CN115626833A - 用化学蒸汽浸渗(cvi)制备的具有受控微结构的陶瓷基复合结构 - Google Patents

用化学蒸汽浸渗(cvi)制备的具有受控微结构的陶瓷基复合结构 Download PDF

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J.H.韦弗
G.S.科曼
K.L.卢思拉
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及用化学蒸汽浸渗(CVI)制备的具有受控微结构的陶瓷基复合结构。根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。预制件可经受化学蒸汽浸渗(CVI)过程以限定陶瓷基复合(CMC)结构。

Description

用化学蒸汽浸渗(CVI)制备的具有受控微结构的陶瓷基复合 结构
技术领域
本发明大体上涉及层压结构，且具体而言涉及用化学蒸汽浸渗制备的层压结构。
背景技术
为了用化学蒸汽浸渗(CVI)制备陶瓷基复合(CMC)结构，可提供预制件。预制件可包含纤维，该纤维例如可为单向的或编织的。在一种形式中，纤维可为陶瓷基的，可由SiC形成。在反应腔内在升高的温度下，预制件可以被暴露于某些气体中。通过在升高的温度下暴露于某些气体，可发生反应且称为基质的固体材料可沉积在预制件的纤维上。
用化学蒸汽浸渗(CVI)制备的陶瓷基复合物(CMC)可潜在地用在直到且大于2700华氏度的温度下。CVI CMC结构的一个关键限制是该结构具有显著的孔隙率(比如直到15%和更多)，其一般在CMC结构的中心最大且随着预制件的增大的厚度而增大。孔隙率可随着厚度而增大，且可显著地影响面内和层间性能二者以及复合材料的整体抗氧化性。
发明内容
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。预制件可经受化学蒸汽浸渗处理(CVI)以限定陶瓷基复合(CMC)结构。
一种方法，其包括：
关联多个预制层以形成预制件，其中，多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小；和
使预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)以形成致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
优选地，第一预制层具有第一平均孔隙大小，其中第二预制层具有第二平均孔隙大小，且其中第二平均孔隙大小大于第一平均孔隙大小。
优选地，第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间预制层，其中第二预制层是限定预制件外表面的外表面预制层，且其中第二预制层具有比第一平均孔隙大小大的第二平均孔隙大小。
优选地，多个预制层包括第三预制层，其中第二预制层配置在第一预制层的第一侧处，其中第三预制层配置在第一预制层的第二侧处，且其中第二预制层和第三预制层各自具有比第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
优选地，多个预制层的数量从由以下构成的组合中选择：(a)多于1个预制层，(b)多于5个预制层，(c)多于20个预制层，(d)多于50个预制层，和(e)多于100个预制层。
优选地，由多个预制层形成的预制件是实心结构，其中多个预制层包括中心预制层、从中间预制层到限定预制件第一外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从中间预制层到限定预制件第二外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第二组预制层。
优选地，该预制件是中空结构预制件，其中预制件的多个预制层限定中空结构预制件的侧壁，其中多个预制层包括中心预制层、从中间预制层到限定中空结构预制件外表面的预制层的具有增加的平均孔隙大小的第一组预制层、和从中间预制层到限定中空结构预制件内表面的预制层的具有减小的平均孔隙大小的第二组预制层。
优选地，该预制件是中空结构预制件，其中预制件的多个预制层限定了中空结构预制件的侧壁，其中多个预制层中的限定中空结构预制件内表面的某预制层具有多个预制层中最小的平均孔隙大小，且其中，多个预制层中的在从该某预制层的位置到限定中空结构预制件外表面的预制层的位置的连续位置中的预制层具有增大的平均孔隙大小。
优选地，该方法包括执行用于制备多个预制层中的一个或更多个预制层的过程。
优选地，执行用于制备的过程包括使用孔隙形成剂。
优选地，执行用于制备的过程包括使用填料。
优选地，该方法包括控制多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括增加或减少在用于制备多个预制层中的一个或更多个预制层的热解过程期间使用的填料的量。
优选地，该方法包括控制多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括控制在制备多个预制层中的一个或更多个预制层期间使用的孔隙形成剂的特性。
优选地，该方法包括将预制件定形为涡轮构件的形状。
优选地，该方法包括将预制件定形为涡轮构件的形状，且使得多个预制层中的一个或更多个中间预制层具有比多个预制层中的一个或更多个外表面预制层小的平均孔隙大小。
一种结构，其包括：
多个预制层，其关联在一起以限定预制件；
其中，多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小。
优选地，第二预制层具有比第一预制层大的平均孔隙大小。
优选地，第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间层，其中，第二预制层具有第二平均孔隙大小，第二平均孔隙大小比第一平均孔隙大小大。
优选地，多个预制层包括第三预制层，其中第二预制层配置在第一预制层的第一侧处，其中第三预制层配置在第一预制层的第二侧处，且其中，第二预制层和第三预制层各自具有比第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
优选地，多个预制层中的中间预制层具有多个预制层中最小的平均孔隙大小，且其中，在从中间预制层的位置到限定预制件外表面的预制层的位置的连续位置处的预制层具有增大的平均孔隙大小。
优选地，预制件具有多个层，各连续的层具有比最内层大的平均孔隙大小。
优选地，预制件处于涡轮构件的形状。
优选地，预制件处于涡轮部件的形状，且其中，多个预制层中的一个或更多个中间层具有比多个层中的限定预制件外表面的一个或更多个端部层小的平均孔隙大小。
优选地，第一预制层包括纤维。
优选地，纤维包括单向纤维。
优选地，纤维包括编织纤维。
优选地，纤维包括单向纤维和编织纤维的组合。
优选地，在纤维上形成涂层。
优选地，多个预制层的数量从由以下构成的组合中选择：(a)多于1个预制层，(b)多于5个预制层，(c)多于20个预制层，(d)多于50个预制层，和(e)多于100个预制层。
一种用于提供涡轮构件的结构，该结构包括：
多个预制层，其关联在一起以限定预制件；
其中，多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小。
一种方法包括：
关联多个预制层以限定预制件，其中，多个预制层包括第一预制层和第二预制层；和
使预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
一种方法包括：
关联多个预制层以限定预制件，其中，多个预制层包括第一预制层和第二预制层，且其中，第一预制层或第二预制层中的一个或更多个包括单向纤维；和
使预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
一种方法，包括：
关联多个预制层以限定预制件，其中，多个预制层包括第一预制层和第二预制层，且其中，该方法包括使用孔隙形成剂来制备多个预制层中的一个或更多个预制层；和
使得预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
一种方法，包括：
关联多个预制层以形成预制件，其中，多个预制层包括第一预制层和第二预制层，且其中，该方法包括使用填料来制备多个预制层中的一个或更多个预制层；和
使预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
技术方案1：一种方法，其包括：
关联多个预制层以限定预制件，其中，所述多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小；和
使所述预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)，以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一预制层具有第一平均孔隙大小，其中，所述第二预制层具有第二平均孔隙大小，且其中，第二平均孔隙大小大于所述第一平均孔隙大小。
技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间预制层，其中，所述第二预制层是限定所述预制件的外表面的外表面预制层，且其中，所述第二预制层具有比所述第一平均孔隙大小大的第二平均孔隙大小。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中，所述多个预制层包括第三预制层，其中，所述第二预制层配置在所述第一预制层的第一侧处，其中，所述第三预制层配置在所述第一预制层的第二侧处，且其中，所述第二预制层和所述第三预制层各自具有比所述第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中，由所述多个预制层限定的预制件是实心结构，其中，所述多个预制层包括中间预制层、从所述中间预制层到限定所述预制件的第一外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从所述中间预制层到限定所述预制件的第二外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第二组预制层。
技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中，所述预制件是中空结构预制件，其中，所述预制件的多个预制层限定所述中空结构预制件的侧壁，其中，所述多个预制层包括中心预制层、从所述中间预制层到限定所述中空结构预制件的外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从所述中间预制层到限定所述中空结构预制件的内表面的预制层的具有减小的平均孔隙大小的第二组预制层。
技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中，所述预制件是中空结构预制件，其中，所述预制件的多个预制层限定所述中空结构预制件的侧壁，其中，所述多个预制层中的限定所述中空结构预制件的内表面的某预制层具有所述多个预制层中最小的平均孔隙大小，且其中，所述多个预制层中的在从该某预制层的位置到限定所述中空结构预制件的外表面的预制层的位置的连续位置中的预制层具有增大的平均孔隙大小。
技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法包括执行用于制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层的过程。
技术方案9：根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法包括控制所述多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制所述一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括增加或减少在用于制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层的热解过程期间使用的填料的量。
技术方案10：根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法包括控制所述多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制所述一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括控制在制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层期间使用的孔隙形成剂的特性。
技术方案11：根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法包括将所述预制件定形为涡轮构件的形状，且使得所述多个预制层中的一个或更多个中间预制层具有比所述多个预制层中的一个或更多个外表面预制层小的平均孔隙大小。
技术方案12：一种结构，其包括：
多个预制层，其关联在一起以限定预制件；
其中，所述多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小。
技术方案13：根据技术方案12所述的结构，其中，所述第二预制层具有比所述第一预制层大的平均孔隙大小。
技术方案14：根据技术方案12所述的结构，其中，所述第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间层，其中，所述第二预制层具有第二平均孔隙大小，所述第二平均孔隙大小比所述第一平均孔隙大小大。
技术方案15：根据技术方案12所述的结构，其中，所述多个预制层包括第三预制层，其中，所述第二预制层配置在所述第一预制层的第一侧处，其中，所述第三预制层配置在所述第一预制层的第二侧处，且其中，所述第二预制层和所述第三预制层各自具有比所述第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
附图说明
图1是例示层压结构的制备的流程图；
图2是例示具有多个预制层的预制件的立体图；
图3是具有多个CMC层结构的CMC结构的立体图；
图4是具有预制件结构的孔隙大小分布的沿着图2所示的预制件结构的A-A线截取的截面图；
图5是具有CMC结构的密度分布的沿着图3所示的CMC结构的B-B线截取的截面图；
图6是例示制备具有特定形状的CMC结构的方法的侧截面图；
图7是沿着图6的A-A线截取的截面图，具有该截面图的结构的孔隙大小分布的密度分布。
具体实施方式
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。所述预制件可经受化学蒸汽浸渗(CVI)处理，以限定陶瓷基复合(CMC)结构。
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层被关联在一起以形成预制件，其中第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小。预制件可经受CVI以限定CMC结构。
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。第一预制层或第二预制层中的一个或更多个可包括单向纤维。预制件可经受CVI以限定CMC结构。
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。用于制备预制层的过程可包括使用孔隙形成剂。预制件可经受CVI以限定CMC结构。
根据本文中所述的方法，具有第一和第二预制层的多个预制层可关联在一起以限定预制件。用于制备预制层的过程包括使用填料。预制件可经受CVI以限定CMC结构。
参照图1，阐述了在一个实施方式中用于制备具有多个分层结构的层压结构的方法。在框10处，具有第一和第二预制层的多个预制层被关联在一起以限定预制件，其中第一和第二预制层具有不同的平均孔隙大小。在框20处，预制件可经受化学蒸汽浸渗处理(CVI)以限定陶瓷基复合(CMC)结构。在本文中阐述多个例示示例以例示所公开方法的特征和优点。
在一个实施方式中，参照图2-5，描述了图1的方法的额外特征。在框10处，如图2所示的具有第一和第二预制层的多个预制层102,202,302可关联在一起以限定预制件402，第一和第二预制层具有第一和第二不同的平均孔隙大小。预制件402可具有厚度M，且预制层102,202,302可分别具有约J1，J2，J3的厚度。在框20处，预制件402经受CVI。通过经受CVI，如图3所示的致密化CMC结构403可限定为具有致密化CMC层结构103、致密化CMC层结构203和致密化CMC结构303。致密化CMC结构403可具有约为M的厚度，且单独的结构103，203和303可分别具有约为J1，J2，J3的厚度。
参照图4，图4的上部是沿图2的A-A线截取的截面图。图4的下部例示通过预制件402厚度的平均孔隙大小分布。在图2所示的实施方式中，预制件402包括中间层102和外层203，302。如图4所示，预制层202和303可具有为P0的平均孔隙大小，且预制层102可具有PA的平均孔隙大小，PA<P0。在一个实施方式中，预制层202,203可具有贯穿它们相应厚度的第一均匀密度，且预制层102可具有比该第一均匀密度大的均匀密度。
参照图5，图5的上部是沿着图3的B-B线截取的截面图，其示出通过使图2所示的预制件402经受CVI而限定的致密化结构403。图5的下部是通过CMC结构403厚度的密度分布。参照图5，穿过中间CMC层结构103的厚度，CMC结构403可具有U形密度分布，且穿过外层CMC结构203和303时，可具有斜坡形密度分布。从面305到面304和CMC层结构203，CMC层结构203和303可具有大体上增大的密度，且从面204到面205，可具有大体上增大的密度。通过经受CVI，与CMC结构403的与外表面间隔开的部分相比，CMC结构403的朝外表面304和205的部分可更快速地致密化。在CVI的进行期间，朝外表面304和205的孔隙趋于闭合，从而限制可在CMC结构403的与面304和205间隔开的部分处发生的致密化的程度。
在参照框10所述的一方面中，第一预制层，例如，预制层102，的平均孔隙大小可不同于第二预制层，例如预制层202，的平均孔隙大小。
在另一实施方式中，参照例示备选实施方式中的预制件402的平均孔隙大小分布的虚线502(图4)，且参照例示备选实施方式中的CMC结构403的密度分布的虚线503(图5)，来阐述图1方法的优点。在预制件402的备选实施方式中，预制层102,202,302中的各个可具有共同的平均孔隙大小分布，其中，预制层102,202,302中的各个的平均孔隙大小分布可具有平均孔隙大小P0。虚线502表示预制件402的平均孔隙大小分布，其中，预制层102、预制层202和预制层302中的各个具有共同的平均孔隙大小分布，其特征是具有平均孔隙大小P0。
参照图5，虚线503表示在预制件402具有依照虚线502(图4)的平均孔隙大小分布的情况下，CMC结构403的密度分布。比较虚线503的密度分布和图5所示的密度分布，可以看出参照图1所述的方法可增加CMC结构403的密度均匀度。提供用于经受CVI的具有包括不同平均孔隙大小分布的第一和第二层的预制件402可导致具有更均匀密度的CMC结构403。在图4和图5的具体例子中，外表面预制层202和302中的各个可具有比中间预制层102大的平均孔隙大小。在一个实施方式中，使外表面预制层包括较大的平均孔隙大小允许具有多个预制层的预制件的中间部分的改善的致密化。在一个具体实施方式中，预制层102、预制层202和预制层302可具有共同的结构。在此种实施方式中，预制层可具有共同的密度以及共同的平均孔隙大小分布。通过图5中所示的表示连续密度D0的水平线来给出预制件402的示例密度分布，其中，预制层102,202,302具有共同的结构。
在一个实施方式中，具有更均匀密度的CMC结构的特征可在于，与具有较不均匀密度的CMC结构相比，在穿过CMC结构的厚度的最大密度和最小密度之间具有更小的差异。在一个实施方式中，具有更均匀密度的CMC结构的特征可在于，与具有较不均匀密度的CMC结构相比，具有穿过CMC结构的厚度的更小的密度标准差。图5中所示的密度分布的特征可在于具有更小的最大与最小密度差异和更小的密度标准差，其中密度分布通过虚线503来表示。
参照图1和图6，如图1所述的方法可用来生产具有特定形状的CMC结构，例如图6所示的形状1100。在一个实施方式中，该结构可为具有特定形状的涡轮构件。本文中的构件可指组件的一部分。参照图6，在一个例子中，在位置1101，1102，1103，1104，1105，1106和1107处的多个预制层1100可在框10处关联在一起以限定预制件，并被定形为与形状1100基本上对应的形状。在框20处，多个预制层1100可经受CVI以使多个预制层1100致密化和硬化。可以使用加工处理来移除形状1100边界外侧的材料。图6所示的形状1100可为限定涡轮构件的形状，例如，燃烧衬套、导叶、叶片、喷嘴、动叶、过渡件、涡轮中心框架，或护罩。尽管图6的例子中的形状1100示为实心、非中空形状1100，但另一例子中的形状1100可通过中空形状来提供。在形状1100是实心非中空形状且外表面暴露于CVI处理腔反应器内的气氛的情况下，蒸汽可穿过预制件的外表面渗入预制件以进行CVI。在形状1100是中空形状且外表面暴露于CVI处理腔反应器内的气氛但内表面未暴露于CVI处理腔反应器内的气氛中的情况下，蒸汽可穿过预制件的外表面渗入预制件以进行CVI。在形状1100是中空形状且外表面、内表面暴露于CVI处理腔反应器内的气氛的情况下，蒸汽可穿过预制件的外表面和内表面渗入预制件以进行CVI。
参照图7，图7的上部是沿图6的A-A线截取的截面图。图7的下部是通过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的预制层阶段中的结构的平均孔隙大小分布。图7中的中间部分是通过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的结构的密度分布。参见图7，图线1202是当位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107处的结构处于预制层阶段时，通过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的一组平均孔隙大小。参照图线1202，可提供预制层，以便一个或更多个中间预制层具有比外表面预制层小的平均孔隙大小。图线1204是当位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107处的结构处于致密化CMC阶段时，穿过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的一组结构密度。
进一步参照图7，图线1206是在备选实施例中的经过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的一组平均孔隙大小，其中位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107处的结构处于预制层阶段，且其中，位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107中的各个处的预制层具有基本上共同的平均孔隙大小尺寸。图线1208表示在位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107处的具有由图线1206指示的平均孔隙大小分布的结构经受CVI之后并处于致密化CMC阶段时，通过位置1101，1102，1103，1104，1105，1106，和1107的一组密度。
通过比较图线1204和图线1208可看出，规定一个或更多个中间预制层具有比一个或更多个外表面预制层小的平均孔隙大小，可导致致密化CMC结构，该致密化CMC结构具有比在各预制层具有共同的平均孔隙大小分布的情况下的制备的CMC结构的密度更均匀的密度。
例如参见图4阐述了具有多个预制层的预制件，其中，多个预制层包括第一预制层102、第二预制层202、和第三预制层302，其中，第二预制层202配置在预制层102的第一侧，其中，第三预制层302配置在预制层102的第二侧，且其中，第二预制层202和第三预制层302各自具有比第一预制层102的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
例如参照图6阐述了具有多个预制层的预制件，其中，多个预制层包括第一预制层，例如在位置1104处、第二预制层，例如在位置1101处，和第三预制层，例如在位置1107处，其中，第二预制层配置在第一预制层的第一侧，其中，第三预制层配置在预制层的第二侧，且其中，第二预制层和第三预制层各自具有比例如位置1104处的第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
图7例示对于预制件的代表性平均孔隙大小分布的一个实施方式，其中具有形状1110的预制件是实心结构，且其中，由位置1101和位置1107处的预制层的左侧和右侧分别限定的实心结构的外表面暴露于CVI处理腔反应器内的气氛。在图7的实施方式中，中间位置处的层可具有相对小的平均孔隙大小，且从中间逐渐向外朝第一和第二暴露的外表面位置(在位置1107的左侧和位置1101的右侧)处的层的孔隙大小可以具有逐渐更大的平均孔隙大小。在此种实施方式中，可有助于更长持续时间在更大体积中和从暴露的外表面(在位置1107的左侧处和位置1101的右侧处)到更长距离的气相渗透，以形成具有提高的密度均匀性的CMC结构。在此种实施方式中的一个例子中，在各种位置1101到1107中的各个处的预制层可具有为基本上均一大小的孔隙，其中各层相对于其余的层具有不同的平均孔隙大小。
在图7中所示的形状1110是中空结构预制件的侧壁，且位置1101右侧处的预制层限定暴露于CVI反应腔内气氛的中空结构预制件的外表面，且位置1107左侧处的预制层限定不暴露于CVI反应腔内气氛的整体中空结构预制件的内表面的情况下，预制件可有利地具有特征在于位置1107处的预制层的相对小的平均孔隙大小和从左到右穿过位置1107到1101处的各种预制层增大的平均孔隙大小。一个实施方式中在本文中所述的中空预制件可为密封的中空预制件。从中间预制层的位置1104到限定外表面的位置1101处的预制层的预制层可具有增大的平均孔隙大小。从中间预制层的位置1104到限定中空预制件内表面的位置1107的预制层的预制层具有减小的平均孔隙大小。在此种实施方式中，可有助于在更大体积中更长持续时间且从暴露的外表面(在位置1101右侧处)到更远距离的气相渗透，以形成具有提高的密度均匀性的CMC结构。在此种实施方式中的一个例子中，各种位置1101到1107中的各个处的层可具有为基本上均一大小的孔隙，其中各层相对于其余的层具有不同的平均孔隙大小。
尽管在图6和图7中的示范实施方式中具有层的位置数目是一定的数目，但实际涡轮构件中具有层的位置数目可比该一定的数目少或多，例如，任何整数。在一个实施方式中，预制层的数目例如可为多于1、多于3、多于5、多于10、多于20、多于50、多于100。如本文中所述，在由多个预制层形成的预制件是实心结构的情况下，预制件可包括中间预制层、从中间预制层到限定预制件第一外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从中间预制层到限定预制件第二外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第二组预制层。在一个例子中，预制件的各预制层具有为基本上均一大小的孔隙。如本文中所述，在由多个预制层形成的预制件是实心结构的情况下，多个预制层中的例如图7的位置1104处的中间预制层可具有多个预制层中最小的平均孔隙大小，且从中间预制层的位置到限定预制件外表面的预制层的位置的连续位置处的预制层可具有增大的平均孔隙大小。在一个例子中，预制件的各预制层可具有为基本上均一大小的孔隙。如本文中所述，在预制件具有整体中空结构，且预制件的多个预制层限定中空结构预制件的侧壁的情况下，该预制件可包括例如在图7的位置1104处的中间预制层、从中间预制层到限定中空结构预制件外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从中间预制层到限定中空结构预制件内表面的预制层的具有减小的平均孔隙大小的第二组预制层。在一个例子中，预制件的各预制层具有为基本上均一大小的孔隙。如本文中所述，在预制件是中空结构预制件，预制件的多个预制层限定中空结构预制件的侧壁的情况下，多个预制层中的可限定中空结构预制件内表面的某预制层，例如，图7所示的位置1107处的层可具有多个预制层中最小的平均孔隙大小，且多个预制层中的在从该某预制层的位置到限定中空结构预制件外表面的预制层的位置的连续位置中的预制层可具有增大的平均孔隙大小。在一个例子中，预制件的各预制层可具有为基本上均一大小的孔隙。
关于与图1的方法一起使用的预制层，在一个实施方式中，预制层(例如，层102,202,302，位置1101-1107处的预制层)可包含单向纤维(束)。关于预制层，在一个实施方式中，预制层可包含编织纤维。纤维可通过陶瓷纤维来提供。本文中所述的预制层的陶瓷纤维在一个实施例中可包含多晶结构。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维包括非化学计量的化学成分。在一个实施方式中，本文中所述的预制层陶瓷纤维可包括化学计量的化学成分。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可包括非均质的化学成分。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可通过单晶纤维来提供。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可通过非晶质纤维来提供。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可通过碳化硅(SiC)纤维来提供。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可通过多晶SiC纤维来提供。本文中所述的预制层可包括能够允许预制件能够在经受CVI前定形为所需形状的粘合剂材料。可规定本文中所述的预制层的陶瓷纤维在1000℃以上的温度稳定。
在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可不具有纤维涂层。在一个实施方式中，本文中所述的预制层的陶瓷纤维可包括涂层。此种涂层可为纤维固有的或者是事先沉积的，例如通过CVI或者通过另一方式沉积。用于纤维的涂层可在制备预制件之前沉积或者作为制备预制件的一部分来沉积。
如图2或图6所示的描述为关联在一起的预制层可以通过叠合而关联，且在一个实施方式中，通过采用在相应的关联的预制层中含有的粘合剂或利用由其提供的力来相对于彼此保持在合适的位置。
本文中所述的在未处理阶段的预制层的孔隙率可变化。在一个实施方式中，在经受CVI之前的未处理阶段，本文中所述的预制层的可各自具有基本上一致的孔隙率(例如，1-D0)，为在约20%到约90%之间，且相应地，具有在约80%到约10%之间的密度。在另一具体实施方式中，预制件202,302,502,602,702可具有在约40%到约70%之间的孔隙率，且因此具有在约70%到约40%之间的密度。可规定本文中所述的预制层具有共同的材料和结构特性，包括共同的纤维材料特性和孔隙率特性。
为了在框20处的CVI处理的执行，预制件，例如，预制件402或者一组位置1110处的预制件可被引入CVI处理腔反应器中，且合适的气体可浸渗通过预制件。预制件可通过使预制件经受CVI来提供陶瓷基复合材料(CMC)的强化。合适的气体包括例如氢、甲基三氯硅烷、三氯化硼、氨、三氯硅烷、和烃类气体中的任一种，或两种或更多种的混合物。合适的气体包括，例如，任何含硅烷的气体以及任何硅氧烷、硅氮烷、或其他含硅的蒸汽。CVI处理腔反应器中的气体可不具有主流动方向。规定腔反应器中的气体不具有主流动方向可降低处理成本。腔中的温度可以升高，且反应性气体可在高温下经历化学反应。在反应期间，在预制件(例如预制件402或一组位置1110处的预制件)的纤维表面上可形成基质涂层，以限定致密化CMC结构，例如致密化CMC结构403或一组位置1110处的致密化结构。本文中所述的预制件的纤维可通过SiC纤维来提供，可在预制件的纤维上形成例如由SiC，BN，B4C，Si3N4，MoSi2，SiO2，SiOC，SiNC，和/或SiONC构成的基质，以限定致密化CMC结构，例如本文中所述的在一组位置1110处的致密化CMC结构403。在一个实施方式中，在执行或CVI期间，可在形成或基质之前如本文中所述地在预制层的纤维上形成涂层。
现在参考本文中所述的预制层的制备且参考此种预制层的平均孔隙大小的控制。
对于本文中所述的预制层的制备，可通过组合粘结剂、载体、填料、和孔隙形成剂来制备浆料。浆料可被碾压，以解聚且使粉末分散。可以通过利用氮化硅(BN)涂覆纤维束来制备纤维束(在一个实施方式中，具有约～500个单独纤维的单个捆)。可通过使纤维束穿过浆料浴而使浆料浸渗到涂覆的纤维束中。然后可将束缠绕到圆筒上，使得以形成卷带(tape)。可以从圆筒移除卷带，且可从卷带上切出单向预制层。具有编织双向纤维或者另一形式的多向纤维的预制层的制备可包括迫使浆料进入编织双向纤维或其他形式的多向纤维中。
预制层可叠合成所需的图案，例如，形状1100(图6)的图案，且叠合可在真空袋或其他过程(例如，高压釜)中固结。固结的叠层然后可在不活泼气氛中热解，在不活泼气氛中，粘合剂从聚合物转化成陶瓷，且其中孔隙形成剂挥发。热解可包括例如在空气中、在真空中、在不活泼气氛中、或者在反应性气氛中焚烧。从而可制备适于CVI致密化的预制件。
关于本文中所述的粘结剂，粘结剂可包括在热解或焚烧后留下炭/残渣的有机或无机材料。本文所述的粘结剂可作用为将纤维作为预制件保持在一起。粘结剂的示例包括TEOS、聚碳硅烷、聚碳氮烷、聚硅氧烷、酚醛树脂、和呋喃化合物。
关于本文中所述的载体，载体可包括溶解或者运载粘结剂和其他组分的有机或无机液体。载体的示例包括水、异丙醇、甲苯、和丙酮。
关于本文中所述的填料，填料可包括有助于控制粘结剂的收缩且在热解过程中导致孔隙形成的氧化物或非氧化物颗粒或晶须。
关于本文中所述的孔隙形成剂，孔隙形成剂可包括通过固结过程仍可存留但在热解过程中挥发从而形成孔隙的颗粒或者其他物质。孔隙形成剂的示例可包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、尼龙、PTFE、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、和纤维素粉末。在一个实施方式中，孔隙形成剂中包含的颗粒可具有在从约0.5um到约20um的大小范围中的平均大小。在一个实施方式中，在孔隙形成剂中包含的颗粒可包括在从约1.0um到约10um的大小范围中的平均大小。
当粘结剂热解时，它可经历由质量损失和密度增加二者导致的收缩。由于系统内的局部约束，该收缩使得孔隙和裂缝打开。可通过添加或减少在热解期间使用的填料的量来控制整体收缩率且因此控制平均孔隙大小。更多的填料导致更少的粘结剂且因此导致系统内的更小的收缩率。在一个实施方式中图1中阐述的方法可包括控制多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，其中，控制一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括添加或者减少在制造一个或更多个预制层的热解过程期间使用的填料的量。
在一个实施方式中，控制平均孔隙大小可包括如本文所述地控制孔隙形成剂的特性。孔隙形成剂可限定通过固结过程仍存在的基质中的物质。在热解(或不同的热处理)期间，可移除孔隙形成剂。除去可例如通过燃烧过程或如果使用低炭率聚合物时通过炭化(分解)过程。孔隙形成剂可留下孔隙，该孔隙相对地不含有将干扰CVI致密化的残留物。固态聚合物颗粒可用作孔隙形成剂(例如，尼龙)。孔隙形成剂不可溶于载体中，且不会在固结过程期间熔融或显著变形，以便其可将其形状和大小保持到热解过程中。可改变各预制层中的孔隙形成剂的大小和用量，以便改变预制层和具有多个预制层的制备预制体中最终的平均孔隙大小和分布。在一个实施方式中，图1所述的方法可包括控制多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，其中，控制一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括控制在第一预制层的制备期间使用的孔隙形成剂的特性。
在一个实施方式中，本文所述的方法可包括依照化学蒸汽浸渗(CVI)来进行浸渗。在本文所述的其中描述CVI过程的任意方法中，备选浸渗过程可替代CVI。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括熔渗，诸如反应熔渗(RMI)。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括直接熔融氧化(DIMOX)。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括浆料浸渗。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括溶胶-凝胶浸渗。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括聚合物浸渗。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括液态硅浸渗。在一个实施方式中，此种备选浸渗过程可包括组合浸渗过程。
在说明书和权利要求书中所使用的近似的语言可以被用于修饰任何定量表示，在不导致与其相关的基本功能的变化的情况下，这些定量表示是允许改变的。相应地，使用比如“约”修饰的术语不限于指定的精确值。本文所述的术语“限定(define)”包含元素(element)部分被限定以及元素全部被限定的关系。在一些示例中，近似的语言与测量数值的仪器的精密度相对应。此处以及整个说明书和权利要求书，范围的限定可以组合和/或互换；这样的范围是确定的并包括其涵盖的所有子范围，除非语境或语言另有所指。虽然本文结合了一些具体的实施方式进行了阐述，但应理解的是，本发明的主旨和范围仅通过本说明书所支持的权利要求所确定。另外，尽管在此处大量的示例中，其中所述的系统和装置和方法具有一定数量的元件，应当理解的是，在实践中，这些系统、装置和方法具有的元件数量可以比提到的更少或者更多。同样，尽管描述了一些具体的实施方案，但是应当理解的是，关于每一个具体的实施方式所描述的特征和方面可以被用于每一个之后所具体描述的实施方式中。
尽管本文已经例证并描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员会想到许多修改和变动。因此，要理解的是，所附权利要求旨在覆盖落在本发明的实际精神内的所有这类修改和变动。

Claims (13)

1.一种方法，其包括：
使用孔隙形成剂来制备多个预制层；
关联所述多个预制层以限定预制件，其中，所述多个预制层中的第一预制层和第二预制层具有不同的平均孔隙大小，其中，所述第一预制层具有第一平均孔隙大小和贯穿其厚度的第一均匀密度，所述第二预制层具有第二平均孔隙大小和贯穿其厚度的第二均匀密度，且其中，所述第二平均孔隙大小大于所述第一平均孔隙大小并且所述第二均匀密度小于所述第一均匀密度；和
使所述预制件经受化学蒸汽浸渗(CVI)，以限定致密化陶瓷基复合(CMC)结构；
其中，所述方法还包括控制所述孔隙形成剂的特性来控制所述第一平均孔隙大小和所述第二平均孔隙大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间预制层，其中，所述第二预制层是限定所述预制件的外表面的外表面预制层，且其中，所述第二预制层具有比所述第一平均孔隙大小大的第二平均孔隙大小。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个预制层包括第三预制层，其中，所述第二预制层配置在所述第一预制层的第一侧处，其中，所述第三预制层配置在所述第一预制层的第二侧处，且其中，所述第二预制层和所述第三预制层各自具有比所述第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述多个预制层限定的预制件是实心结构，其中，所述多个预制层包括中间预制层、从所述中间预制层到限定所述预制件的第一外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从所述中间预制层到限定所述预制件的第二外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第二组预制层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预制件是中空结构预制件，其中，所述预制件的多个预制层限定所述中空结构预制件的侧壁，其中，所述多个预制层包括中心预制层、从所述中间预制层到限定所述中空结构预制件的外表面的预制层的具有增大的平均孔隙大小的第一组预制层、和从所述中间预制层到限定所述中空结构预制件的内表面的预制层的具有减小的平均孔隙大小的第二组预制层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预制件是中空结构预制件，其中，所述预制件的多个预制层限定所述中空结构预制件的侧壁，其中，所述多个预制层中的限定所述中空结构预制件的内表面的某预制层具有所述多个预制层中最小的平均孔隙大小，且其中，所述多个预制层中的在从该某预制层的位置到限定所述中空结构预制件的外表面的预制层的位置的连续位置中的预制层具有增大的平均孔隙大小。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括执行用于制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层的过程。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括控制所述多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制所述一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括增加或减少在用于制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层的热解过程期间使用的填料的量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括控制所述多个预制层中的一个或更多个预制层的平均孔隙大小，且其中，控制所述一个或更多个预制层的平均孔隙大小包括控制在制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层期间使用的孔隙形成剂的特性。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括将所述预制件定形为涡轮构件的形状，且使得所述多个预制层中的一个或更多个中间预制层具有比所述多个预制层中的一个或更多个外表面预制层小的平均孔隙大小。
11.一种结构，其包括：
多个预制层，其关联在一起以限定预制件；
其中，所述多个预制层中的第二预制层具有比所述多个预制层中的第一预制层大的平均孔隙大小；
其中，所述第一预制层具有贯穿其厚度的第一均匀密度，所述第二预制层具有贯穿其厚度的第二均匀密度，以及所述第二均匀密度小于所述第一均匀密度；以及
其中，制备所述多个预制层中的一个或更多个预制层包括使用孔隙形成剂，并且其中，控制所述孔隙形成剂的特性来控制所述平均孔隙大小。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述第一预制层是具有第一平均孔隙大小的中间层，其中，所述第二预制层具有第二平均孔隙大小，所述第二平均孔隙大小比所述第一平均孔隙大小大。
13.根据权利要求11所述的结构，其中，所述多个预制层包括第三预制层，其中，所述第二预制层配置在所述第一预制层的第一侧处，其中，所述第三预制层配置在所述第一预制层的第二侧处，且其中，所述第二预制层和所述第三预制层各自具有比所述第一预制层的平均孔隙大小大的平均孔隙大小。
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