專利名稱：通過(guò)使用膠態(tài)炭黑加工SiC/SiC陶瓷基體復(fù)合材料的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的方法，特別是生產(chǎn)那些具有致密陶瓷基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的方法。
在過(guò)去的五十年中，高溫材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)被需要它們?cè)谝髧?yán)格的結(jié)構(gòu)應(yīng)用所促進(jìn)，特別是在燃?xì)廨啓C(jī)中。目前在燃?xì)廨啓C(jī)的熱區(qū)中使用的材料是基于鎳和鈷的超級(jí)合金。在許多情況下，它們目前在約1100℃的溫度下使用。
陶瓷是耐火材料，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1100℃的溫度下具有穩(wěn)定性，所以對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用是有吸引力的。整料結(jié)構(gòu)陶瓷，例如SiC和Si3N4，已經(jīng)商品化超過(guò)四十年，但是還沒(méi)有應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)中，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈p傷容限和災(zāi)難性失效模式。但是，陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)，特別是用連續(xù)纖維增強(qiáng)的那些，提供了顯著的損傷容限和更好的失效模式。熔體滲透(MI)的SiC/SiC復(fù)合材料對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用是特別有吸引力的，因?yàn)樗鼈兣c其它CMC相比具有高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的耐熱沖擊性、耐蠕變性和抗氧化性。
已經(jīng)為了制造MI-CMC開(kāi)發(fā)了各種加工方案。在“漿料澆注(slurrycast)”方法中，纖維先進(jìn)行織造或者編織成織物，該織物然后堆疊形成復(fù)合材料預(yù)制體形式。然后通過(guò)化學(xué)氣相滲透(CVI)方法將纖維涂料涂覆到該預(yù)制體上。在預(yù)制體中剩余的孔隙率通常是30-40％，這些孔隙然后通過(guò)將)SiC顆粒漿料澆注(或粉漿澆注)到預(yù)制體中而被部分填充。最后的致密化步驟通常通過(guò)硅熔體滲透進(jìn)行。具體地說(shuō)，這種含有被涂覆的SiC纖維的復(fù)合材料預(yù)制體和SiC顆粒被加熱到約1420℃以上，同時(shí)與硅金屬源接觸。熔融的硅金屬很容易潤(rùn)濕SiC，所以容易通過(guò)毛細(xì)管方法拖入到預(yù)制體中剩余的未填充的孔中。對(duì)于滲透而言不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)力，并且復(fù)合材料預(yù)制體沒(méi)有任何尺寸變化。
另一種樹(shù)脂澆注技術(shù)依賴將熱固性樹(shù)脂浸漬入孔結(jié)構(gòu)中，作為用于后續(xù)熔體滲透步驟的碳源。這些樹(shù)脂通常包含二醇成孔劑以使焦炭開(kāi)口和能夠被熔融的硅轉(zhuǎn)化成SiC。但是，樹(shù)脂混合物本身通常是可燃的和有毒的。這些樹(shù)脂的熱解產(chǎn)物也是有毒的，并通常是致癌的。這些樹(shù)脂通常不僅需要浸漬步驟，而且需要壓力固化和熱解步驟以將純碳引入多孔預(yù)制體中。
例如，在美國(guó)專利5,865,922中公開(kāi)了生產(chǎn)具有致密陶瓷基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的方法，包括以下步驟通過(guò)常規(guī)化學(xué)氣相滲透(CVI)方法用合適的陶瓷材料將纖維預(yù)制體進(jìn)行部分稠化，得到具有較大體積分?jǐn)?shù)的互連孔的剛性體。被部分化學(xué)氣相滲透的該剛性體然后通過(guò)反應(yīng)成型加工，其中該剛性體用一種設(shè)計(jì)成用于生產(chǎn)受控微孔玻璃態(tài)碳基體的樹(shù)脂混合物滲透。該樹(shù)脂混合物由較高焦碳產(chǎn)率的樹(shù)脂、成孔劑和酸催化劑組成以允許樹(shù)脂的聚合。當(dāng)所得的多孔固體聚合物被熱解到高溫時(shí)，通過(guò)蒸餾除去成孔劑，該固體聚合物分解成玻璃態(tài)碳。該方法中的最后一個(gè)步驟是將復(fù)合材料基體的微孔碳轉(zhuǎn)化成碳化硅。這是通過(guò)將液體硅或液體硅合金引入該剛性體中以滲透碳和形成碳化硅完成的。如果使用硅合金(例如硅耐火金屬合金)，化合物耐火二硅化物在硅與碳反應(yīng)時(shí)沉淀出來(lái)。在任一種情況下，最終得到含有碳化硅和一些游離硅的致密基體，和在合金滲透的情況下，最終得到一些沉淀的二硅化物。因?yàn)檫@些樹(shù)脂的毒性，所以希望在碳滲透方法中不使用它們。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明改進(jìn)了上面一般描述的常規(guī)樹(shù)脂澆注方法，其中用工業(yè)的低成本的非毒性的水基碳漿料代替熱固性樹(shù)脂混合物。在CVI之后，該漿料被浸漬到多孔CMC、即纖維預(yù)制體中，作為熱固性樹(shù)脂的環(huán)保且便宜的替代品。另外，該漿料在CMC的內(nèi)部孔隙中產(chǎn)生了多孔碳?xì)堄辔?，所以不再需要成孔劑。在示例性?shí)施方案中，炭黑在水中的工業(yè)膠態(tài)懸浮液用作滲透漿料。
在本領(lǐng)域公知的是，產(chǎn)生碳的浸漬劑(例如呋喃樹(shù)脂)大大提高了SiC基CMC對(duì)于熔融的硅的潤(rùn)濕能力。與呋喃樹(shù)脂相比，本發(fā)明的水基碳漿料含有較低濃度的碳。但是，由于呋喃樹(shù)脂需要用成孔劑改性以使熔融的硅能夠到達(dá)部件的內(nèi)部，所以高的碳填充量不是必要的。在浸入之后，從漿料容器中取出預(yù)制體，并放入合適的真空室中。該真空室然后被抽空到漿料開(kāi)始沸騰或起泡的程度。然后釋放真空，取出預(yù)制體。該預(yù)制體然后通過(guò)常規(guī)硅熔體滲透被完全稠化。
因此，在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種形成陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強(qiáng)的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預(yù)制體浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預(yù)制體，將預(yù)制體放入真空室中并抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預(yù)制體。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種形成陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)的方法，包括(a)將預(yù)制體部分致密化到10-45％的孔隙率；(b)將預(yù)制體浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(c)將預(yù)制體放入真空室中并將該室抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡的程度；(d)釋放真空并取出預(yù)制體；(e)將預(yù)制體放入加熱的烘箱中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和將碳粉浸漬的CMC浸入熔融的硅中，實(shí)現(xiàn)預(yù)制體的所需致密化。
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。
附圖
簡(jiǎn)述附圖是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的形成CMC復(fù)合材料方法的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，先通過(guò)例如在’922專利中描述的常規(guī)方法制備SiC/SiC預(yù)制體。在該方法中，碳化硅耐火材料用作纖維增強(qiáng)材料的基體。參考附圖，根據(jù)示例性實(shí)施方案的方法中，先將纖維束10織造或編織成織物12。切割該織物并堆疊形成所需形狀的復(fù)合材料預(yù)制體14。該纖維預(yù)制體然后被放入室16中進(jìn)行常規(guī)的化學(xué)氣相滲透(CVI)。在CVI工藝中，陶瓷涂層被涂覆到預(yù)制體纖維上以使其變硬以進(jìn)行進(jìn)一步加工和/或保護(hù)纖維不受進(jìn)一步加工的破壞。所得的部分稠化的預(yù)制體可以具有小到10體積％或高達(dá)60體積％的孔體積(通常是12-28％)。
然后，將預(yù)制體14放入裝有炭黑顆粒在水溶液中的膠態(tài)懸浮液或漿料的容器18中。一種合適的商業(yè)可得的溶液是以商品名Aqua DagTM銷售。但是，應(yīng)該理解的是，其它含有炭黑的水溶液也可以使用。該溶液用作滲透劑以在CVI之后和在最終的稠化之前將碳供應(yīng)給預(yù)制體。在多孔SiC/SiC預(yù)制體14被浸入漿料浴20中達(dá)到所需的時(shí)間之后，取出該預(yù)制體，放入真空室22。真空室22被抽真空到浸漬的漿料剛好開(kāi)始沸騰或起泡的程度。然后釋放真空，從真空室中取出預(yù)制體。然后將預(yù)制體14放入加熱的烘箱24中以從預(yù)制體14中除去水，得到碳粉浸漬的CMC。碳粉浸漬的CMC然后用純的熔融硅滲透以將該預(yù)制體完全致密化。碳與熔融的硅反應(yīng)，形成碳化硅。碳在預(yù)制體中的存在也提供了在最終致密化步驟中的良好潤(rùn)濕特性，保證了在預(yù)制體中任何剩余的孔被基本上完全填充。結(jié)果得到含有碳化硅和一些游離硅的致密基體，游離硅的含量主要取決于孔在預(yù)制體中的體積分?jǐn)?shù)。
上述方法可以用于生產(chǎn)氣輪機(jī)元件例如燃?xì)廨啓C(jī)罩蓋、燃燒室襯里和其它需要具有耐高溫性的元件。
雖然目前描述了本發(fā)明最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施方案，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于上面公開(kāi)的實(shí)施方案，相反，意在包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和等同方案。
附圖標(biāo)記說(shuō)明纖維束10織物12復(fù)合材料預(yù)制體14室16容器18漿料浴20真空室22加熱烘箱2權(quán)利要求
1.一種形成陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強(qiáng)的織物(12)；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預(yù)制體(14)浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預(yù)制體(14)，將預(yù)制體(14)放入真空室(22)中并抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預(yù)制體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(b)之后，預(yù)制體(14)具有10-45％的體積孔隙率。
3.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括(f)將預(yù)制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC。
4.權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括(g)用熔融的硅滲透預(yù)制體(14)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)是通過(guò)將纖維增強(qiáng)的預(yù)制體(14)放入室(16)中并使用化學(xué)氣相滲透以涂覆纖維進(jìn)行的。
6.一種形成陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)的方法，包括(a)將預(yù)制體(14)部分致密化到10-60％的孔隙率；(b)將預(yù)制體(14)浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(c)將預(yù)制體(14)放入真空室(16)中并將室(16)抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡的程度；(d)釋放真空并取出預(yù)制體；(e)將預(yù)制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和將碳粉浸漬的CMC浸入熔融的硅中，實(shí)現(xiàn)預(yù)制體的所需致密化。
7.權(quán)利要求6的方法，其中步驟(a)是通過(guò)將纖維增強(qiáng)的預(yù)制體放入室(16)中并使用化學(xué)氣相滲透進(jìn)行的。
8.一種從陶瓷基體復(fù)合材料制備汽輪機(jī)元件的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強(qiáng)的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預(yù)制體(14)浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預(yù)制體(14)，將預(yù)制體放入真空室(16)中并將該室抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預(yù)制體。
9.權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括(f)將預(yù)制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和
10.權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括(g)用熔融的硅滲透預(yù)制體(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)的方法，包括以下步驟(a)提供織造或編織的用纖維增強(qiáng)的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預(yù)制體浸入炭黑在水中的膠態(tài)懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預(yù)制體，將預(yù)制體放入真空室中并將該室抽真空直到漿料開(kāi)始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預(yù)制體。
文檔編號(hào)C04B35/78GK1749216SQ200510091659
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者D·J·蘭迪尼, R·L·K·馬特蘇莫托, D·M·多曼斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司