JP6411894B2 - セラミックマトリックス複合材を製造する方法およびそれによって形成されたセラミックマトリックス複合材 - Google Patents

Description

本発明は、概してセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）およびその製造法に関する。より具体的には、本発明は、高温で望ましい物理的、機械的および微細構造特性を示すＣＭＣ物品を得ることができる加工ステップを含む、ケイ素含有ＣＭＣ物品を製造する方法に関する。

ガスタービンエンジンの効率を高めるために、その作動温度を上昇させることが絶えず求められている。鉄、ニッケルおよびコバルト基超合金の配合を通して高温性能は有意に進歩してきたが、代替材料が研究されている。ＣＭＣ材料は、その高温性能が冷却空気要求を有意に低減することができるために注目すべき例である。ＣＭＣ材料は一般的に、セラミックマトリックス材料中に埋め込まれたセラミック繊維強化材を含む。強化材は、マトリックス材料中に分散した不連続短繊維であっても連続繊維であってもマトリックス材料内に配向した繊維束であってもよく、ＣＭＣの荷重負荷構成要素として働く。一方、セラミックマトリックスは、強化材を保護し、その繊維の配向を維持し、荷重を強化材に散逸するのに役立つ。個々の繊維（フィラメント）は通常、窒化ホウ素（ＢＮ）などの離型剤で被覆されて、繊維とセラミックマトリックス材料との間の限定および制御された滑りを可能にする剥離層（ｄｅ−ｂｏｎｄ ｌａｙｅｒ）を形成する。

連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）は、ガスタービンエンジンのシュラウド、燃焼器ライナ、ベーン、ブレードおよび他の高温部品を含む種々の高温荷重負荷用途のために軽量、高強度および高剛性を提供するＣＭＣの１種である。ＣＦＣＣ材料は一般的に、一方向繊維配列を形成するように配列してもよいし、一方向トウ（ｔｏｗ）配列を形成するよう配列されるトウに束ねてもよいし、二次元織物を形成するように織られるまたは三次元織物を形成するよう織られるもしくは編まれるトウに束ねてもよい連続繊維（フィラメント）を特徴とする。三次元織物については、一方向トウのセットを、例えば、互いに横断して織り合わせてもよい。高温用途に特に興味深いのは、マトリックスおよび／または強化材としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのケイ素系複合材である。ＳｉＣ繊維は、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む種々の他のセラミックマトリックス材料のための強化材としても使用されてきた。

ＣＭＣ材料、特にＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ（繊維／マトリックス）連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）材料および方法の例は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第５０１５５４０号明細書、第５３３０８５４号明細書、第５３３６３５０号明細書、第５６２８９３８号明細書、第６０２４８９８号明細書、第６２５８７３７号明細書、第６４０３１５８号明細書および第６５０３４４１号明細書ならびに米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号明細書に開示されている。このような方法は一般的に、各々が所望のセラミック繊維強化材、ＣＭＣマトリックス材料の１種または複数の前駆体、および有機樹脂バインダーを含む「テープ」の形態である複数のプリプレグ層を使用したＣＭＣの製造を伴う。従来の慣行によると、プリプレグテープは、強化材をセラミック前駆体（複数可）およびバインダーを含有するスラリーに含浸させることにより形成することができる。前駆体に好ましい材料は、ＣＭＣ部品のセラミックマトリックスに望ましい特定の組成に依存し、例えば、ＳｉＣ粉末および／または最終的に溶融Ｓｉと反応してＳｉＣに変換される１種もしくは複数の炭素含有材料がある。他の典型的なスラリー成分には、プリプレグテープの撓み性を促進する有機バインダー、およびスラリーの流動性を促進して繊維強化材の含浸を可能にするバインダーのための溶媒が含まれる。

スラリーを部分的に乾燥させ、適当であれば、バインダーを部分的に硬化（Ｂステージング（Ｂ−ｓｔａｇｉｎｇ））した後、得られたプリプレグテープを他のテープと共に積層し、次いで減量させて、適当であれば、高圧および高温に供しながら硬化してプリフォームを製造する。次いで、プリフォームを真空または不活性雰囲気中で加熱（焼成）してバインダーを分解し、溶媒を除去し、前駆体を所望のセラミックマトリックス材料に変換する。バインダーが分解するために、結果は、多孔質ＣＭＣ体となり、これが溶融含浸（ＭＩ）を受けて気孔を充填して、ＣＭＣ部品をもたらすことができる。ＳｉＣマトリックスを製造するために使用する溶融含浸工程は一般的に、多孔質ＣＭＣ体に外部から供給される溶融ケイ素を含浸することを伴う。溶融ケイ素は、気孔に浸透し、マトリックスの炭素内容物と反応して炭化ケイ素を形成し、気孔を充填して所望のＣＭＣ部品をもたらす。上記工程の具体的な加工技術およびパラメータは、材料の特定の組成に依存する。

ＣＦＣＣ材料１０の例を、各々が、セラミックマトリックス前駆体で含浸された一方向整列強化材１４を含む個々のプリプレグテープに由来する複数の薄層１２を含むものとして図１に模式的に示す。結果として、各薄層１２は、全体または一部が焼成および溶融含浸中にセラミックマトリックス前駆体の変換により形成されたセラミックマトリックス１８に包まれた強化材１４を含有する。

上に論じる様式で、炭化ケイ素マトリックス中に炭化ケイ素繊維を含有するよう製造されたＣＭＣおよびＣＦＣＣ物品は、ケイ素元素および／またはケイ素合金を含有するので、マトリックス中のケイ素（約１４０５℃）または任意の低融点ケイ素合金（例えば、約１３６０℃）の融点を超える温度では使用することができない。なぜなら、溶融ケイ素が繊維／トウ上の窒化ホウ素などの離型剤と反応し、複合材の脆化をもたらすおそれがあるためである。さらに、溶融ケイ素は、複合物品の表面から染み出す傾向があり、ここで物品ならびに物品と接触しているもしくはごく接近している潜在的に任意の金属または他のセラミック部品を保護している耐環境コーティング（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）（ＥＢＣ）と反応し、これを損傷するおそれがある。

ＣＭＣ物品中のケイ素元素もしくは低融点ケイ素合金を除去または少なくともその含量を低下させるいくつかのアプローチが、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、Ｋｅｂｂｅｄｅらの米国特許出願公開第２０１０／０２７９８４５号明細書に開示されている。Ｋｅｂｂｅｄｅらによると、ＣＭＣ物品から遊離ケイ素および／またはケイ素合金を除去することにより内部空洞が形成され、残っているケイ素および／またはケイ素合金を反応性ガス種との反応により耐火性セラミック材料に変換することができる。空洞へのアクセスは、耐火性固体を用いて少なくとも部分的に空洞を充填するおよび／または空洞への表面アクセス経路を塞ぐことにより遮断することができる。特定の解釈を促進することを意図するものではないが、Ｋｅｂｂｅｄｅらは、繊維または離型剤と反応することができないように低融点ケイ素またはケイ素合金が除去された溶融含浸ＣＭＣ体を記載し、ケイ素またはケイ素合金が存在しないことにより形成される気孔による内部酸化を防ぐ方法を提供しているように思われる。しかしながら、応力をトウ束内の任意の数の個々の繊維に分配するよう働くケイ素またはケイ素合金が存在しないことにより、機械的挙動の有意な欠陥（ｄｅｂｉｔ）ももたらされると考えられる。機械的挙動のこの欠陥は、低温でさえＣＭＣがタービンエンジン部品に必要な設計要件を満たすのを妨げるおそれがある。

上記に照らして、高温、特にケイ素の融点を超える温度で適切な物理的、機械的および微細構造特性を示すＣＭＣ物品が絶えず必要とされていることが認識され得る。

米国特許出願公開第２０１０／０２７９８４５号

本発明は、ケイ素含有ＣＭＣ物品が高温、特にケイ素の融点を超える温度で適切な物理的、機械的および微細構造特性を示すことができるようにする加工ステップを含む、ケイ素含有ＣＭＣ物品を製造する方法を提供する。

本発明の第１の態様によると、ケイ素含有ＣＭＣ物品を製造する方法が提供される。本方法は、１つまたは複数の被覆層を炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維上に堆積させるステップと、被覆ＳｉＣ繊維を、スラリーを通して引いてスラリー被覆繊維材料を得るステップと、次いでスラリー被覆ＳｉＣ繊維材料を加工して一方向プリプレグテープを形成するステップとを伴う。テープを積み重ね、次いで焼成して多孔質プリフォームを得る。次いで、多孔質プリフォームを、その中の気孔を溶浸することにより高密度化してＣＭＣ物品を得る。

本発明の第２の態様によると、ＣＭＣ物品は、被覆炭化ケイ素繊維で強化されたセラミックマトリックスを含む。マトリックスは、少なくとも９０体積％のケイ素系耐火性化合物、最大５体積％までの気孔、ならびに最大５体積％までのケイ素元素、ケイ素合金、ケイ素系化合物およびこれらの組み合わせからなる群から選択される１種または複数の低融点相を含む。

本発明の技術的効果のひとつは、ケイ素元素およびケイ素合金の融点を超える温度で使用することができるＳｉＣ系ＣＭＣおよびＣＦＣＣ物品を製造することができることである。従来の方法は、ケイ素元素および低融点ケイ素合金をＣＭＣ物品から除去して完全に耐火性ケイ素系材料で形成されたマトリックス相を得ようとしてきたが、このような方法は、気孔を含有するので完全には密でないマトリックスをもたらした。対照的に、本発明は、ケイ素元素および低融点ケイ素合金を本質的に含まないだけでなく、気孔を本質的に含まない、例えば、５体積％未満の気孔しか含有しない密なマトリックスを含有するＣＭＣ物品を製造することに関する。

本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明からより良く認識されるだろう。

ＣＦＣＣ物品の概略的な断片的横断面図である。 本発明の範囲内の方法により製造されたＣＦＣＣ物品の走査画像である。

低融点ケイ素合金の融点（例えば、約１３５７℃）を超える温度、好ましくは最高で少なくとも１４８０℃の温度まで、したがってケイ素およびその低融点合金の融点をはるかに超える温度で使用することができるＣＦＣＣ物品を含むＣＭＣ物品を製造する方法に関して本発明を説明する。本発明にとって特に興味深いＣＭＣ材料は、強化材および／またはマトリックス材料として炭化ケイ素を含有するＣＭＣなどのケイ素を含有するＣＭＣ材料であり、その具体的な例には炭化ケイ素のマトリックス中の連続炭化ケイ素繊維がある。しかしながら、窒化ケイ素ならびにケイ化ニオブおよびケイ化モリブデンなどのケイ化物（金属間化合物）などのセラミックを含む他のケイ素含有材料も本発明の範囲内にある。種々の用途が予測可能であるが、部品１０の特定の用途には、ガスタービンのタービンセクション内の燃焼器ライナ、ブレード、ベーンおよびシュラウドなどのガスタービンエンジンの部品が含まれる。

本発明のＣＭＣ物品の以下の議論は図１を参照するが、この図は前述の通り、各々が、セラミックマトリックス前駆体で含浸された一方向整列トウ１４を元々含む個々のプリプレグに由来する複数の薄層１２を含むＣＦＣＣ部品１０を表している。積み重ねたプリプレグにより形成された薄層プリフォームの減量、硬化および焼成の結果として、各薄層１２は、焼成および溶融含浸の間にセラミックマトリックス前駆体の変換により一部が形成され得る炭化ケイ素相を含むセラミックマトリックス１８に包まれた一方向整列繊維１６を含有する。しかしながら、本発明の特定の態様として、以下に記載するさらなる加工ステップにより、セラミックマトリックス１８は、好ましくは以前ケイ素溶融含浸工程により製造されたＣＭＣに帰せられていたケイ素元素またはケイ素合金相を含有しない。その代わりに、セラミックマトリックス１８は、好ましくは完全に１種または複数のセラミック材料で形成される。

ＣＦＣＣ部品１０として、トウ１４は、好ましくは各薄層１２内で一方向性である、すなわち、互いに並んで平行に配向される。適切な繊維直径、トウ直径および中心間のトウ間隔は、特定の用途、薄層１２の厚さおよび他の因子に依存するので、図１では一定の縮尺で表されていない。既知の慣行によると、トウ１４の個々の繊維１６を、好ましくは１種または複数の離型剤で被覆して、セラミックマトリックス１８およびトウ１４ならびにこれらの個々の繊維１６の間の限定および制御された滑りを可能にする剥離繊維被覆（図示せず）を形成する。繊維被覆に適した材料には、窒化ホウ素（ＢＮ）、ケイ素ドープＢＮ、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化タンタル（ＴａＮ）およびこれらの混合物が含まれる。好ましい繊維被覆は、これらの化合物の１種または複数の複数の層を含む。部品１０内で亀裂が生じると、亀裂を橋渡しする繊維１６が負荷をセラミックマトリックス１８の隣接する繊維１６および領域に再分配するよう働くので、亀裂のさらなる伝播が阻害されるまたは少なくとも緩徐化される。

前述のように、部品１０の製造中、所望の数のプリプレグテープを積層してプリフォームを形成し、これをさらなる加工に供して部品１０を得る。各テープは、セラミックマトリックス１８のための所望の材料の前駆体、例えば、ＳｉＣ内に包まれた（繊維１６により形成された）強化構造を含有するよう形成される。当業者であれば、本発明の重要な態様が一方向繊維プリプレグテープを使用して複合構造を構築することであると認識するだろう。一方向プリプレグ由来のＣＭＣ構造は、ケイ素の融点より上の高温での機械的特性の改善をもたらす。各繊維が耐火性マトリックス相を通して十分に孤立しているので、機械的負荷が各個々の繊維により効率的に移され、これにより今度は機械的特性の改善が促進されると考えられる。従来の慣行によると、このようなプリプレグテープは、例えば、トウ１６の連続ストランドをドラム上に巻きつける間に前駆体含有スラリーを塗布することにより、単一操作で形成することができる。巻きつけ操作後、スラリーを部分的に乾燥させ、得られたプリプレグテープをドラムから取り外し、他のテープと共に積層し、次いで、高圧および高温に供しながら（適当であれば）減量および硬化して硬化プリフォームを形成する。次いで、このプリフォームを真空中または不活性雰囲気中で加熱して有機バインダーを分解し、多孔質プリフォームを得る。

以下の加工技術は、ＣＭＣ物品内の気孔を減少させるまたは完全に除去する、ならびにＣＭＣ物品中の残留ケイ素元素および／または低融点ケイ素合金を減少させるまたは完全に除去することにより、上記型の加工ステップにより製造されたＣＭＣ物品の温度性能を大いに改善することを意図している。

本発明の好ましい態様によると、１つまたは複数の溶浸ステップを含む高密度化工程を通して気孔含量の減少を達成することができる。例えば、一連のポリマー含浸熱分解（ＰＩＰ）ステップを使用して気孔を充填し、同時に残留ケイ素または低融点ケイ素合金を有する可能性を排除することができる。このようなＰＩＰ法は、（好ましくは不活性雰囲気、例えば、真空またはアルゴン中で）熱分解すると、単独で所望のセラミックを形成するポリマー前駆体を利用する。所望のセラミックの例としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭窒化ケイ素、オキシ炭窒化ケイ素またはこれらの混合物が挙げられる。これらの化合物は、ケイ素およびその低融点合金と比べて高い融点（１４８０℃より上）を有する。

使用することができる追加のまたは代替の溶浸技術には、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）および溶融含浸（ＭＩ）が含まれる。当技術分野で以前実施されていたように、焼成すると、炭素含有プリフォームが得られ、これが好ましくは溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素を形成するスラリーを用いてプリフォームを形成する場合に、ＭＩ法が使用されてきた。本発明では、炭素付加を、多孔質プリフォームをカーボンブラック粒子の直接溶浸または間隙空間内に溶浸した炭素産生樹脂のバーンアウトに供することによって達成することもできる。別のアプローチでは、間隙空間を、溶融ケイ素と反応して耐火性ケイ化物相を形成する耐火性金属または耐火性金属含有化合物で充填することができるだろう。

上記高密度化工程は、好ましくは残留ケイ素原子またはケイ素合金を多孔質プリフォーム中に残さず、好ましくは溶浸前に炭化ケイ素または炭素の連続ネットワークをもたらして多孔質プリフォーム内に強度を与える特定のプリプレグスラリーの使用から利益を得ることができる。種々の前駆体含有スラリーを連続繊維およびトウに塗布してプリプレグテープを製造している。典型的なスラリー組成は、所望のセラミック前駆体（複数可）に加えて、マトリックスのセラミック構成要素（例えば、炭化ケイ素）、加工助剤として働く有機樹脂（例えば、ポリビニルブチラールおよびポリイソブチルメタクリレート）、溶媒（例えば、トルエン、ＭＩＢＫ、エチルベンゼン等）、およびバインダーのための可塑剤（例えば、フタル酸ジブチル）を含有している。本発明に使用するためのスラリー組成は、約１４３０℃〜約１４６０℃の温度でのプリフォームの焼成中に反応するケイ素元素とカーボンブラックの約１：１の化学量論的混合物を含有してもよい。スラリー組成は、熱分解して炭素チャーのネットワークを形成することができる１種または複数の有機バインダー（例えば、フラン系樹脂（ｆｕｒａｎｉｃ ｒｅｓｉｎ）および／またはフェノール系樹脂）をさらに含有してもよい。いずれにしても、結果として、好ましくはケイ素元素およびケイ素合金を本質的に含まないことができ、繊維が炭化ケイ素フィラメントまたは炭素チャー（上記実施形態の詳細による）の多孔質であるが連続のネットワークに包まれている硬化し、硬質のプリフォームとなる。次いで、気孔を上記高密度化工程により除去することができ、結果として炭化ケイ素フィラメントまたは炭素チャーのネットワークが強化用の足場を提供して、特に第１の高密度化サイクル中のポリマー前駆体の熱分解に伴う応力による亀裂が防止される。

追加の加工ステップを行ってＣＭＣ物品内の残留ケイ素元素および／または低融点ケイ素合金相を抽出することができる。ケイ素元素とカーボンブラックの１：１化学量論的混合物に必要とされるケイ素元素に対して過剰のケイ素元素を含有するスラリーを使用する場合、またはケイ素元素を含有しないスラリーを使用し、溶浸材としてケイ素元素またはケイ素合金の外部供給源を使用して溶融含浸ステップを行う場合、抽出ステップが特に望ましい。後者について、典型的なスラリー組成は、炭化ケイ素、カーボンブラック、加工助剤として働く有機樹脂（例えば、ポリビニルブチラール）、熱分解して炭素チャーのネットワークを形成する有機樹脂、溶媒（例えば、トルエン、ＭＩＢＫ、アルコールおよびアセトン等）、およびバインダーのための可塑剤（例えば、フタル酸ジブチル）を含有している。被覆炭化ケイ素繊維をこのスラリーを通して引いて、ドラム上に巻きつけてプリプレグテープを形成することができる。テープを所望の配向に積層し、熱および圧力下で圧密化して薄層を形成する。薄層を窒素、アルゴンまたは真空中で加熱して、有機バインダーおよび樹脂の一部を炭素チャーに変換しながら、有機バインダーおよび樹脂の一部を焼き尽くす。次いで、焼き尽くした多孔質薄層を、ケイ素またはケイ素合金の外部供給源を溶融し、薄層に流れ込むように加熱することにより溶融含浸することができる。この溶融ケイ素またはケイ素合金の第１の部分は多孔質薄層中の前駆体炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、溶融ケイ素またはケイ素合金の第２の部分は薄層中の気孔を充填する。冷却すると、間隙空間を充填するケイ素またはケイ素合金が凝固する。このケイ素またはケイ素合金は、溶融含浸ＣＭＣから抽出して多孔質プリフォームを形成するのに望ましい相である。

ケイ素を含有しないプリプレグスラリーを使用し、ケイ素またはケイ素合金の外部供給源を溶浸材として使用する溶融含浸を行う場合、スラリーは場合により炭化ケイ素およびカーボンブラックに加えて耐火性金属または化合物を含有することができる。耐火性金属は、残留ケイ素元素および／または低融点ケイ素合金と反応して耐火性ケイ化物を形成し、抽出する必要があるＭＩ ＣＭＣ中の全残留ケイ素またはケイ素合金含量を低下させるのに役立つ。適した耐火性金属および化合物には、モリブデン、ケイ化モリブデン（Ｍｏ₅Ｓｉ₃）、炭化モリブデン、窒化モリブデン、タンタル、炭化タンタル、ケイ化タンタル、窒化タンタル、ニオブ、炭化ニオブ、ケイ化ニオブ、窒化ニオブまたはこれらの組み合わせが含まれる。場合により、これらの材料をケイ素またはケイ素合金の外部供給源に組み込んで、一旦溶融体中のケイ素含量がカーボンブラックとの反応により十分に枯渇したら耐火性ケイ化物が形成するようにすることができる。このアプローチは、確実に耐火性ケイ化物が冷却時に残留ケイ素内に沈殿し、それによって抽出する必要がある低融点ケイ素またはケイ素合金の体積を減少させるようにするだろう。

適した抽出技術は、ＣＭＣ物品を多孔質材料で囲むステップと、ケイ素またはケイ素合金が溶融するまで加熱するステップとを含む粉末パック抽出（ｐｏｗｄｅｒ ｐａｃｋ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）法である。多孔質材料には、それだけに限らないが、カーボンブラック、黒鉛、工業用ダイアモンド、炭化ケイ素、窒化ケイ素、モリブデンとそのケイ化物、炭化物および窒化物、タングステンとそのケイ化物、炭化物および窒化物、タンタルとそのケイ化物、炭化物および窒化物、ならびに／あるいはニオブとそのケイ化物、炭化物および窒化物が含まれ得る。好ましい多孔質材料には、ケイ素またはケイ素合金を引き伸ばすための化学駆動力をもたらし、溶融含浸体中の炭化ケイ素と強力には反応せず、浅い反応層が存在する場合には粉砕またはグリッドブラスチングにより容易に除去されて確実に残った孔ネットワークがその後の溶浸のために開いているようにするものが含まれる。好ましい多孔質材料には、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ金属およびケイ化ニオブが含まれる。これらの材料は、残留ケイ素およびケイ素合金を十分に抽出し、ケイ化金属をＣＭＣ物品の表面上に形成することができ、グリッドブラスチングにより容易に除去されてＣＭＣ物品内の孔チャネルを露出させる。一旦露出したら、孔チャネルを、ＰＩＰ、ＭＩまたはＣＶＩ技術により炭化ケイ素に変換され得る１種または複数の前駆体で充填することができる。

別の適した抽出技術は、ＣＭＣ物品を、残留ケイ素合金に腐食性であるが、ＣＭＣ物品の任意の他の部品には腐食性ではない液体に暴露することにより行われる液相抽出法である。このような液体の例には、フッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化水素酸と他の酸の混合物、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ水溶液などの強塩基性溶液、ガリウム、インジウム、スズおよび水銀などの液体金属、ならびに液体金属、酸および塩基を含む多段階浸出工程がある。液相を加熱してこれらが残留ケイ素合金を溶解する速度を増加させることができる。これは、ケイ素合金除去工程を活性化するために高温を要する液体金属に特にあてはまる。熱処理を行って任意の汚染物質を除去する、例えば、孔チャネル中のフッ素または任意の金属を蒸発させることができる。前の通り、露出孔チャネルを、ＰＩＰ、ＭＩまたはＣＶＩ技術により炭化ケイ素に変換され得る１種または複数の前駆体で充填することができる。

別の適した抽出技術は、強い真空中、高温でのケイ素またはケイ素合金の気化である。前の通り、露出孔チャネルを、ＰＩＰ、ＭＩまたはＣＶＩ技術により炭化ケイ素に変換され得る１種または複数の前駆体で充填することができる。

一旦ＣＭＣ物品の高密度化が完了したら、得られたＣＭＣ物品は、好ましくは少なくとも９０体積％のケイ素系耐火性化合物を含み、この化合物には炭素、窒素、酸素、モリブデン、タンタル、ニオブおよびこれらの混合物などの元素が配合されたケイ素の１種または複数が含まれ得る。マトリックスはまた、最大５体積％までの気孔と、最大５体積％までの純粋なケイ素元素、低融点ケイ素合金（例えば、ケイ素−ホウ素合金）、低融点ケイ素系化合物（例えば、ケイ化鉄）および／またはこれらの組み合わせなどの低融点相（１４８０℃未満で溶融する相）とを含有してもよい。より好ましくは、ＣＭＣ物品は、５％未満の低融点相と気孔の和を含有するマトリックスを有する。より好ましいＣＭＣ物品は、５体積％未満の気孔を含有し、低融点相を本質的に含まないマトリックスを有する。

本発明により達成することができる密な微細構造の例を図４に示す。この微細構造は、ケイ素およびケイ素合金相を本質的に含まず、結果としてこの微小構造はケイ素およびその低融点合金の融点より上の温度に構造的および化学的に耐えることができる。例えば、微細構造は、ガスタービンエンジンに設置され、最高で１４８０℃より上およびおそらくはそれより高い温度に供され得る燃焼器ライナ、ブレード、ベーンおよびシュラウドなどのＣＭＣ部品に適している。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者により他の形態が採用され得ることが明らかである。例えば、上記工程に使用するパラメータおよび材料は記載されるものと異なっていてもよく、言及したもの以外の追加の材料および工程を含めてもよい。そのため、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

１０ ＣＦＣＣ材料、ＣＦＣＣ部品、部品
１２ 薄層
１４ 強化材、トウ
１６ 繊維
１８ セラミックマトリックス

Claims (7)

1. １つまたは複数の被覆層を炭化ケイ素繊維上に堆積させるステップと、
   前記被覆炭化ケイ素繊維を、スラリーを通して引いてスラリー被覆繊維材料を得るステップと、
   を含み、
   前記スラリーの組成は、ケイ素、カーボンブラック、及び窒化モリブデンを含み、
   前記スラリー被覆繊維材料から一方向プリプレグテープを製造するステップと、
   前記テープを積み重ねてプリフォームを形成するステップと、
   前記プリフォームを焼成して多孔質焼成プリフォームを得るステップと、
   次いで、前記多孔質焼成プリフォームから残留ケイ素元素又はケイ素合金を抽出し、その中の気孔を溶浸することにより高密度化してＣＭＣ物品を得るステップと
   を含み、
   前記高密度化することは、加熱分解すると、炭窒化ケイ素、オキシ炭窒化ケイ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるセラミックを形成するポリマー前駆体を含む一連のポリマー含浸熱分解ステップを含む、ケイ素含有ＣＭＣ物品を製造する方法。
2. 前記残留ケイ素元素および／または低融点ケイ素合金が、粉末パック抽出法を使用して抽出される、請求項１に記載の方法。
3. 前記粉末パック抽出法がモリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ金属およびケイ化ニオブからなる群から選択される多孔質材料を用いて行われる、請求項２に記載の方法。
4. 前記ＣＭＣ物品をガスタービンエンジンに設置するステップと、前記ＣＭＣ物品を少なくとも約１４８０℃の温度に供するステップとをさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記スラリーの組成は、ポリビニルブチラールおよびポリイソブチルメタクリレートをさらに含有している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記スラリーの組成は、トルエン、ＭＩＢＫ、またはエチルベンゼンをさらに含有している、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記スラリーの組成は、フタル酸ジブチルをさらに含有している、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。