CN107226706A - 具有单峰孔径分布和低纤维体积分数的陶瓷基质复合物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了陶瓷基质复合物制品(10)，包括例如在具有单峰孔径分布的基质(30)中的纤维丝束(20)的多个单向阵列，以及约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。制品可通过方法(100)形成，例如，其包括提供成形预制件(110)，该成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、基质前体和成孔剂，固化成形预制件(120)以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔基质，并且使固化的成形预制件经历化学气相渗透(130)以使多孔基质致密化，使得陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。

Description

具有单峰孔径分布和低纤维体积分数的陶瓷基质复合物
技术领域
本公开内容一般涉及陶瓷基质复合物，并且更具体而言，涉及用于形成具有单峰孔径分布和最佳纤维体积分数的陶瓷基质复合物制品的制品和方法。
背景技术
陶瓷基质复合物(CMCs)一般包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。在基质破裂的情况下，增强材料充当CMC的负载承受组成成分，而陶瓷基质保护增强材料，维持其纤维的方向，并且作用于消散对增强材料的负载。高温应用(例如，在燃气涡轮机中)特别感兴趣的是硅基复合物(silicon-based composites)，其包括碳化硅(SiC)作为基质和/或增强材料。
在形成CMC中已采用了不同的加工方法。例如，一种方法包括化学气相渗透(CVI)。CVI是通过在高温下使用反应性气体使基质材料渗透到纤维预制件中以形成纤维增强复合物的过程。例如，由CVI形成的常规的基于布的CMC通常具有10百分比至20百分比的孔隙率、35百分比至40百分比的纤维体积分数、以及1ksi至3ksi的层间拉伸(ILT)强度，如通过标准的1英寸直径按钮拉力测试测量的。CVI复合物基质通常不具有游离硅相，并且因此具有良好的抗蠕变性和在2,570华氏度以上的温度下操作的可能性。
另一种方法包括熔体渗透(MI)，其使用熔融硅渗透到含纤维的预制件内。例如，由MI形成的常规单向带基CMC通常具有3百分比以下的孔隙率、20百分比至33百分比的纤维体积分数、以及5ksi至9ksi的层间拉伸(ILT)强度。MI复合物的基质包含将CMC的使用限制至硅或硅合金的熔点以下或约2,550华氏度至2,570华氏度的游离硅相(即元素硅或硅合金)。此外，游离硅相使MI SiC基质具有相对较差的抗蠕变性。
另一种方法采用部分CVI过程，随后为MI过程，并且一般被称为“浆料浇铸MI”。该方法通常获得通常为约6百分比的在MI复合物和CVI复合物之间的中间孔隙率、35百分比至40百分比的纤维体积分数、2ksi至4ksi的层间拉伸(ILT)强度，并且还含有在复合物基质内残余的游离硅相。
发明内容
通过在一个实施例中提供用于形成陶瓷基质复合物制品的方法，克服了现有技术的缺点并提供了另外的优点。该方法包括例如提供成形预制件，该成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、基质前体和成孔剂，使成形预制件固化以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔基质骨架，并且使固化的成形预制件经历化学气相渗透以使多孔基质骨架致密化，使得陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
在另一个实施例中，用于形成陶瓷基质复合物制品的方法包括例如提供成形预制件，所述成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、用于形成陶瓷基质的基质前体、颗粒填料和成孔剂，使成形预制件固化以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔陶瓷基质骨架，所述单峰孔径分布具有约1微米至约30微米的中值孔径，和使固化的成形预制件经历使用气态陶瓷的化学气相渗透、部分化学气相渗透和熔体渗透，或部分化学气相渗透、浆料浇铸和熔体渗透，以使多孔陶瓷基质骨架致密化，使得陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
在另一个实施例中，陶瓷基质复合物制品包括例如在具有单峰孔径分布的基质中的纤维丝束的多个单向阵列，并且其中所述陶瓷基质复合物制品包含约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
技术方案1：一种用于形成陶瓷基质复合物制品的方法，该方法包括：
提供成形预制件，该成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、基质前体和成孔剂；
固化成形预制件以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔基质骨架；和
使固化的成形预制件经历化学气相渗透以使多孔基质骨架致密化，使得该陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，该陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约30百分比的纤维体积分数。
技术方案3：根据技术方案1所述的方法，该多孔基质骨架包含均匀的空间孔隙率分布。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，该多孔基质骨架包含陶瓷。
技术方案5：根据技术方案4所述的方法，该多孔基质骨架包含碳化硅。
技术方案6：根据技术方案4所述的方法，该多孔基质骨架包含来源于基质前体的热解的陶瓷。
技术方案7：根据技术方案1所述的方法，该基质前体是基于聚碳硅烷和/或聚硅氮烷的化学。
技术方案8：根据技术方案1所述的方法，经历包括使固化的成形预制件经历沉积碳化硅的气态混合物。
技术方案9：根据技术方案5所述的方法，使固化的成形预制件经历化学气相渗透包括使固化的成形预制件经历沉积碳化硅的气态混合物。
技术方案10：根据技术方案1所述的方法，该陶瓷基质复合物制品包含超过约6ksi的层间拉伸强度。
技术方案11：根据技术方案1所述的方法，该固化预制件的单峰孔径分布的中值为约1微米至约30微米。
技术方案12：根据技术方案1所述的方法，该固化预制件的单峰孔径分布的中值为约1微米至约20微米。
技术方案13：根据技术方案1所述的方法，化学气相渗透包括部分化学气相渗透，并且还包括使部分化学气相渗透致密化陶瓷基质复合物制品经历熔体渗透。
技术方案14：根据技术方案13所述的方法，熔体渗透包括硅、硅合金或氧化物。
技术方案15：根据技术方案13所述的方法，在陶瓷基质复合物制品经历熔体渗透之后，该陶瓷基质复合物制品包含小于约5百分比的孔隙率。
技术方案16：根据技术方案1所述的方法，化学气相渗透包括部分化学气相渗透，并且还包括使部分化学气相渗透致密化陶瓷基质复合物制品经历浆料浇铸和熔体渗透。
技术方案17：根据技术方案16所述的方法，浆料浇铸包括包含碳化硅、碳化硼、一种或多种氧化物和/或其组合的浆料。
技术方案18：根据技术方案1所述的方法，该固化的成形预制件包含约35百分比至约65百分比的体积孔隙率。
技术方案19：根据技术方案1所述的方法，该陶瓷基质复合物制品包含约5百分比至约20百分比的体积孔隙率。
技术方案20：根据技术方案1所述的方法，该陶瓷基质复合物制品包括具有第一纤维体积百分比的至少一个第一部分，以及具有不同于第一纤维体积百分比的第二纤维体积百分比的至少一个第二部分。
技术方案21：根据技术方案1所述的方法，该成孔剂包含聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、尼龙、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇或纤维素粉末。
技术方案22：根据技术方案1所述的方法，该成形预浸料还包含碳化硅颗粒、碳化硼颗粒、氧化物颗粒和/或其组合。
技术方案23：根据技术方案1所述的方法，该纤维丝束包括碳化硅纤维丝束。
技术方案24：一种用于形成陶瓷基质复合物制品的方法，该方法包括：
提供成形预制件，该成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、用于形成陶瓷基质的基质前体和成孔剂；
固化成形预制件以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔陶瓷基质骨架，单峰孔径分布具有约1微米至约30微米的中值孔径；和
使固化的成形预制件经历使用气态陶瓷的化学气相渗透、部分化学气相渗透和熔体渗透，或部分化学气相渗透、浆料浇铸和熔体渗透，以使多孔陶瓷基质骨架致密化，使得该陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
技术方案25：一种陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包括：
在具有单峰孔径分布的基质中的纤维丝束的多个单向阵列；和
其中该陶瓷基质复合物制品包含约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
技术方案26：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约30百分比的纤维体积分数。
技术方案27：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该基质包含均匀的空间孔隙率分布。
技术方案28：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包含超过6ksi的层间拉伸强度。
技术方案29：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包含约5百分比至约20百分比的体积孔隙率。
技术方案30：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包含具有约1微米至约20微米的中值孔径的单峰孔径分布。
技术方案31：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包括具有第一纤维体积百分比的至少一个第一部分，以及具有不同于第一纤维体积百分比的第二纤维体积百分比的至少一个第二部分。
技术方案32：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该纤维丝束的单向阵列包含碳化硅。
技术方案33：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该基质包含碳化硅。
技术方案34：根据技术方案25所述的陶瓷基质复合物制品，该陶瓷基质复合物制品包括涡轮机部件或涡轮机部件修理件。
附图说明
根据与附图结合考虑的本公开内容的各个方面的以下详述，本公开内容的前述和其他特征、方面和优点将变得显而易见，在所述附图中：
图1是根据本公开内容的一个实施例的陶瓷基质复合物制品的横截面视图；
图2是根据本公开内容的一个实施例用于形成图1的陶瓷基质复合物制品的方法的流程图；
图3是用于形成图1的陶瓷基质复合物制品的具有多个单向预浸料带的未固化预制件的横截面视图；
图4是由图3的未固化预制件形成的固化预制件的横截面视图；
图5显示了由编织纤维丝束制成的常规CVI预制件的示意图；
图6是与使用如通常用于常规CVI的编织纤维叠层形成的预制件和CVI致密化复合物相比较，根据本公开内容形成的预制件和最终CVI致密化复合物制品的孔径分布的理想化表示；
图7是根据木公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法的流程图；
图8是根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法的流程图；和
图9是根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法的流程图。
具体实施方式
本公开内容的实施例以及其某些特征、优点和细节将在下文参考附图中所示的非限制性例子更全面地加以解释。省略了对众所周知的材料、加工技术等的描述，以免不必要地使详细的本公开内容模糊。然而，应当理解详述和具体例子虽然指示本公开内容的实施例，但仅以举例说明的方式而不是限制的方式给出。在本发明概念的精神和/或范围内的各种取代、修改、添加和/或安排根据本公开内容对于本领域技术人员将是显而易见的。
图1示出了根据本公开内容的一个实施例的陶瓷基质复合物(CMC)制品10的一部分。CMC制品10可包括在陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。如下文更详细地描述的，在一些实施例中，CMC制品10可通过导致具有纤维丝束20的多个单向阵列和致密化基质30的CMC制品10的过程形成。这种CMC制品可被定制为具有改善的性质，例如但不限于机械性质(例如，层间(ITL)强度和比例极限(PL，proportional limit))和抗氧化性。
如下文进一步描述的，例如，预涂布的纤维丝束、预浸料(prepregging)、层铺设、固结和烧尽可导致用于后续致密化的固化预制件。在预浸料过程中可使用浆料，所述浆料具有例如基质前体连同颗粒填料和成孔剂例如聚合物成孔剂，以调节纤维间距和孔径分布，并给出用于CVI致密化的独立预制件。在预制件固化例如基质前体的热解和成孔剂的烧尽之后，可使用单独的CVI，使用部分CVI、随后为用硅、硅合金或氧化物例如稀土二硅酸盐(RE2Si2O7)的熔体渗透的组合，或在熔体渗透之前使用浆料渗透，使固化的预制件致密化。使用基于丝束的单向层预制件的优点可给出用于致密化的更均匀的孔结构，导致更均匀的CMC微观结构。可消除纤维和连续涂层的触感，由此改善CMC制品的机械性质和抗氧化性。本公开内容的这种技术可有利地应用于硅轴承陶瓷涡轮机部件(例如涡轮机叶片(blade)、轮叶(vane)、喷嘴、护罩、燃烧器等)及其修理件。
图2示出了根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品10(图1)的方法100。在该示例性实施例中，方法100一般包括在110处提供成形预制件，该成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、基质前体和成孔剂，在120处使成形预制件固化以热解基质前体并烧尽成孔剂，使得成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔基质骨架，并且在130处使固化的成形预制件经历化学气相渗透以使多孔基质骨架致密化，使得陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
图3示出了以用浆料214浸渍的单向排列丝束的带状结构形式的多个预浸料层210制造的未固化成形预制件200，以产生一般二维的层压件。预浸料可由例如所需CMC的增强材料和浆料形成，所述浆料可包括基质前体、成孔剂、颗粒填料和载体，如下所述。可将浆料辊磨以解聚(deagglomerate)且分散粉末。通过使丝束通过浆料浴，浆料可渗透到被涂布的丝束内。随后可将丝束缠绕到滚筒上，并可包括浆料的部分干燥，使得形成带。可从滚筒上取出带，并且可切割单向预制件层以形成带。
用于丝束的材料可包括碳化硅(SiC)纤维、多晶SiC纤维或其他合适的纤维。适合于丝束的材料的例子是来自NGS Advanced Fibers Co.LTD的纤维直径的合适范围为约五至约二十微米，然而具有较大和较小直径的纤维也在本公开内容的范围内。纤维可优选用例如碳或氮化硼界面层(未示出)的材料涂布，以对CMC制品赋予某些所需性质，例如允许涂层和形成的CMC制品的基质材料之间的滑动。例如，纤维丝束可以是约500根单根纤维的单束。
浆料可包括基质前体，例如有机或无机材料，其在烧尽例如热解或焙烧后留下炭/残余物。在一些实施例中，基质前体可包括如下所述可用于在固化的预制件中形成含多孔硅前体例如碳化硅的含硅前体。基质前体的例子包括原硅酸四乙酯(TEOS)、聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷、酚醛树脂和呋喃化合物。成孔剂可包括可通过固结过程保持存在但在烧尽或热解过程中可以是消失的导致孔的颗粒或其他种类。成孔剂的例子可包含聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和/或纤维素粉末。填料可包括帮助控制收缩的氧化物或非氧化物颗粒或晶须。填料的例子包括SiC、B4C、SiO2、HfC、HfB2、ZrC、ZrB2、MoSi2、Si3N4、Al2O3、稀土硅酸盐和稀土硅化物。载体可包括溶解或携带基质前体和其他成分的有机或无机液体。载体的例子包括水、异丙醇、甲苯和丙酮。
包括在成孔剂中的颗粒可包括用于颗粒集合的单峰粒度分布，与在粒度分布曲线上具有两个清晰可辨的最大值的具有双峰粒度分布的颗粒集合，或者在粒度分布曲线上具有三个或更多个清晰可辨的最大值的具有多峰粒度分布的颗粒集合相比较，所述颗粒集合在粒度分布曲线上具有单个清晰可辨的最大值。包括在成孔剂中的颗粒可包括在约1微米至约30微米范围内的中值粒径，可包括在约1微米至约20微米范围内的中值粒径，可包括在约3微米至约10微米范围内的中值粒径，和/或可包括在约3.5微米至约8微米范围内的中值粒径。在使丝束通过浆料浴之前，可将包括基质前体、成孔剂、颗粒填料和载体的浆料组合并混合，直至获得具有均匀空间分布的成孔剂的均匀混合物。
所得到的预浸料的多个层被铺设或堆叠成所需图案和形状，并且通常被布置成使得预浸料层的丝束相对于其他层中的预浸料层的其他丝束平行、横向(例如，垂直)或成角度定向。多个层通常可在经历施加的压力和升高的温度(例如在真空中或在高压釜中或局部施加压力和热)下经历固结或减积(debulking)。
固结的多个堆叠层经历烧尽例如热解或者在真空中或在惰性或反应性气氛中加热，以便分解基质前体，以形成陶瓷或陶瓷炭，并且其中成孔剂例如挥发，并产生用于化学气相渗透的多孔预制件，导致图4中所示的固化预制件300。所得到的前体基质的孔隙率可具有占优势的单峰孔径分布和占优势的均匀空间分布。例如，固化的多孔含硅前体的孔径分布中的局部最大值可为约1微米至约30微米、约1微米至约20微米、约3微米至约10微米和/或约3.5微米至约8微米。固化的预制件可具有约35百分比至约65百分比的体积孔隙率。
随后使固化的预制件经历化学气相渗透，例如使用外部供应的气态碳化硅源。气态碳化硅源渗透到孔隙内，反应以在多孔层的内孔表面上沉积SiC，以形成如图1所示的CMC制品10的致密化碳化硅基质，并且可不含游离Si金属。适当的化学气相渗透气体可包括甲基三氯硅烷、二甲基-二氯硅烷、硅烷+甲烷、四氯硅烷+甲烷和其他合适的气体。
所得到的CMC制品10的孔隙率可具有单峰孔径分布。例如，CVI致密化CMC制品的中值孔径可为约1微米至约20微米、或约1微米至约15微米。CMC制品10可具有约5百分比至约20百分比的体积孔隙率。CMC制品可具有均匀的空间分布的纤维体积百分比。例如，CMC制品可具有约15百分比至约35百分比的纤维体积。在其他实施例中，CMC制品可定制为基于叠层和带预浸料在CMC各处具有不同的纤维体积。例如，CMC制品可包括具有第一纤维体积百分比的至少一个第一部分，以及具有不同于所述第一纤维体积百分比的第二纤维体积百分比的至少一个第二部分。
本领域技术人员将了解，本公开内容的教导也适用于其他CMC材料组合，并且这种组合在本公开内容的范围内。用于化学气相渗透过程的合适材料可包括碳化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、碳化硼、碳化锆、碳化铪、二硼化锆、二硼化铪、硅化钼和其他合适的材料。
根据本公开内容的技术形成的CMC制品的测试(包括占优势的单峰孔径分布，显示关于具有0/90体系结构的CMC的约6ksi至约12ksi的层间拉伸(ILT)强度值，以及约18百分比([0∶90]2s体系结构，0.1″厚)至28百分比([0∶90]2s体系结构，0.065″厚)的纤维体积分数，其显著高于由编织纤维制成的常规CVI复合物的ILT值，并且与MI型陶瓷复合物的典型值相当(comparable to)或优于MI型陶瓷复合物的典型值。
图5显示了由编织纤维制备的常规CVI复合物预制件的微观结构的示意图。编织图案中的纤维丝束的交叉趋于将丝束压缩成紧束。另外，由于编织纤维布的表面粗糙度，纤维层趋于无效率地包装。常规CVI预制件的微观结构因此具有两个不同类型的孔隙率；第一个是纤维丝束内的小纤维间孔，并且第二个是由编织图案以及该图案在层边界处的错合度引起的较大的丝束间孔。
图6显示了使用常规基于编织纤维的CVI方法和通过本公开内容的技术制备的CVI预制件和最终致密化复合物的孔径分布的理想化表示。图5中所示和前面段落中所述的两个孔群体导致关于常规编织纤维CVI预制件的双峰或多峰孔径分布。通过使用在本发明中概述且在图7-9中描述的方法，获得具有单峰孔径分布的如图1中所示的预制件微观结构。在经由CVI或CVI和MI方法的组合致密化后，孔隙率的量减小，并且孔径分布中的峰的平均值可偏移，但分布的多峰或单峰性质被保留。它是较大的孔，例如尺寸在30微米以上，其主要负责限制常规基于布的CVI复合物的层间拉伸强度和比例极限强度。由本公开内容制备的复合物使这种不期望的大孔隙率的量得到消除或降到最低，导致改善的层间拉伸强度。
本发明人的工作指示，对于恒定厚度的样本，层间拉伸(ILT)强度与纤维体积分数成反比，只要纤维保持均匀地分散在基质内，并且只要孔隙率占优势地保持单峰。另一方面，极限抗拉强度(UTS，ultimate tensile strength)和比例极限(PL)与纤维体积分数直接相关。
因此，对于特定应用的最佳性质平衡可包括根据本公开内容的CMC制品，与通常用于常规CVI复合物的35百分比至40百分比的纤维体积相比较，所述CMC制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积。在如上注明的一些实施例中，基于陶瓷基质复合物制品的不同部分的期望性质，陶瓷基质复合物制品的部分可具有不同的纤维体积百分比。例如，一些陶瓷基质复合物制品可具有与具有较高纤维体积百分比的其他部分或区域相比较，具有较低纤维体积百分比的部分或区域。
图7示出了根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法500。在该示例性实施例中，方法500一般包括在510处涂布纤维丝束，在520处进行丝束预浸料以形成预浸料带，以及在530处切割预浸料带并铺设用于形成制品的未固化预制件。在540处，在热和压力下，例如在高压釜中使预制件固结。在550处，预制件经历烧尽过程，使得例如所得到的预制件具有单峰孔径分布。在560处，固化的预制件经历化学气相渗透以使固化的预制件致密化，以在570处形成成品陶瓷基质复合物制品。通过方法500形成的陶瓷基质复合物制品可具有最佳的层间(ILT)强度范围和比例极限(PL)，具有约15百分比至35百分比的纤维体积，以及约8百分比至约20百分比的体积孔隙率。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有单峰孔径分布，其具有约3微米至约30微米的中值孔径。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有均匀的空间孔分布。这种陶瓷基质复合物制品可有利地应用于硅轴承陶瓷涡轮机部件(例如，涡轮机叶片(blade)、轮叶(vane)、喷嘴、护罩、燃烧器等)及其修理件。
在化学气相渗透(CVI)过程中，通过在升高的温度下使用反应性气体，将基质材料例如碳化硅渗透到纤维预制件内。一般地，通过使反应物扩散到预制件内并且副产物气体扩散离开预制件引起的限制导致在复合物中约12百分比至约15百分比的相对高的残留孔隙率。在使用CVI形成CMC中，通过CVI形成的复合物的内部部分通常具有的孔隙率高于外部部分的孔隙率。CVI复合物基质通常不含游离硅相、具有良好的抗蠕变性和在2,570华氏度以上的温度下操作的潜力。
图8示出了根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法600。在该示例性实施例中，方法600一般包括在610处涂布纤维丝束，在620处进行丝束预浸料以形成预浸料带，以及在630处切割预浸料带并铺设用于形成制品的未固化预制件。在640处，在热和压力下，例如在高压釜中使预制件固结。在650处，预制件经历烧尽过程，使得例如预制件基质具有单峰孔径分布。在660处，固化的预制件经历化学气相渗透以使固化的预制件致密化，导致约12百分比至约35百分比的体积孔隙率。进一步的致密化可在665处以熔体渗透过程发生，以在570处形成成品陶瓷基质复合物制品。熔体渗透可包括硅、硅合金、硅化物、氧化物或其组合。在方法600中，与方法500(图6)的化学气相渗透过程相比较，化学气相渗透的步骤可以是部分或完全化学气相渗透。通过方法600形成的陶瓷基质复合物制品可具有小于约5百分比的体积孔隙率。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有单峰孔径分布，其具有约1微米至约20微米的中值孔径。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有均匀的空间孔分布。这种陶瓷基质复合物制品可有利地应用于硅轴承陶瓷涡轮机部件(例如，涡轮机叶片(blade)、轮叶(vane)、喷嘴、护罩、燃烧器等)及其修理件。
图9示出了根据本公开内容的一个实施例用于形成陶瓷基质复合物制品的方法700。在该示例性实施例中，方法700一般包括在710处涂布纤维丝束，在720处进行丝束预浸料以形成预浸料带，以及在730处切割预浸料带并铺设用于形成制品的未固化预制件。在740处，在热和压力下，例如在高压釜中使预制件固结。在750处，预制件经历烧尽过程，使得例如预制件基质具有单峰孔径分布。在760处，固化的预制件经历化学气相渗透以使固化的预制件致密化。此外，致密化可在763处通过施加浆料浇铸，随后在767处通过熔体渗透而发生，以在770处形成成品陶瓷基质复合物制品。浆料浇铸可包括碳化硅、氮化硅、硅化钼、碳化硼、HfC、ZrC、HfB2、ZrB2、稀土硅酸盐，并且熔体渗透可包括硅、硅合金、硅化物、氧化物或其组合。通过方法700形成的陶瓷基质复合物制品可具有小于约5百分比的体积孔隙率。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有单峰孔径分布，其具有约1微米至约20微米的中值孔径。陶瓷基质复合物的陶瓷基质可具有均匀的空间孔分布。这种陶瓷基质复合物制品可有利地应用于硅轴承陶瓷涡轮机部件(例如，涡轮机叶片(blade)、轮叶(vane)、喷嘴、护罩、燃烧器等)及其修理件。
使用熔体渗透在方法600和700中的进一步致密化可导致完全致密的陶瓷基质复合物制品，例如，一般具有零或者按体积计小于约5或小于约3百分比的残余孔隙率。这种极低孔隙率给予复合物所需的机械性质，例如，高比例极限强度以及层间拉伸和剪切强度、高导热率和良好的抗氧化性。基质可具有游离硅相(即元素硅或硅合金)，其可将陶瓷基质复合物制品的使用温度限制于硅或硅合金的熔点以下，或约2,550华氏度至2,570华氏度。与仅通过化学气相渗透的致密化相比较，游离硅相可导致更低的抗蠕变性。
应理解上文说明书预期是举例说明性而不是限制性的。本领域的普通技术人员可在本文中作出众多改变和修改，而不背离如由下述权利要求及其等价物限定的本公开内容的一般精神和范围。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。另外，可作出许多修改以使特定情况或材料适合各个实施例的教导，而不背离其范围。虽然本文描述的材料的尺寸和类型意在限定各个实施例的参数，但它们决不是限制性的且仅是示例性的。在回顾上文说明书时，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，各个实施例的范围应当参考所附权利要求连同这些权利要求所赋予的等价物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作分别的术语“包含”(comprising)和“在其中(wherein)”的简明英语(plain-English)等价物。此外，在下述权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不意在对其对象强加数字要求。另外，与诸如联接、连接、接合、密封等术语结合的术语“可操作地”在本文中用于指由直接或间接联接的分离的不同部件以及由整体形成的部件(即，单片[one-piece]、整体或单件)的两种连接。此外，下述权利要求的限制不是以装置加功能形式撰写的，并且.不意在基于35U.S.C.§112第六段加以解释，除非和直到这种权利要求限制明确使用短语“用于...的装置”，随后没有进一步结构的功能声明。应理解不一定上文描述的所有这些目的或优点均可根据任何特定实施例实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以实现或最佳化如本文教导的一个优点或一组优点的方式来实施或进行，而不必实现如本文可教导或建议的其他目的或优点。
虽然本公开内容已与仅有限数目的实施例结合进行详细描述，但应当容易理解本公开内容并不限于这些公开的实施例。相反，可修改本公开内容以并入迄今未描述但与本公开内容的精神和范围相称的任何数目的变化、改变、取代或等价布置。另外，虽然各个实施例已得到描述，但应当理解本公开内容的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本公开内容不视为受前述说明书限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。
本书面说明书使用实例包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开内容，包括制备和使用任何设备或系统并且执行任何并入的方法。本公开内容的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等价结构元件，则这些其他实例预期在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于形成陶瓷基质复合物制品的方法(100)，所述方法包括：
提供成形预制件(110)，所述成形预制件包括纤维丝束的单向阵列的预浸料带叠层、基质前体和成孔剂；
固化所述成形预制件(120)以热解所述基质前体并烧尽所述成孔剂，使得所述成形预制件包括纤维丝束的单向阵列和具有单峰孔径分布的多孔基质骨架；和
使所述固化的成形预制件经历化学气相渗透(130)以使所述多孔基质骨架致密化，使得所述陶瓷基质复合物制品具有约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔基质骨架包含均匀的空间孔隙率分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔基质骨架包含陶瓷。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品包含超过约6ksi的层间拉伸强度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化预制件的单峰孔径分布的中值为约1微米至约30微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述固化的成形预制件经历化学气相渗透(130)包括部分化学气相渗透，并且还包括使所述部分化学气相渗透致密化陶瓷基质复合物制品经历熔体渗透，在所述陶瓷基质复合物制品经历所述熔体渗透之后，所述陶瓷基质复合物制品包含小于约5百分比的孔隙率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述固化的成形预制件经历化学气相渗透(130)包括部分化学气相渗透，并且还包括使所述部分化学气相渗透致密化陶瓷基质复合物制品经历浆料浇铸和熔体渗透。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化的成形预制件包含约35百分比至约65百分比的体积孔隙率，且所述陶瓷基质复合物制品包含约5百分比至约20百分比的体积孔隙率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品包括具有第一纤维体积百分比的至少一个第一部分，以及具有不同于所述第一纤维体积百分比的第二纤维体积百分比的至少一个第二部分。
10.一种陶瓷基质复合物制品(10)，所述陶瓷基质复合物制品包括：
在具有单峰孔径分布的基质(30)中的纤维丝束(20)的多个单向阵列；和
其中所述陶瓷基质复合物制品包含约15百分比至约35百分比的纤维体积分数。
11.根据权利要求10所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基质(30)包含均匀的空间孔隙率分布。
12.根据权利要求10所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品(10)包含超过6ksi的层间拉伸强度。
13.根据权利要求10所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品(10)包含约5百分比至约20百分比的体积孔隙率。
14.根据权利要求10所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品(10)包含具有约1微米至约20微米的中值孔径的单峰孔径分布。
15.根据权利要求10所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述陶瓷基质复合物制品(10)包括具有第一纤维体积百分比的至少一个第一部分，以及具有不同于所述第一纤维体积百分比的第二纤维体积百分比的至少一个第二部分。
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