(CVI)过程使预形件致密化来形成基质的一部分或大部分。形成陶瓷基质复合物中CVI的使用是本领域的普通技术人员已知的。在形成陶瓷基质复合物(包括SiC/SiC陶瓷基质复合物)中CVI的使用的非限制性实例在各种专利中被描述，包括而不限于美国专利第7,306,826号、美国专利第7,754,126号、美国专利第7,837,914号和美国专利第8,114,799号，以上专利的全部公开内容通过引用并入本文中。如本文所述，使用CVI来形成CMC的一种适合的方法可涉及易消失纤维的使用。在形成CMC中易消失纤维的使用的非限制性实例(例如，使用易消失纤维来形成SiC/SiC CMC)在各种专利中描述，包括而不限于美国专利第7,754,126号和美国专利第7,549,840号，以上专利的全部公开内容通过引用并入本文中。在另一个实施例中，本公开内容的方法涉及使用2D预形件。在用于形成陶瓷基质复合物(包括SiC/SiC CMC)的CVI过程中2D预形件的使用的非限制性实例在各种专利中描述，包括而不限于美国专利第7,597,838号，其公开内容通过引用并入本文中。
如本文所述，在特定实施例中，本公开内容的方法涉及通过使用涡轮构件的陶瓷基质复合物预形件来制作陶瓷基质复合物，涡轮构件包括而不限于用于热气体通路中的涡轮构件(例如，燃烧衬套、导叶和叶片、喷嘴、轮叶、过渡件、涡轮中心框架和护罩)。由陶瓷基质复合物制作涡轮发动机构件的非限制性实例在各种专利中被描述，包括而不限于美国专利第7,247,212号，其全部公开内容通过引用并入本文中。在一个特定实施例中，如美国专利第7,247,212号中所述，本公开内容的方法可用于通过织造提供了可近净成形组装的定制纤维架构的三维复合物预形件来由CMC制作涡轮发动机构件，。
在另一方面，本公开内容提供了一种根据本文所述的前述陶瓷基质复合物制造方法制作的用于热燃烧气体中的陶瓷基质复合物。
在又一方面，本公开内容提供了一种用于热气体通路中的陶瓷基质复合物涡轮构件，其包括由根据本文所述的前述陶瓷基质复合物制造方法制作的陶瓷基质复合物。如本文所述，涡轮构件可包括而不限于燃烧衬套、导叶和叶片、喷嘴、轮叶、过渡件、涡轮中心框架和护罩。在特定实施例中，涡轮构件整体结合为工业燃气轮机或飞行器发动机的一部分。
尽管依据一个或更多个特定实施例描述了本发明，但将清楚的是，其它形式可由本领域的技术人员采用。将理解的是，连同本文描述的涂层成分使用的"包括"公开且包括其中涂层成分基本上由所述组分构成(即，包含所述组分且没有显著不利影响公开的基本的和新颖的特征的其它组分)的实施例，以及其中涂层成分由所述组分构成(即，除自然且不可避免存在于各个所述组分中的污染物外，仅包含所述组分)的实施例。
实例
以下实例旨在示出特定实施例，但绝不旨在限制本系统和技术的范围。
实例1：针孔对致密化的影响
使用针孔对致密化的影响已经在CVI过程中使用具有孔的预形件的背景下模拟。这些计算中的假设是：纤维填充分数为35%且孔隙直径为大约6到大约10微米。表1示出了对于以2mil(大约50.8μm)的针孔直径模拟的四个不同示例性预形件的针孔体积分数(%)对针孔间距(中心到中心，单位mil)：
表1
针孔体积分数(%) 中心到中心的针孔间距
1 17.7mil(大约450μm)
2 12.5 mil(大约317.5μm)
5 7.9 mil(大约200.66μm)
10 5.6mil(大约142.25μm)
图2B示出了针孔体积分数在一定时间内如何影响平均孔隙度。
实例2：具有孔的CMC预形件与在先公开案的比较
根据本公开内容的包含孔的陶瓷基质复合物预形件的各种实施例已经与在先公开案的预形件相比较。图3为将本公开内容的实施例的预形件孔间距(mm)和孔直径(mm)与美国专利第5,405,560号和美国专利第8,216,641号中描述的那些相比较的图表。图4为将本公开内容的实施例的预形件孔密度(孔数/cm2)和面积分数(%)与美国专利第5,405,560号和美国专利第8,216,641号中所述的那些相比较的图表。
如图3和图4中所示，本公开内容的实施例的CMC预形件是可与美国专利第5,405,560号和美国专利第8,216,641号的在先公开案的预形件区分开的。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种制造陶瓷基质复合物的方法，所述方法包括：
提供期望形状的陶瓷基质复合物预形件，具有限定所述预形件的厚度的第一面和相对的第二面；
在所述预形件中形成部分地和/或完全地延伸穿过预形件的厚度的多个孔；以及
通过化学气相渗透过程使所述预形件致密化来形成基质的一部分或大部分；
其中，所述孔的局部体积分数在所述预形件的表面区域上从0.1％到30％变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔的局部体积分数在所述预形件的表面区域上从2％到10％变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预形件具有在20％到80％之间的孔隙度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预形件具有在40％到70％之间的孔隙度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预形件包括具有单向纤维的板层；或具有2D织造架构的板层，具有或没有贯穿厚度的缝合；或通过织造和/或编织制作的3D纤维架构。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔具有范围从25微米到250微米的截面尺寸直径。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔具有范围从50微米到200微米的截面尺寸直径。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔的体积分数对于整个预形件是在0.5％到15％之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔的体积分数对于整个预形件是在3％到10％之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔穿透整个厚度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔具有选自圆形、正方形、矩形、椭圆形和任何其它二维封闭图案构成的集合的截面形状。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔的截面尺寸穿过所述预形件变化。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其中，所述孔为渐缩的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述孔通过机械钻孔、激光钻孔、放电加工、水射流加工、超声波研磨加工、和/或通过易消失纤维或杆的使用来形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述基质为含硅材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述含硅材料选自碳化硅、氮化硅、硅化钼和它们的混合物构成的集合。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述陶瓷基质复合物为碳化硅-碳化硅复合物或连续纤维增强复合物。
18.一种根据前述权利要求中的任一项所述的方法形成的陶瓷基质复合物。
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