CN109532135A - 陶瓷基复合材料制品 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法包括：铺叠第一组层片；铺叠第二组层片，第一组层片和第二组层片彼此相邻；在相同的处理步骤中压实第一组层片和第二组层片；以及在第一组层片上执行第一浸渗过程。所述方法还包括在第二组层片上执行第二浸渗过程，第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，第二浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的另一种。

Description

陶瓷基复合材料制品
技术领域
本申请总体上涉及陶瓷基复合材料(CMC)，更具体地，涉及用于形成陶瓷基复合材料制品的方法。
背景技术
陶瓷基复合材料通常包括嵌入陶瓷基材料中的陶瓷纤维增强材料。在基体开裂的情况下，增强材料充当CMC的承载成分，而陶瓷基保护增强材料，保持其纤维的取向，并用于将载荷分散到增强材料。对诸如燃气涡轮的高温应用特别感兴趣的是硅基复合材料，它包括碳化硅(SiC)作为基体和/或增强材料。
在形成CMC时采用了不同的处理方法。例如，一种方法包括熔融浸渗(MI)，其使用熔融硅浸渗到含纤维的预成型件中。通过预浸料MI形成的CMC是大体上完全致密的，例如，残余孔隙率通常为零或小于3体积％。这种非常低的孔隙率赋予复合材料理想的机械性质，例如高比例极限强度和层间拉伸和剪切强度、高热导率以及良好的抗氧化性。然而，MI复合材料的基体包含游离硅相(即元素硅或硅合金)，这将系统的使用温度限制到低于硅或硅合金的熔点温度，或者约2550华氏度至2570华氏度。此外，随着操作温度接近熔点，游离硅相导致MI SiC基体具有相对差的抗蠕变性。
形成CMC的另一种方法是化学气相浸渗(CVI)。CVI是一种通过在高温下使用反应气体将基体材料浸渗到纤维预成型件中以形成纤维增强复合材料的工艺。通常，通过使反应物扩散到预成型件中并使副产物气体从预成型件扩散出而引入的缺陷导致复合材料中相对高的残余孔隙率，例如在约10％和约15％之间。特别地，通常在使用CVI形成CMC时，由CVI形成的复合材料的内部部分通常具有比复合材料的外部部分的孔隙率更高的孔隙率。相对于MI CMC，这种孔隙率的存在可能会降低CVI CMC的面内和贯穿厚度的机械强度、热导率和抗氧化性。然而，CVI复合材料基体通常不具有游离硅相，因此具有比MI基体更好的抗蠕变性，并且有可能在2570华氏度以上的温度下操作。
可以形成包括CVI CMC部分和MI CMC部分的制品。这些相应的部分可以单独地且顺序地形成。然而，这种过程可能非常耗时。因此，以更高效的方式形成包括CVI部分和MI部分的CMC制品的方法将是有用的。
发明内容
本发明的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在本申请的一个示例性实施例中，提供了一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法。该方法包括：铺叠第一组层片；铺叠第二组层片，第一组层片和第二组层片彼此相邻；在相同的处理步骤中压实第一组层片和第二组层片；以及在第一组层片上执行第一浸渗过程。该方法还包括在第二组层片上执行第二浸渗过程，第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，第二浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的另一种。
在某些示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，其中第二浸渗过程是化学气相浸渗过程，并且其中在第一组层片上执行第一浸渗过程包括在第二组层片上执行第二浸渗过程之前在第一组层片上执行第一浸渗过程。
例如，在某些示例性方面，该方法还可以包括在第一组层片的至少一部分和第二组层片之间提供屏障。
例如，在某些示例性方面，在第一组层片上执行第一浸渗过程包括基本上仅在第一组层片上执行熔融浸渗过程。
在某些示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，其中第二浸渗过程是化学气相浸渗过程，并且其中在第二组层片上执行第二浸渗过程包括在第一组层片上执行第一浸渗过程之前在第二组层片上执行第二浸渗过程。
例如，在某些示例性方面，在第二组层片上执行第二浸渗过程包括在第二组层片上执行化学气相浸渗过程之前至少部分地覆盖第一组层片。
在某些示例性方面，在相同的处理步骤中压实第一组层片和第二组层片包括将第一组层片和第二组层片暴露于约200摄氏度和约400摄氏度之间的温度以及约100磅/平方英寸(psi)和约300psi之间的压力。
在某些示例性方面，该方法还包括：形成第一组层片，其中形成第一组层片包括使第一组丝束穿过第一浆料；以及形成第二组层片，其中形成第二组层片包括使第二组丝束穿过第二浆料，其中第一浆料不同于第二浆料。
例如，在某些示例性方面，第一浆料和第二浆料各自包含树脂，并且其中树脂具有在约100摄氏度和约300摄氏度之间的玻璃化转变温度。
例如，在某些示例性方面，第一浆料包括添加到其中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的碳粉末和添加到其中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的SiC粉末，并且其中第二浆料包括添加到其中的约五(5)至约二十(20)体积百分比的SiC粉末和添加到其中的小于约五(5)体积百分比的碳粉末。
例如，在某些示例性方面，第二树脂限定的玻璃化转变温度在由第一树脂限定的玻璃化转变温度的约10％内。
例如，在某些示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，并且其中第一浆料包括添加到其中的碳粉末。
在某些示例性方面，该方法还包括在压实第一组层片和第二组层片之后热解第一组层片和第二组层片。
在某些示例性方面，第一组层片和第二组层片一起形成预成型件，并且预成型件在热解第一组层片和第二组层片之后具有小于约30％的炭产率。
例如，在某些示例性方面，预成型件具有约10％和约20％之间的炭产率。
在本申请的另一个示例性方面，提供了一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法。该方法包括：铺叠第一组层片；铺叠第二组层片，第一组层片和第二组层片彼此相邻；压实第一组层片和第二组层片；在相同的处理步骤中热解第一组层片和第二组层片；在第一组层片上执行第一浸渗过程；以及在第二组层片上执行第二浸渗过程，第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，第二浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的另一种。
在某些示例性方面，在相同的处理步骤中热解第一组层片和第二组层片包括在压实第一组层片和第二组层片之后，在相同的处理步骤中热解第一组层片和第二组层片。
在某些示例性方面，压实第一组层片和第二组层片包括在相同的处理步骤中压实第一组层片和第二组层片。
在某些示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，其中第二浸渗过程是化学气相浸渗过程，并且其中在第一组层片上执行第一浸渗过程包括在第二组层片上执行第二浸渗过程之前在第一组层片上执行第一浸渗过程。
在某些示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，其中第二浸渗过程是化学气相浸渗过程，并且其中在第二组层片上执行第二浸渗过程包括在第一组层片上执行第一浸渗过程之前在第二组层片上执行第二浸渗过程。
技术方案1一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法，包括：铺叠第一组层片；铺叠第二组层片，所述第一组层片和所述第二组层片彼此相邻；在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片；在所述第一组层片上执行第一浸渗过程；以及在所述第二组层片上执行第二浸渗过程，所述第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，并且所述第二浸渗过程是所述熔融浸渗过程或所述化学气相浸渗过程中的另一种。
技术方案2根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程包括在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程之前在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程。
技术方案3根据技术方案2所述的方法，还包括：在所述第一组层片的至少一部分和所述第二组层片之间提供屏障。
技术方案4根据技术方案2所述的方法，其中，在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程包括基本上仅在所述第一组层片上执行所述熔融浸渗过程。
技术方案5根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程包括在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程之前在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程。
技术方案6根据技术方案5所述的方法，其中，在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程包括在所述第二组层片上执行所述化学气相浸渗过程之前至少部分地覆盖所述第一组层片。
技术方案7根据技术方案1所述的方法，其中，在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片包括将所述第一组层片和所述第二组层片暴露于约200摄氏度和约400摄氏度之间的温度以及约100磅/平方英寸(psi)和约300psi之间的压力。
技术方案8根据技术方案1所述的方法，还包括：形成所述第一组层片，其中，形成所述第一组层片包括使第一组丝束穿过第一浆料；以及形成所述第二组层片，其中，形成所述第二组层片包括使第二组丝束穿过第二浆料，其中，所述第一浆料不同于所述第二浆料。
技术方案9根据技术方案8所述的方法，其中，所述第一浆料和所述第二浆料各自包含树脂，并且其中，所述树脂具有在约100摄氏度和约300摄氏度之间的玻璃化转变温度。
技术方案10根据技术方案8所述的方法，其中，所述第一浆料包括添加到所述第一浆料中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的碳粉末和添加到所述第一浆料中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的SiC粉末，并且其中，所述第二浆料包括添加到所述第二浆料中的约五(5)至约二十(20)体积百分比的SiC粉末和添加到所述第二浆料中的小于约五(5)体积百分比的碳粉末。
技术方案11根据技术方案10所述的方法，其中，所述第二树脂限定的玻璃化转变温度在由所述第一树脂限定的玻璃化转变温度的约10％内。
技术方案12根据技术方案8所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，并且其中，所述第一浆料包括添加到所述第一浆料中的碳粉末。
技术方案13根据技术方案1所述的方法，还包括：在压实所述第一组层片和所述第二组层片之后热解所述第一组层片和所述第二组层片。
技术方案14根据技术方案13所述的方法，其中，所述第一组层片和所述第二组层片一起形成预成型件，并且其中，所述预成型件在热解所述第一组层片和所述第二组层片之后具有小于约30％的炭产率。
技术方案15根据技术方案9所述的方法，其中，所述预成型件具有在约10％和约20％之间的炭产率。
技术方案16一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法，包括：铺叠第一组层片；铺叠第二组层片，所述第一组层片和所述第二组层片彼此相邻；压实所述第一组层片和所述第二组层片；在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片；在所述第一组层片上执行第一浸渗过程；以及在所述第二组层片上执行第二浸渗过程，所述第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，并且所述第二浸渗过程是所述熔融浸渗过程或所述化学气相浸渗过程中的另一种。
技术方案17根据技术方案16所述的方法，其中，在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片包括在压实所述第一组层片和所述第二组层片之后在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片。
技术方案18根据技术方案16所述的方法，其中，压实所述第一组层片和所述第二组层片包括在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片。
技术方案19根据技术方案16所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程包括在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程之前在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程。
技术方案20根据技术方案16所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程包括在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程之前在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1是根据本申请的示例性实施例的燃气涡轮发动机的剖视示意图；
图2是根据本申请的各方面的陶瓷基复合材料制品的剖视图，该制品具有陶瓷基复合材料第一部分和陶瓷基复合材料第二部分；
图3是根据本申请的示例性方面的用于形成CMC制品的过程的流程示意图；
图4是根据本申请的另一个示例性方面的用于形成CMC制品的过程的流程示意图；
图5是根据本申请的另一个方面的陶瓷基复合材料制品的剖视图；以及
图6A和图6B是根据本申请的示例性方面的用于形成CMC制品的方法的流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个示例在附图中示出。详细描述中使用数字和字母标号来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标示来指代本发明的相同或类似部分。
如本说明书所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件和/或一个过程步骤与另一个过程步骤区分开来，而不旨在表示各个部件的位置、重要性或顺序。
除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”以及“所述”包括复数参考物。
如在整个说明书和权利要求书中所用的近似语言用于修饰任何定量表示，这些定量表示可容许变化而不会导致其相关的基本功能变化。因此，由例如“约”、“大约”和“大体上”等词语修饰的值并不限于所指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或对应于用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在10％的裕度内。
此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制会进行组合和/或互换，除非上下文或措辞另外指示，否则认定此类范围包括其中含有的所有子范围。例如，本说明书所公开的所有范围均包括端值在内，并且端值可彼此独立地组合。
现在参看附图，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的元件，图1提供了燃气涡轮发动机100的简化示意图，该燃气涡轮发动机100可以包括根据本申请的一个或多个示例性方面形成的CMC制品。示例性燃气涡轮发动机100限定轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线102延伸)和径向方向R。一般而言，燃气涡轮发动机100包括风扇区段104和设置在风扇区段104下游的涡轮机106。所描绘的示例性涡轮机106大体上包括基本上管状的外部壳体108，外部壳体108限定环形入口110。外部壳体108以串流关系包封：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机112和高压(HP)压缩机114；燃烧区段116；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮118和低压(LP)涡轮120；以及喷气排气喷嘴区段122。压缩机区段、燃烧区段116和涡轮区段一起限定核心空气流动路径124。第一高压(HP)轴或转轴126将HP涡轮118传动地连接到HP压缩机114。第二低压(LP)轴或转轴128将LP涡轮120传动地连接到LP压缩机112。
对于所描绘的实施例，风扇区段104包括风扇130，风扇130具有以间隔开的方式联接到盘134的多个风扇叶片132。盘134由可旋转的前毂136覆盖，前毂136具有空气动力学轮廓以促进空气流穿过所述多个风扇叶片132。另外，示例性风扇区段104包括周向地围绕风扇130和/或涡轮机106的至少一部分的环形风扇壳体或外部舱体138。如所描绘的，风扇叶片132、盘134和前毂136一起可直接通过LP转轴128绕纵向轴线102旋转。
然而，应当理解，示例性燃气涡轮发动机100仅以举例方式提供，并且在某些示例性实施例中，燃气涡轮发动机100可以具有任何其它合适的构型，并且可以被构造为任何其它合适的燃气涡轮发动机，例如航空燃气涡轮发动机(例如，涡轮风扇发动机(所描绘的)、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机等)、发电燃气涡轮发动机或航改燃气涡轮发动机。
仍然参看图1所描绘的示例性燃气涡轮发动机100，在操作期间，某些部件可能暴露在相对较高的温度下，因此，由陶瓷基复合材料(CMC)形成此类部件中的一个或多个可能是有益的。例如，在燃烧区段116内，提供具有燃烧器衬套140的燃烧器，更具体地，具有内燃烧器衬套和外燃烧器衬套的燃烧器。另外，在涡轮机104的涡轮区段内，涡轮机104包括一个或多个衬套142，所述一个或多个衬套142限定穿过其中的核心空气流动路径124的一部分。尽管被描绘为在HP涡轮118和LP涡轮120之间，但是在其它实施例中，衬套142可以位于沿着核心空气流动路径124的任何其它合适的位置。此外，HP涡轮118和LP涡轮120各自包括多个涡轮喷嘴，这些喷嘴可以被构造为联接到HP转轴126或LP转轴128的转子叶片144，或者联接到壳体108的定子静叶146。此外，在HP涡轮118和LP涡轮120内，涡轮机106还包括一个或多个护罩148，所述一个或多个护罩148定位在多个转子叶片144的径向外端，以与这样的转子叶片144形成密封。如下文将要讨论的，这些部件中的一个或多个以及一个或多个其它部件可以由CMC材料形成，使得它可以更好地处理这样的高温和高应力。
例如，现在参看图2，根据本申请的示例性实施例，CMC制品200被提供为可以并入例如图1的示例性燃气涡轮发动机中，或者并入任何其它合适的机器或部件中。CMC制品200通常包括第一CMC部分202和第二CMC部分204。
第一CMC部分202和第二CMC部分204中的每一个通常可以由多个薄片206形成，每个薄片206源于单独的预浸料，该预浸料包括浸渍有陶瓷基前体的单向排列的丝束208。预浸料层可以被称为“层片”。结果，每个薄片206包含单向排列的纤维210，该纤维210被封入陶瓷基212中，该陶瓷基212通过在各种处理步骤期间陶瓷基前体的转化而形成，如下文将详细解释的。然而，应当理解，在其它实施例中，代替如所示和所述的单层片结构，第一CMC部分202和第二CMC部分204中的一个或两个可以由织造层片结构形成(即，使用织造层片)。
另外，如下文将参照图3至图6B更详细地解释的，CMC制品200通常可以使用形成第一CMC部分202和第二CMC部分204两者的相同的(即组合的)处理步骤形成，但有一些变化以区分第一CMC部分202和第二CMC部分204。例如，尽管包括第一组层片的第一CMC部分202和包括第二组层片的第二CMC部分204中的每一个都将在压紧/压实和热解之后经历浸渗过程，但是浸渗的类型可以变化以产生具有期望耐热性和机械性质的CMC制品200。例如，在至少某些示例性方面，第一CMC部分202可以至少部分地使用化学气相浸渗(CVI)来处理，而第二CMC部分204可以至少部分地使用熔融浸渗(MI)来处理。
在这样的示例性实施例中，在CVI处理期间，第一CMC部分202将在高温下使用反应气体浸渗。通常，通过使反应物扩散到第一CMC部分202中并使副产物气体从第一CMC部分202扩散出而引入的缺陷导致CMC制品200的这样的部分中相对较高的残余孔隙率，例如在约10％和约15％之间。然而，从下文的讨论中可以理解，使用CVI处理的CMC制品200的第一CMC部分202通常具有极少或不具有游离硅相，因此可以具有较好的抗蠕变性，并且还可以具有在相对较高的温度下操作的潜力，例如在高于约2570华氏度的温度下。
相比之下，在MI处理期间，第二CMC部分204将用熔融硅浸渗。因此，使用MI处理的第二CMC部分204可以是大体上完全致密的，例如，具有通常为零或小于3体积％的残余孔隙率。这种非常低的孔隙率将赋予CMC制品200的第二CMC部分204理想的机械性质，例如高比例极限强度和层间拉伸和剪切强度、高热导率以及良好的抗氧化性。然而，考虑到MI处理，CMC制品200的第二CMC部分204将包括游离硅相(即，元素硅或硅合金)，这将第二CMC部分204的使用温度限制到低于硅或硅合金的熔点温度，或者约2550华氏度至2570华氏度。
因此，应当理解，CMC制品200因此可以设计成包括在一个区域中的第一CMC部分202和在另一个区域中的第二CMC部分204，以便使CMC制品200的性质适合其预期用途。因此，所得CMC制品200可能能够承受相对较高的温度，同时保持期望的机械性质。此外，尽管第一CMC部分202被描述为使用CVI处理来处理，第二CMC部分204被描述为使用MI处理来处理，但是在其它实施例中，浸渗处理方法可以颠倒。
现在参看图3，提供了根据本申请的示例性方面的用于形成CMC制品的过程300的示意性流程图。例如，在某些示例性方面，图3中示意性地描绘的示例性过程300可以用于形成上文参照图2所描述的CMC制品200，其可以并入图1的示例性燃气涡轮发动机100中。然而，替代地，图3中示意性地描绘的示例性过程300可以用于许多其它合适的CMC制品，其可以并入任何其它合适的机器(例如往复式发动机或具有暴露于相对较高温度的部件的其它机器)中。
过程300开始于在302处提供一定长度的纤维丝束。纤维丝束可以设置在转轴上，或者呈任何其它合适的形式。在至少某些示例性实施例中，用于丝束的材料可以是SiC纤维。适用于丝束的材料的一个示例是得自Nippon Carbon Co.,Ltd.的纤维直径的合适范围为约2至约20微米，但是具有更大或更小直径的纤维也在本申请的范围内。还如所描绘的，然后可以在304处用材料涂覆纤维丝束，以赋予第一CMC部分和/或第二CMC部分某些期望的性质，例如碳或氮化硼界面层(未示出)。然而，在其它示例性方面，可以在304处施加任何其它合适的涂层，或者替代地，过程300可以不包括在304处施加涂层。
然后，过程300可以被分开以形成两组预浸条带或层片。例如，示例性过程300通常可以包括首先形成第一组层片，然后形成第二组层片。对于所描绘的实施例，第一组层片和第二组层片各自使用在302处提供并在304处涂覆的相同纤维丝束(即，使用具有相同涂层的相同材料的纤维丝束)。然而，在其它示例性方面，第一组层片可以以某种方式不同于第二组层片。例如，在某些示例性实施例中，预期用于熔融浸渗过程的层片组可以具有额外的涂层以保护下面的纤维丝束和纤维涂层免受熔融硅的影响。
如所描绘的，图3的示例性过程300更具体地包括在306处使第一组丝束穿过第一浆料，并且对于所描绘的实施例，在308处将这样的第一组丝束缠绕在筒周围，有时称为湿筒卷绕，以形成用于第一组层片的片材或层片。类似地，图3的示例性过程300包括在310处使第二组丝束穿过第二浆料，并且对于所描绘的实施例，在312处将这样的第二组丝束缠绕在筒周围以形成用于第二组层片的片材或层片。第一浆料和第二浆料通常各自包含添加到其中的树脂和粉末。
在至少某些示例性方面，用于第一浆料的树脂可以是第一树脂，并且用于第二浆料的树脂可以是不同的第二树脂。如下所述，用于形成将经受熔融浸渗过程的层片组的浆料可以具有第一树脂，该第一树脂被构造成增加结构的总炭产率，这可能是由于例如向树脂中添加碳粉末和SiC粉末。相比之下，如下所述，用于形成将经受化学气相浸渗过程的层片组的浆料可以具有第二树脂，该第二树脂类似地被构造成增加结构的总炭产率，这可能是由于例如向树脂中添加SiC粉末(并且基本上没有碳粉末)。应当理解，如本说明书所用，炭产率通常是指在热解阶段之后且在浸渗阶段(下文将更详细地讨论)之前的总最终复合结构中炭的体积百分比，无论是碳化学物质、SiC化学物质、两者的组合，还是任何其它合适的化学物质。
不管怎样，第一树脂和第二树脂中的每一个都将限定类似的玻璃化转变温度，使得第一组层片和第二组层片可以在单个高压釜循环中固结和热解，如下文讨论的(并且使得当第一组层片和第二组层片稍后被压实时，第一树脂和第二树脂在整个制品中始终一致)。例如，第二树脂可以限定在第一树脂的玻璃化转变温度的约10％内的玻璃化转变温度，例如在第一树脂的玻璃化转变温度的约5％内。此外，第一树脂和第二树脂中的每一个可以限定在约100摄氏度和约300摄氏度之间的玻璃化转变温度，例如在约150摄氏度和250摄氏度之间。值得注意的是，如本说明书所用，短语“A在B的X％内”是指“(A-B)/A”的绝对值小于X％。
替代地，在其它示例性实施例中，第一浆料的树脂和第二浆料的树脂可以是相同树脂。这样可以确保树脂以期望的方式流动，或者更具体地说，当第一组层片和第二组层片随后被压实时(在316处，下文讨论)，树脂在整个制品中一致地流动。例如，树脂可以限定在约100摄氏度和约300摄氏度之间的玻璃化转变温度，例如在约150摄氏度和250摄氏度之间。在某些实施例中，树脂可以是环氧树脂，然而在其它实施例中，可以使用任何其它合适的树脂。
此外，如上所述，然而，第一浆料和第二浆料的不同之处可以在于添加到其中的粉末。添加到第一浆料和第二浆料中的不同粉末可以导致第一组层片更容易受到第一浸渗过程的影响，而第二组层片更容易受到第二浸渗过程的影响(各自在下文详细讨论)。
更具体地，将用于形成将经受熔融浸渗过程的层片的浆料可以包括添加到其中的碳粉末和SiC粉末两者。相比之下，将用于形成将经受化学气相浸渗过程的层片的浆料可以包括添加到其中的SiC粉末，基本上没有添加到其中的碳粉末。例如，在至少某些示例性实施例中，将用于形成将经受熔融浸渗过程的层片的浆料可以包括添加到其中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的碳粉末和添加到其中的约十(10)至约二十(20)体积百分比的添加到其中的SiC粉末。相比之下，在至少某些示例性实施例中，将用于形成将经受化学气相浸渗过程的层片的浆料可以包括添加到其中的约五(5)至约二十(20)体积百分比的SiC粉末和添加到其中的小于约五(5)体积百分比的碳粉末。
仍然参看图3，在314处，第一组层片和第二组层片可以在单个处理步骤中堆叠或铺叠，没有中间处理(例如，没有中间压实、压紧或热解)。更具体地，第一组层片可以围绕模具或在模具内堆叠或铺叠，以开始形成CMC制品的形状，并且第二组层片可以堆叠或铺叠在第一组层片的至少一部分上，而无需等待第一组层片经历单独的压紧和热解过程。以这种方式，第一组层片和第二组层片可以彼此相邻，更具体地，对于所描绘的示例性方面，第一组层片和第二组层片可以彼此接触。值得注意的是，第一组层片和第二组层片通常布置成使得相邻层片的丝束彼此横向(例如垂直)或成一定角度定向，从而在层合平面(对应于最终CMC制品的主(承载)方向)中提供更大的强度。然而，在其它方面，它们可以以任何合适的方式布置。另外，应当理解，在316处第一组层片和第二组层片的压实可以在高温下进行，以能够热解预成型件。这可能涉及去除溶剂，并且可能包括交联聚合物。
在第一组层片和第二组层片在314处被铺叠之后，图3的示例性过程300另外包括在316处在单个处理步骤中基本上同时压实第一组层片和第二组层片以形成层压预成型件，而没有中间处理(例如，没有中间热解、附加铺叠等)。更具体地，在316处压实第一组层片和第二组层片可以包括将第一组层片和第二组层片暴露于升高的温度和压力，例如可以在高压釜内实现。在316处第一组层片和第二组层片的压实也可称为压紧。
在第一组层片和第二组层片在316处被压实之后，图3的示例性过程300包括在318处热解包括第一组层片和第二组层片的预成型件(即，使第一组层片和第二组层片经受热解，有时也称为热解预成型件)。在318处热解包括第一组层片和第二组层片的预成型件(有时也称为“烧坏”预成型件)可以包括将包括第一组层片和第二组层片的预成型件暴露于逐渐升高的温度以分解预成型件内的某些化合物。在至少某些示例性方面，热解包括第一组层片和第二组层片的预成型件可以在真空或惰性气氛中进行，以便分解有机粘合剂，有机粘合剂中的至少一种在该热处理期间热解以形成陶瓷炭，并产生多孔层，该多孔层将在随后的处理/浸渗步骤中处理/利用。因此，应当理解，预成型件限定在热解预成型件之后的炭产率。以预成型件的体积百分比计，炭产率可以在5％和40％之间，例如小于35％，例如小于30％，例如小于25％，例如在约10％和约20％之间。这可能是由于选择了树脂和添加到其中的任何粉末，例如碳粉末和/或SiC粉末。
此外，应当理解，在316和318处压实和热解预成型件之后，预成型件经受各种浸渗过程，以赋予所得CMC制品期望的机械性质和/或耐热性。更具体地，对于图3所描绘的过程300的示例性方面，过程300包括：在320处在第一组层片上执行第一浸渗过程，对于所描绘的示例性方面，该过程是化学气相浸渗(CVI)过程；随后在322处在第二组层片上执行第二浸渗过程，对于所描绘的示例性方面，该过程是熔融浸渗(MI)过程。
首先参看在320处第一浸渗过程的执行，CVI过程通常可以包括在独立的后续加热步骤中对预成型件进行加热(至少对于所描绘的示例性方面)，以及用化学蒸气浸渗预成型件的第一组层片，例如用外部供应的碳化硅气体源。用于执行CVI过程的合适的反应气体和处理条件在本领域中是公知的。碳化硅的气体源浸渗到孔隙中，在多孔第一部分的内表面上反应以沉积不含游离Si金属的SiC。
在至少某些示例性方面，可以预期过程300基本上完全在第一组层片上执行CVI过程，并且至多部分地在第二组层片上的一部分上执行CVI过程。因此，在至少某些示例性方面，在320处执行CVI过程可以包括用实心工具(例如实心金属工具)覆盖第二组层片的外表面，使得化学蒸气被引导朝向第一组层片而不直接接触第二组层片的外表面。另外，在320处的CVI过程可以执行一段时间，该时间量被确定为允许局部蒸气基本上完全穿透与第一组层片相关联的预成型件的深度，而不到达第二组层片的大部分。
值得注意的是，应当理解，对于所描绘的方法300的示例性方面，第一组丝束所穿过的第一浆料可以包括添加到其中的碳化硅粉末，这可以导致在316处的压实步骤和318处的热解步骤之后，第一组层片包含期望的化学组成和孔径分布，使得其可以尽可能地填充有在320处的CVI过程期间供应的化学蒸气沉积的SiC。
现在参看320处第二浸渗过程的执行(对于所描绘的示例性方面，该过程在320处的第一浸渗过程之后发生)，在322处的MI过程通常可以包括例如在独立的后续加热步骤中对预成型件进行加热，并用外部供应的熔融硅浸渗预成型件。熔融硅浸渗到孔隙中，与基体的碳成分反应形成碳化硅，并填充孔隙以产生期望的CMC制品。
值得注意的是，应当理解，对于所描绘的方法300的示例性方面，第二组丝束所穿过的第二浆料可以包括添加到其中的碳粉末，这可以导致在316处的压实步骤和318处的热解步骤之后，第二组层片包含期望的化学组成，使得其可以以期望的方式与在322处的MI过程期间供应的例如熔融硅反应。
根据图3所描绘的示例性过程300形成CMC制品可以通过分离的熔融浸渗部分和化学气相浸渗部分产生具有期望机械性质和耐热性质的CMC制品。此外，考虑到第一组层片和第二组层片在单个步骤中被铺叠、压实和热解在一起，示例性过程300可以允许用于形成CMC制品的更高效的过程。
然而，应当理解，上文所述和图3所描绘的示例性过程300仅作为示例。在其它示例性方面，过程300可以包括任何其它合适的步骤，可以包括上述示例性步骤的变体，可以不包括上述每个示例性步骤，或者可以以不同顺序包括所述步骤中的一个或多个。
例如，现在参看图4，提供了上文参照图3所描述的过程300的另一个示例性方面。更具体地，图4提供了根据本申请的另一个示例性方面的用于形成CMC制品的过程300的示意性流程图。图4所描绘的过程300的示例性方面可以与上文参照图3所描述的过程300的示例性方面基本上相同。因此，相同的数字可以表示相同的步骤。
例如，图4的示例性过程300开始于在302处提供一定长度的纤维丝束，以及在304处用材料涂覆纤维丝束，以赋予第一CMC部分和/或第二CMC部分某些期望的性质。然后，过程300可以被分开以形成两组预浸条带或层片。例如，图4的示例性过程300包括在306处使第一组丝束穿过第一浆料路径，以及在308处将这样的第一组丝束缠绕在筒周围以形成用于第一组层片的层片。类似地，图4的示例性过程300包括在310处使第二组丝束穿过第二浆料路径，以及在312处将这样的第二组丝束缠绕在筒周围以形成用于第二组层片的层片。
在314处，第一组层片和第二组层片可以在单个处理步骤中堆叠或铺叠，而没有中间处理。如下文将讨论的，在某些示例性方面，图4的示例性过程300可以包括在执行化学气相浸渗之前执行熔融浸渗。为了减少熔融浸渗过程超过所需地渗入将使用化学气相浸渗进行处理的CMC层片组中的可能性，图4的示例性过程300，更具体地在314处铺叠第一组层片和第二组层片，可以包括在第一组层片的至少一部分和第二组层片之间提供屏障。简要参看图5，描绘了这样的构型。更具体地，图5描绘了CMC制品200，其包括位于第一组层片252和第二组层片254之间的阻挡层250。阻挡层250可以防止或限制例如熔融硅在熔融浸渗期间穿过其中，使得熔融浸渗不影响将使用化学气相浸渗进行处理的层片组。
仍然参看图4，示例性过程300另外包括在316处在单个处理步骤中同时压实第一组层片和第二组层片，而没有中间处理，以形成层压预成型件，以及在318处热解包括第一组层片和第二组层片的预成型件(即，使第一组层片和第二组层片经受热解)。
类似于上文参照图3所描述的示例性过程300，图4的示例性过程300包括利用各种浸渗过程对压实且热解的预成型件进行进一步处理，以赋予所得CMC制品期望的机械性质和/或耐热性质。然而，与上文参照图3所描述的过程300的示例性方面相反，图4所描绘的过程300的示例性方面包括在320处在第一组层片上执行化学气相浸渗过程之前，在322处在第二组层片上执行熔融浸渗过程。值得注意的是，对于这样的示例性方面，在314处的铺叠过程(如上文所讨论)中包括阻挡层可以确保熔融浸渗不会渗入到将使用化学气相浸渗进行处理的不合期望的量的第一组层片中。还应当理解，对于这样的示例性方面，第一浆料可以包括添加到其中的碳化硅粉末，第二浆料可以包括添加到其中的碳粉末。
根据图4所描绘的示例性过程300形成CMC制品可以通过分离的熔融浸渗部分和化学气相浸渗部分产生具有期望机械性质和耐热性质的CMC制品。此外，考虑到第一组层片和第二组层片在单个步骤中被铺叠、压实和热解在一起，示例性过程300可以允许用于形成CMC制品的更高效的过程。
现在参看图6A和图6B，提供了根据本申请的示例性方面的用于形成陶瓷基复合材料(CMC)制品的方法400的流程图。图6A和图6B的示例性方法400可以用于形成上文参照图2所描述的示例性CMC制品200，其可以并入图1的示例性燃气涡轮发动机中，或并入任何其它合适的机器中。值得注意的是，在某些示例性方面，图6A和图6B的方法400可以利用上文参照图3和图4所描述的方法300的一个或多个示例性方面。
如所描绘的，示例性方法400通常包括在(402)处形成第一组层片和在(404)处形成第二组层片。更具体地，对于所描绘的示例性方面，在(402)处形成第一组层片包括在(406)处使第一组丝束穿过第一浆料，并且类似地，在(404)处形成第二组层片包括在(408)处使第二组丝束穿过第二浆料路径。对于所描绘的示例性方面，第一浆料不同于第二浆料路径。然而，第一浆料和第二浆料中的每一个都包含树脂(即，对于至少某些示例性方面来说，相同的树脂)，其中该树脂具有在约150摄氏度和约250摄氏度之间的玻璃化转变温度。此外，如下文将更详细解释的，第一浆料包括添加到其中的碳粉末或碳化硅粉末中的一种，第二浆料包括添加到其中的碳粉末或碳化硅粉末中的另一种。添加到浆料中的粉末类型可能影响所得层片对一种浸渗过程的敏感性，如下所述。
仍然参看图6A和图6B所描绘的示例性方法400，方法400还包括在(410)处铺叠第一组层片和在(412)处铺叠第二组层片。以这种方式，第一组层片和第二组层片可以彼此相邻，或者更具体地，可以彼此接触。然而，在其它示例性方面，方法400可以包括在第一组层片和第二组层片之间提供阻挡层。值得注意的是，在(410)处铺叠第一组层片和在(412)处铺叠第二组层片可以在相同的处理步骤期间顺序地进行，例如，没有诸如压紧、热解等的中间处理。
此外，示例性方法400包括在(414)处在相同的处理步骤中同时压实第一组层片和第二组层片，而没有任何中间过程。更具体地，对于所描绘的示例性方面，在(414)处在相同的处理步骤中同时压实第一组层片和第二组层片包括将第一组层片和第二组层片暴露于升高的温度和压力，例如可以在高压釜中实现。更具体地，仍然对于所描绘的示例性方面，在(414)处在相同的处理步骤中同时压实第一组层片和第二组层片包括在(416)处将第一组层片和第二组层片暴露于约200摄氏度和约400摄氏度之间的温度，并且进一步暴露于约100磅/平方英寸(psi)和约300psi之间的压力。
此外，示例性方法400包括在(414)处压实第一组层片和第二组层片之后，在(418)处在相同的处理步骤中热解第一组层片和第二组层片。例如，在某些示例性方面，在(418)处热解第一组层片和第二组层片可以包括将第一组层片和第二组层片暴露于高温以固化预成型件(即，压实的第一组层片和第二组层片)并分解预成型件内的某些化合物。在至少某些示例性方面，在(418)处热解第一组层片和第二组层片可以在真空或惰性气氛中发生，以便分解有机粘合剂，有机粘合剂中的至少一种在该热处理期间热解以形成陶瓷炭，并产生多孔层。
应当理解，在(418)处在相同处理步骤中第一组层片和第二组层片的热解可以通过在第一浆料和第二浆料中使用相同的树脂来实现。更具体地，在第一浆料和第二浆料中使用相同的树脂可以确保在(418)处第一组层片和第二组层片的热解期间树脂以一致的方式流动。然而，值得注意的是，在其它示例性方面，可以使用不同的树脂，只要它们以一致的方式流动。
仍然参看图6A和图6B所描绘的方法400的示例性方面，方法400还包括在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程，以及在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程。第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，第二浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的另一种。
更具体地，对于所描绘的示例性方面，第一浸渗过程是熔融浸渗过程，第二浸渗过程是化学气相浸渗过程。因此，对于这样的示例性方面，在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程包括在第一组层片上执行熔融浸渗过程，在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程包括在第二组层片上执行化学气相浸渗过程。
此外，对于所描绘的示例性方面，在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程包括在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程之前，在(421)处在第一组层片上执行第一浸渗过程。类似地，在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程包括在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程之后，在(423)处在第二组层片上执行第二浸渗过程。
值得注意的是，对于所描绘的示例性方面，在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程还包括在(424)处在第一组层片的至少一部分和第二组层片之间提供屏障，以及在(426)处基本上仅在第一组层片上执行熔融浸渗过程。然而，值得注意的是，在其它示例性方面，方法400可以不包括在第一组层片的至少一部分和第二组层片之间提供屏障，此外，熔融浸渗过程的至少一部分可以渗入第二组层片中。
还应当理解，如上文所讨论，第一组层片可以以这样的方式制备，即，使得它们更容易受到熔融浸渗过程的影响；类似地，第二组层片可以以这样的方式制备，即，使得它们更容易受到化学气相浸渗过程的影响。具体而言，对于所描绘的示例性方面，第一组丝束在(406)处所穿过的第一浆料包括添加到其中的碳粉末，此外，第二组丝束在(408)处所穿过的第二浆料包括添加到其中的碳化硅粉末。可以理解，这样可以确保第一组层片包括所需量的碳，以在熔融浸渗过程中与例如熔融硅反应，并且进一步确保第二组层片包括在化学气相浸渗过程期间所需量的碳化硅。
然而，应当理解，在其它示例性方面，示例性方法400包括任何其它合适的步骤，或者可以以任何其它合适的方式/顺序执行一个或多个上述步骤。例如，在某些示例性方面，在(420)和(422)处第一浸渗过程和第二浸渗过程的执行顺序可以颠倒。更具体地，在至少某些示例性方面，如虚线所描绘的，在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程可以包括在(428)处，在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程之前在第二组层片上执行第二浸渗过程。类似地，对于这样的示例性方面，在(420)处在第一组层片上执行第一浸渗过程可以包括在(430)处，在(422)处在第二组层片上执行第二浸渗过程之后在第一组层片上执行第一浸渗过程。对于这样的示例性方面，在(428)处在第一组层片上执行第一浸渗过程之前在第二组层片上执行第二浸渗过程可以包括在(432)处，在第二组层片上执行化学气相浸渗过程之前至少部分地覆盖第一组层片的表面。这样可以确保在化学气相浸渗过程中使用的化学蒸气基本上不会浸渗到第一组层片中。
值得注意的是，在至少某些情况下，可能优选的是，在剩余的第二组层片上执行熔融浸渗过程之前，在第一组层片上执行化学气相浸渗过程。当以这样的顺序执行时，化学气相浸渗过程可以至少部分填充第二组层片的孔隙的一部分，然后熔融浸渗过程的后续执行可以完全填充第二组层片中的剩余孔隙。这将产生这种具有部分CVI和MI基体的层片的“过渡区域”。
本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法，包括：
铺叠第一组层片；
铺叠第二组层片，所述第一组层片和所述第二组层片彼此相邻；
在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片；
在所述第一组层片上执行第一浸渗过程；以及
在所述第二组层片上执行第二浸渗过程，所述第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，并且所述第二浸渗过程是所述熔融浸渗过程或所述化学气相浸渗过程中的另一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程包括在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程之前在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程包括在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程之前在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片包括将所述第一组层片和所述第二组层片暴露于约200摄氏度和约400摄氏度之间的温度以及约100磅/平方英寸(psi)和约300psi之间的压力。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
形成所述第一组层片，其中，形成所述第一组层片包括使第一组丝束穿过第一浆料；以及
形成所述第二组层片，其中，形成所述第二组层片包括使第二组丝束穿过第二浆料，其中，所述第一浆料不同于所述第二浆料。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在压实所述第一组层片和所述第二组层片之后热解所述第一组层片和所述第二组层片。
7.一种用于形成陶瓷基复合材料制品的方法，包括：
铺叠第一组层片；
铺叠第二组层片，所述第一组层片和所述第二组层片彼此相邻；
压实所述第一组层片和所述第二组层片；
在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片；
在所述第一组层片上执行第一浸渗过程；以及
在所述第二组层片上执行第二浸渗过程，所述第一浸渗过程是熔融浸渗过程或化学气相浸渗过程中的一种，并且所述第二浸渗过程是所述熔融浸渗过程或所述化学气相浸渗过程中的另一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片包括在压实所述第一组层片和所述第二组层片之后在相同的处理步骤中热解所述第一组层片和所述第二组层片。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，压实所述第一组层片和所述第二组层片包括在相同的处理步骤中压实所述第一组层片和所述第二组层片。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一浸渗过程是所述熔融浸渗过程，其中，所述第二浸渗过程是所述化学气相浸渗过程，并且其中，在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程包括在所述第二组层片上执行所述第二浸渗过程之前在所述第一组层片上执行所述第一浸渗过程。
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