使用化學(xué)氣相滲透(cvi)制造的層狀材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】預(yù)制品可經(jīng)歷化學(xué)蒸氣滲透(CVI)，以限定陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)，可將補(bǔ)充預(yù)制品加入到CMC結(jié)構(gòu)中，以限定擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，和可使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI?？芍貜?fù)加入補(bǔ)充預(yù)制品和使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI。
【專利說明】使用化學(xué)氣相滲透(CVI)制造的層狀材料結(jié)構(gòu)
[0001]本公開總體上涉及層狀材料結(jié)構(gòu)，具體地，本公開涉及使用化學(xué)氣相滲透制造的層狀材料結(jié)構(gòu)。
[0002]背景
為了使用化學(xué)氣相滲透(CVI)制造陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)，可提供預(yù)制品。預(yù)制品可包括纖維，其可為例如單向?qū)踊蚩椩煨问?。在一種形式中，纖維可為基于陶瓷的，并且可由SiC形成?？蓪㈩A(yù)制品放置在CVI反應(yīng)室中。在反應(yīng)室內(nèi)，在升高的溫度下，可將預(yù)制品暴露于某些氣體。在升高的溫度下暴露于某些氣體時，可發(fā)生反應(yīng)，稱為基質(zhì)的固體材料可在預(yù)制品的纖維上沉積。
[0003]使用化學(xué)氣相滲透(CVI)制備的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)可潛在地在高達(dá)并且大于2700°F的溫度下使用。CVI CMC結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵的限制是該結(jié)構(gòu)可含有顯著的孔隙率(例如，15%和更多)?？紫堵士呻S著厚度而提高，并且可顯著影響平面內(nèi)和薄層間性質(zhì)以及復(fù)合材料的總體抗氧化性。
[0004]簡述
根據(jù)本文描述的方法，預(yù)制品可經(jīng)歷化學(xué)氣相滲透(CVI)，以限定陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)，可將補(bǔ)充預(yù)制品加入到CMC結(jié)構(gòu)中，以限定擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，和可使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI。加入補(bǔ)充預(yù)制品和使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI可重復(fù)零次或多次。
[0005]相對于根據(jù)具有單一CVI階段的方法制造的單層結(jié)構(gòu)，所得到的層狀材料結(jié)構(gòu)的特征可為在其整個厚度內(nèi)提高的平均密度，并且在其整個厚度內(nèi)更均勻的密度。
[0006]本發(fā)明包括以下方面:
方面1.一種制造層狀材料結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括:
使預(yù)制品經(jīng)歷化學(xué)蒸氣滲透(CVI)，以限定致密化的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)； 將補(bǔ)充預(yù)制品加入到CMC結(jié)構(gòu)，以限定擴(kuò)展結(jié)構(gòu)；
使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI。
[0007]方面2.方面I的方法，其中所述方法包括重復(fù)所述加入和所述實(shí)施。
[0008]方面3.方面I的方法，其中所述方法包括實(shí)施所述方法使得所得到的結(jié)構(gòu)成型為指定形狀。
[0009]方面4.方面3的方法，其中所述指定形狀為渦輪部件。
[0010]方面5.方面4的方法，其中所述渦輪部件選自燃燒襯里、葉輪、葉片(blade)、噴嘴、葉片(bucket)、過渡件、渦輪中心框和罩。
[0011]方面6.方面4的方法，其中實(shí)施所述方法使得所得到的結(jié)構(gòu)具有渦輪部件的指定形狀，包括使用模具。
[0012]方面7.方面I的方法，其中一個或多個所述預(yù)制品或所述補(bǔ)充預(yù)制品包括單向纖維。
[0013]方面8.方面7的方法，其中所述單向纖維包括纖維涂層。
[0014]方面9.方面7的方法，其中所述單向纖維包括SiC。
[0015]方面10.方面I的方法，其中所述預(yù)制品和補(bǔ)充預(yù)制品的敞開的孔隙率含量為約20%-約80%。
[0016]方面11.方面I的方法，其中所述實(shí)施CVI包括在擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)沉積選自以下的材料:SiC、Si3N4、BN、B4C、MoSi2、Si02、Si0C、SiNC 和 S1NC。
[0017]方面13.方面I的方法，其中所述方法包括使預(yù)制品成型，以限定渦輪部件表面的形狀。
[0018]方面14.方面I的方法，其中所述方法包括使用所述致密化的CMC結(jié)構(gòu)作為模具使所述補(bǔ)充預(yù)制品成型。
[0019]方面15.方面I的方法，其中一個或多個所述經(jīng)歷或?qū)嵤┌ㄔ谖催_(dá)到產(chǎn)生最大致密化的量的情況下停止?jié)B透。
[0020]方面16.—種層狀材料結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包含:
與第二 CMC結(jié)構(gòu)接合的第一 CMC結(jié)構(gòu)，所述第二 CMC結(jié)構(gòu)與所述第一 CMC結(jié)構(gòu)相鄰；
其中第一 CMC結(jié)構(gòu)的密度分布與第二 CMC結(jié)構(gòu)的密度分布不連續(xù)。
[0021]方面17.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其中所述第一CMC結(jié)構(gòu)具有第一厚度，該第一厚度具有U形密度分度，而第二 CMC結(jié)構(gòu)具有第二厚度，該第二厚度具有不是U形的密度分布。
[0022]方面18.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其中所述層狀材料結(jié)構(gòu)包括中心厚度部分、第一末端厚度部分和第二末端厚度部分，其中所述中心厚度部分具有U形密度分布，而第一末端厚度部分和第二末端厚度部分具有坡形密度分布。
[0023]方面19.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其中在第一CMC結(jié)構(gòu)和第二CMC結(jié)構(gòu)之間的界面處的密度為逐級不連續(xù)的。
[0024]方面20.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其成型為渦輪部件形狀。
[0025]方面21.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其中所述層狀材料結(jié)構(gòu)包括限定層狀材料結(jié)構(gòu)的末端表面的CMC結(jié)構(gòu)，其中比起不限定層狀材料結(jié)構(gòu)的末端表面的層狀材料結(jié)構(gòu)的CMC結(jié)構(gòu)，所述限定末端表面的CMC結(jié)構(gòu)具有較低的最大密度。
[0026]方面22.方面16的層狀材料結(jié)構(gòu)，其中比起層狀材料結(jié)構(gòu)的中心厚度部分，層狀材料結(jié)構(gòu)的末端厚度部分具有較低的最大密度。
[0027]附圖簡述
圖1為說明層狀材料結(jié)構(gòu)的制造的流程圖；
圖2為預(yù)制品(預(yù)制品結(jié)構(gòu))的透視圖；
圖3為沿著圖2的線A-A取的橫截面圖，具有橫截面的密度分布；
圖4為在圖2的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷CVI以限定加工的結(jié)構(gòu)之后，沿著圖2的線A-A取的橫截面圖，具有加工的結(jié)構(gòu)的密度分布；
圖5為說明在一種實(shí)施方案中的層狀材料結(jié)構(gòu)的透視組件圖；
圖6為在圖5的層狀材料結(jié)構(gòu)經(jīng)歷CVI以限定加工的層狀材料結(jié)構(gòu)之后，沿著圖5的線B-B取的橫截面圖，具有層狀材料結(jié)構(gòu)的密度分布；
圖7為說明在一種實(shí)施方案中的層狀材料結(jié)構(gòu)的透視組件圖；
圖8為在圖7的層狀材料結(jié)構(gòu)經(jīng)歷CVI以限定加工的層狀材料結(jié)構(gòu)之后，沿著圖7的線C-C取的橫截面圖，具有層狀材料結(jié)構(gòu)的密度分布；
圖9和10說明使用參考圖7-8描述的方法和使用備選的過程控制制造的結(jié)構(gòu)；
圖11為說明使用指定形狀制造結(jié)構(gòu)的方法的圖； 圖12為說明制造具有指定形狀的結(jié)構(gòu)的方法的圖。
[0028]詳述
參考圖1，描述了制造包括多個層結(jié)構(gòu)的層狀材料結(jié)構(gòu)的方法。在方框10，預(yù)制品可經(jīng)歷化學(xué)氣相滲透(CVI)，以限定陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在方框20，可將補(bǔ)充預(yù)制品加入到CMC結(jié)構(gòu)中，以限定擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。在方框40，可使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI。方框20和40可重復(fù)(方框30)零次或多次。參考各種說明性實(shí)施例來描述圖1的方法的優(yōu)點(diǎn)，如本文描述的。
[0029]相對于其中具有約M的厚度的單一預(yù)制品經(jīng)歷CVI以限定具有約M的特定厚度的加工結(jié)構(gòu)的備選方法，使用圖1的重復(fù)方法(其中在重復(fù)階段中多個預(yù)制品經(jīng)歷CVI加工)制造的特定厚度M的所得結(jié)構(gòu)可具有提高的平均密度和更均勻的密度。
[0030]參考圖2-4，本文描述各種特征和方面，顯示使用CVI制造具有約M的厚度的CMC結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)制造方法。在參考圖2-4描述的制造方法中，在單一 CVI加工階段中，具有約M的厚度的預(yù)制品102 (圖2)可經(jīng)歷CVI，以限定具有約M的厚度的CMC結(jié)構(gòu)103 (圖4)。相對于預(yù)制品102 (圖2)，CMC結(jié)構(gòu)103 (圖4)可具有較高的密度但是降低的密度均勻性。
[0031]圖2顯示預(yù)制品102的透視圖。在圖2中顯示的預(yù)制品102可具有X、Y和Z(厚度尺寸)，如通過說明的坐標(biāo)軸描述的。在圖2描述的實(shí)施方案中，在與說明的Z軸平行的方向，預(yù)制品102可具有約M的厚度。圖3顯示在預(yù)加工的階段的預(yù)制品102以及在預(yù)加工的階段預(yù)制品102的相關(guān)的密度分布。在圖3的上部顯示在與Z軸(厚度尺寸)平行的方向沿著圖2的線A-A取的結(jié)構(gòu)102的橫截面圖。在圖3的下部顯示在預(yù)制品102的整個厚度內(nèi)預(yù)制品102在預(yù)加工階段的材料密度的密度圖。在預(yù)加工階段(圖3)，可見結(jié)構(gòu)102具有Do的基本上均勻的密度。
[0032]圖4說明在經(jīng)歷CVI后圖2和3的結(jié)構(gòu)102。在經(jīng)歷CVI后，圖2和3的結(jié)構(gòu)102限定致密化的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)103，如在圖4中描述的。在圖4中顯示在經(jīng)過結(jié)構(gòu)103的厚度(在與說明的Z軸平行的方向)上，致密化的CMC結(jié)構(gòu)103在加工階段的相關(guān)密度分布。參考圖4，致密化的CMC結(jié)構(gòu)103 (CVI后的結(jié)構(gòu))的最低密度為D1，而在圖3中說明的結(jié)構(gòu)102(在實(shí)施CVI之前的結(jié)構(gòu)102)的最低密度為基本上均勻的密度Do。進(jìn)一步參考圖4，在致密化的CMC結(jié)構(gòu)103的整個厚度上，致密化的CMC結(jié)構(gòu)103 (在實(shí)施CVI之后)的密度可為不均勻的。在致密化的CMC結(jié)構(gòu)1 3的中心厚度處，結(jié)構(gòu)103可具有密度D1，D1 >Do，而朝向致密化結(jié)構(gòu)103的表面104和表面105，結(jié)構(gòu)103可具有密度D^DOD1。當(dāng)開始CVI時，接近表面104和表面105的孔傾向于閉合，因此可限制朝向致密化的CMC結(jié)構(gòu)103的中心厚度實(shí)施的致密化程度。
[0033]觀察到使用CVI制造的制造CMC結(jié)構(gòu)的密度大的下降可為不利的。還觀察到可有利地提供在其整個厚度內(nèi)具有基本上均勻密度的CMC結(jié)構(gòu)。參考圖1描述的方法可提供各種優(yōu)點(diǎn)。例如，使用在圖1中描述的方法，可制造具有厚度M的CMC結(jié)構(gòu)，相對于使用在圖2-4中描述的方法制造的致密化的CMC結(jié)構(gòu)103，其可包括提高的密度和密度均勻性。
[0034]參考方框10和圖5的透視圖，具有厚度N1的結(jié)構(gòu)202可經(jīng)歷CVI，以限定致密化的CMC結(jié)構(gòu)203。參考方框20和圖5，可將具有厚度N2(N2〈M)的補(bǔ)充預(yù)制品302加入到致密化的CMC結(jié)構(gòu)203，以限定具有約M的厚度的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)402。當(dāng)將預(yù)制品302加入到CMC結(jié)構(gòu)203時，預(yù)制品302的粘合劑材料可用于保持預(yù)制品302在相對于CMC結(jié)構(gòu)203的適合位置。參考方框40和圖5，擴(kuò)展結(jié)構(gòu)402可經(jīng)歷CVI，以限定致密化的CMC結(jié)構(gòu)403 (圖6)。致密化的CMC結(jié)構(gòu)403可包括通過使預(yù)制品202經(jīng)歷CVI限定的致密化的CMC結(jié)構(gòu)203和通過使預(yù)制品302經(jīng)歷CVI限定的致密化的CMC結(jié)構(gòu)303。致密化的CMC結(jié)構(gòu)403可具有約M的總厚度。
[0035]參考圖6，在圖6的上部說明在經(jīng)歷CVI以限定CMC結(jié)構(gòu)403之后，沿著圖5的線B-B(在與Z軸平行的方向的厚度尺寸)取的橫截面圖。參考圖6的下部，在圖6的下部說明在CMC結(jié)構(gòu)403的整個厚度內(nèi)(在與Z軸平行的方向)圖6的結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷CVI之后的密度分布。
[0036]參考圖6，根據(jù)在加工階段的致密化CMC結(jié)構(gòu)103，致密化的CMC結(jié)構(gòu)203的密度分布通常為U形，在致密化的CMC結(jié)構(gòu)203的中心厚度處具有最低密度，朝向表面204和205具有提高的密度。比較圖6的密度分布與圖4的密度分布，致密化的CMC結(jié)構(gòu)203的最低密度可為D3，其中DCD1。作為結(jié)構(gòu)203的厚度犯小于結(jié)構(gòu)103的厚度M的結(jié)果，致密化的CMC結(jié)構(gòu)203的最低中心厚度密度可大于致密化的CMC結(jié)構(gòu)103的最低中心厚度密度。隨著經(jīng)歷CVI的預(yù)制品的厚度降低，在經(jīng)歷CVI的結(jié)構(gòu)的整個厚度內(nèi)，CVI致密化可更加顯著。
[0037]進(jìn)一步參考圖6，致密化的CMC結(jié)構(gòu)303的密度分布可通常為坡形，并且特征可在于在結(jié)構(gòu)303的整個厚度內(nèi)從第一表面304到第二表面305提高的密度。在圖6的實(shí)施方案中，當(dāng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)402 (圖5)經(jīng)歷CVI加工時，第一表面304可毗鄰致密化的CMC結(jié)構(gòu)203，而第二表面305可暴露于氣體。當(dāng)開始CVI加工時，接近表面305的孔(限定CMC結(jié)構(gòu)403的末端表面)傾向于閉合，以在漸進(jìn)遠(yuǎn)離表面305的距離限制CVI致密化。在圖6的實(shí)施方案中，CMC結(jié)構(gòu)203和CMC結(jié)構(gòu)303可具有大致相同的厚度，并且CMC結(jié)構(gòu)303可具有D2的最低密度，其中D2約等于Di (圖4)。當(dāng)N2大于N1時，D2可小于D1。當(dāng)N2小于沁時，D2可大于D1。
[0038]比較通過圖1的重復(fù)過程制造的在圖6中說明的結(jié)構(gòu)403(約M的厚度)的密度分布與在圖4中顯示的在加工階段中結(jié)構(gòu)103(約M的厚度)的密度分布，可見其中可重復(fù)實(shí)施一次或多次CVI加工和結(jié)構(gòu)加入階段的本文描述的重復(fù)制造過程可提高結(jié)構(gòu)的平均密度以及提高制造的結(jié)構(gòu)的密度均勻性。在圖6中顯示的CMC結(jié)構(gòu)403的平均密度Da6可大于參考圖4描述的CMC結(jié)構(gòu)103的平均密度Dm。在另一方面，比起在圖4中顯示的CMC結(jié)構(gòu)103，使用在圖1中顯示的重復(fù)制造方法制造的在圖6中顯示的CMC結(jié)構(gòu)403可具有更均勻的密度。
[0039]在一種實(shí)施方案中，比起具有較不均勻密度的CMC結(jié)構(gòu)，在CMC結(jié)構(gòu)的整個厚度內(nèi)，具有更均勾密度的CMC結(jié)構(gòu)特征可在于最大密度和最低密度之間的差異較小。在一種實(shí)施方案中，比起具有較不均勻密度的CMC結(jié)構(gòu)，在CMC結(jié)構(gòu)的整個厚度內(nèi)，具有更均勻密度的CMC結(jié)構(gòu)特征可在于具有較小的密度標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0040]在一種實(shí)施方案中，在參考圖1描述的重復(fù)制造方法中，通過結(jié)合使用另外的預(yù)制品，可實(shí)現(xiàn)提高CMC結(jié)構(gòu)的平均密度和CMC結(jié)構(gòu)的密度均勻性。參考圖5-6，描述了一種方法，其中具有M的組合厚度的第一和第二預(yù)制品用于重復(fù)CVI制造方法。在圖7和圖8的重復(fù)CVI制造方法中，具有M的組合厚度的第一、第二和第三預(yù)制品用于制造CMC結(jié)構(gòu)。
[0041]參考方框10和圖7的透視圖，具有厚度上的預(yù)制品502(圖7的左側(cè))可經(jīng)歷CVI，以限定具有厚度Ji的致密化的CMC結(jié)構(gòu)503 (圖7的右側(cè))。參考方框20和圖7 (右側(cè))，可將具有相應(yīng)的厚度J2 (J2 MMPJ3 (J3 M)的補(bǔ)充預(yù)制品602和702加入到致密化的CMC結(jié)構(gòu)503，以限定具有約M的厚度的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)802。參考方框40和圖7，擴(kuò)展結(jié)構(gòu)802可經(jīng)歷CVI，以限定致密化的CMC結(jié)構(gòu)803 (圖8)。在圖7-8的具體實(shí)例中，預(yù)制品結(jié)構(gòu)502、602、702的厚度可大致相同。在一個實(shí)例中，每一個厚度J1、J2和J3可為約M/3。在另一個實(shí)例中，厚度J1JdPJ3可不相等。
[0042]在圖8中顯示的致密化的CMC結(jié)構(gòu)803可包括通過使預(yù)制品602經(jīng)歷CVI限定的致密化的CMC結(jié)構(gòu)603和通過使預(yù)制品70 2經(jīng)歷CVI限定的致密化的CMC結(jié)構(gòu)70 3以及致密化的CMC結(jié)構(gòu)503。致密化的CMC結(jié)構(gòu)803可具有約M的總厚度。
[0043]進(jìn)一步參考圖8，圖8的上部說明在結(jié)構(gòu)802經(jīng)歷CVI以限定CMC結(jié)構(gòu)803之后，沿著圖7的線C-C (在與說明的Z軸平行的方向的厚度尺寸)取的橫截面圖。參考圖8的下部，圖8的下部說明圖8的結(jié)構(gòu)經(jīng)過CMC結(jié)構(gòu)803的厚度的密度分布。
[0044]參考圖8，根據(jù)在加工階段的致密化的CMC結(jié)構(gòu)103，致密化的CMC結(jié)構(gòu)503的密度分布通常為U形，在致密化的CMC結(jié)構(gòu)503的中心厚度處具有最低密度，朝向表面504和505具有提高的密度。比較圖8的密度分布與圖6的密度分布，致密化的CMC結(jié)構(gòu)503的最低密度可為D4，其中D4>D3。作為結(jié)構(gòu)503的厚度上小于結(jié)構(gòu)203的厚度N1的結(jié)果，致密化的CMC結(jié)構(gòu)503的最低中心厚度密度可大于致密化的CMC結(jié)構(gòu)203 (圖6)的最低中心厚度密度。隨著經(jīng)歷CVI的預(yù)制品的厚度降低，在經(jīng)歷CVI的結(jié)構(gòu)的整個厚度內(nèi)，CVI致密化可更加顯著。
[0045]進(jìn)一步參考圖8，致密化的CMC結(jié)構(gòu)603和致密化的CMC結(jié)構(gòu)703的密度分布可通常為坡形，并且特征可在于從表面605到表面604和從表面704到表面705總體上提高的密度。在圖7的實(shí)施方案中，當(dāng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)802 (圖7)經(jīng)歷CVI加工時，表面605和表面704可毗鄰致密化的CMC結(jié)構(gòu)503，而表面604和表面705可暴露于氣體。當(dāng)開始CVI加工時，接近表面605和705的孔(限定CMC結(jié)構(gòu)803的末端表面)傾向于閉合，以在逐漸遠(yuǎn)離表面604和表面705的距離限制CVI致密化。
[0046]比較圖8的密度分布與圖6的密度分布，比起使用兩個CVI階段制造的如在圖6中顯示的CMC結(jié)構(gòu)403的平均密度DA6，使用兩個CVI階段制造的如在圖8中顯示的CMC結(jié)構(gòu)803可具有更高的平均密度Das。此外，相對于CMC結(jié)構(gòu)403 (圖6)，CMC結(jié)構(gòu)803 (圖6)可具有改進(jìn)的密度均勻性。
[0047]比較圖8和圖6的密度分布與圖4的密度分布，可見根據(jù)本文描述的重復(fù)方法制造的層狀材料CMC結(jié)構(gòu)(例如，結(jié)構(gòu)403和結(jié)構(gòu)803)可具有與使用單一 CVI階段制造的結(jié)構(gòu)(例如，結(jié)構(gòu)103)不同的某些特性。
[0048]參考圖4的密度分布，使用單一CVI階段制造的結(jié)構(gòu)可具有連續(xù)的密度分布。經(jīng)過使用單一 CVI階段制造的結(jié)構(gòu)的密度在經(jīng)過其厚度的密度方面可能不存在逐級不連續(xù)性。然而，層狀材料結(jié)構(gòu)(例如，根據(jù)在圖1中描述的方法制造的結(jié)構(gòu)403或結(jié)構(gòu)803)可具有不連續(xù)的密度分布。根據(jù)在圖1中描述的方法制造的層狀材料結(jié)構(gòu)的密度分布特征可在于過渡，其中制造的結(jié)構(gòu)的密度逐級不連續(xù)地變化至更大或更小的密度值。
[0049]在參考圖6說明的具體實(shí)施方案中，經(jīng)過結(jié)構(gòu)203的厚度的一組密度可限定U形，而經(jīng)過結(jié)構(gòu)303的厚度的一組密度可限定坡形。在表面205和表面304之間的界面處，結(jié)構(gòu)403的密度可為不連續(xù)的，并且可逐級變化至較小的值。
[0050]在參考圖8說明的具體實(shí)施方案中，經(jīng)過結(jié)構(gòu)503的厚度的一組密度可限定U形，而經(jīng)過結(jié)構(gòu)603的厚度和經(jīng)過結(jié)構(gòu)703的厚度的一組密度可限定坡形。在表面605和表面504之間的界面處，結(jié)構(gòu)803的密度可為不連續(xù)的，并且可逐級變化至較大的值。在表面505和表面704之間的界面處，結(jié)構(gòu)803的密度可為不連續(xù)的，并且可逐級變化至較小的值。
[0051 ]例如參考圖8描述了層狀材料結(jié)構(gòu)803，其中第一 CMC結(jié)構(gòu)503具有第一厚度，該第一厚度具有U形密度分布，而第二 CMC結(jié)構(gòu)603具有第二厚度，該第二厚度具有不是U形的密度分布。
[0052]例如參考圖8描述了層狀材料結(jié)構(gòu)803，其中層狀材料結(jié)構(gòu)包括中心厚度部分、第一末端厚度部分和第二末端厚度部分，其中中心厚度部分具有U形密度分布，而第一末端厚度部分和第二末端厚度部分具有坡形密度分布。
[0053]關(guān)于與圖1的方法一起使用的預(yù)制品202、302、502、602、702，在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702可包括單向纖維(絲束)。關(guān)于預(yù)制品202、302、502、602、702，在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702可包括制造纖維。纖維可通過陶瓷纖維提供。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可具有多晶結(jié)構(gòu)。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可包括非化學(xué)計量的化學(xué)組成。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可包括化學(xué)計量的化學(xué)組成。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可通過單晶纖維提供。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可通過無定形纖維提供。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可包括非均質(zhì)化學(xué)組成。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可通過碳化硅(SiC)纖維提供。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可通過多晶SiC纖維提供。預(yù)制品202、302、502、602、702可包括在經(jīng)歷CVI之前允許預(yù)制品成型為期望的形狀的粘合劑材料。
[0054]在一種實(shí)施方案中，可提供預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維，以在超過1000°(:的溫度下穩(wěn)定。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可不存在纖維涂層。在一種實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702的陶瓷纖維可包括纖維涂層。這樣的纖維涂層可為纖維固有的或者可事先沉積，例如，經(jīng)由CVI或通過另一個過程來》幾積。進(jìn)一步關(guān)于本文描述的預(yù)制品，本文描述的預(yù)制品(例如，預(yù)制品202、302、502、602、702)可包括一個或多個層。
[0055]在本文的未加工的階段，預(yù)制品202、302、502、602、702的孔隙率可變化。在一種實(shí)施方案中，在經(jīng)歷CVI之前，在未加工的階段，預(yù)制品202、302、502、602、702可各自具有約20%-約90%的基本上均勻的孔隙率(例如，Ι/Do)，因此密度為約80%-約10%。在一種更具體的實(shí)施方案中，預(yù)制品202、302、502、602、702可具有約40%-約75%的孔隙率，因此約60%-約25%的密度。本文可提供預(yù)制品202、302、502,602、702，以包括共同的材料和結(jié)構(gòu)特性，包括共同的纖維材料特性和孔隙率特性。
[0056]在圖5-8的實(shí)施方案中，可實(shí)施CVI加工，使得當(dāng)經(jīng)歷CVI時，經(jīng)歷CVI的每一個預(yù)制品202、302、502、602、702可轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾旅芑癄顟B(tài)De。當(dāng)接近預(yù)制品的暴露表面的孔基本上閉合以基本上防止在與暴露表面間隔的部分致密化時，可實(shí)現(xiàn)最大致密化狀態(tài)。在圖5-8的實(shí)施方案中，描述了圖1的方法的簡化實(shí)例，用于說明目的。應(yīng)理解的是，通過操縱每一個新的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的致密化(方框20)，可提供更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。采用這樣的方式，經(jīng)過所得到的CMC結(jié)構(gòu)的孔隙率可分級，以優(yōu)化加工時間和所得到的CMC結(jié)構(gòu)的性質(zhì)之間的平衡。
[0057]在另一實(shí)施方案中，可控制本文描述的CVI過程，使得可提供小于最大致密化的結(jié)構(gòu)致密化，D〈De。在圖9的實(shí)例中，圖9說明通過參考圖7和圖8描述的方法制造的結(jié)構(gòu)，不同之處在于，當(dāng)預(yù)制品502經(jīng)歷CVI時具有不同的控制。
[0058]參考圖9，可在未達(dá)到提供限定的CMC結(jié)構(gòu)503的最大致密化De的滲透水平的情況下，停止預(yù)制品502的CVI加工。參考圖9，可提供預(yù)制品502的CVI，使得限定的CMC結(jié)構(gòu)502具有小于De的最大密度。參考圖9，在這樣的實(shí)施方案中，經(jīng)過CMC結(jié)構(gòu)503的厚度的致密化可提供為U形，但是比起在圖8的實(shí)例中提供的，在較低的致密化水平。圖9的虛線圖8001說明參考圖8描述的CMC結(jié)構(gòu)503的密度分布。通過圖9指示的加工可為有利的，例如，其中期望降低結(jié)構(gòu)802的表面界面之間的致密化"跳躍”的幅度，或當(dāng)不需要最大密度用于熱性質(zhì)或機(jī)械性質(zhì)時。
[0059]參考圖10，可在未達(dá)到提供限定的CMC結(jié)構(gòu)603和限定的CMC結(jié)構(gòu)703的最大致密化De的滲透水平的情況下，停止預(yù)制品602和預(yù)制品702的CVI加工。參考圖9，在這樣的實(shí)施方案中，經(jīng)過CMC結(jié)構(gòu)603和結(jié)構(gòu)703的厚度的致密化可提供為坡形，但是比起在圖8的實(shí)例中提供的，在較低的致密化水平。如在圖10中所示的虛線圖8002說明參考圖8描述的CMC結(jié)構(gòu)603和703的密度分布。參考圖10描述的加工可為有利的，例如，比起限定結(jié)構(gòu)803的末端表面604和705的結(jié)構(gòu)803的末端厚度部分，其中期望提供在結(jié)構(gòu)803的中心厚度部分(例如，經(jīng)過結(jié)構(gòu)503的厚度)具有較高致密化的結(jié)構(gòu)803。
[0060]例如參考圖10描述了層狀材料結(jié)構(gòu)803，其中層狀材料結(jié)構(gòu)包括CMC結(jié)構(gòu)，例如限定層狀材料結(jié)構(gòu)803的末端表面604的結(jié)構(gòu)603，其中比起不限定層狀材料結(jié)構(gòu)的末端表面的層狀材料結(jié)構(gòu)的CMC結(jié)構(gòu)(例如結(jié)構(gòu)503)，限定末端表面604的CMC結(jié)構(gòu)603具有較低的最大密度。例如參考圖10，比起層狀材料結(jié)構(gòu)803的中心厚度部分，層狀材料結(jié)構(gòu)803的末端厚度部分可具有較低的最大密度。
[0061]本文提供的制造層狀材料結(jié)構(gòu)的方法可包括制造層狀材料結(jié)構(gòu)，以包括指定形狀。為了提供層狀材料結(jié)構(gòu)以包括指定形狀，可提供包括具有指定形狀的一個或多個表面的模具。在一個實(shí)例中，在方框10，可將預(yù)制品放置在具有根據(jù)指定形狀的一個或多個表面的模具(未顯示)中，隨后可在方框10實(shí)施CVI。由實(shí)施方框10得到的加工的CMC結(jié)構(gòu)可限定具有剛硬化形式的CMC結(jié)構(gòu)，其限定(部分或完全)指定形狀。關(guān)于方框20 (加入一個或多個補(bǔ)充預(yù)制品)，在一種實(shí)施方案中，通過向由實(shí)施方框10得到的加工的CMC結(jié)構(gòu)加入一個或多個補(bǔ)充預(yù)制品，可實(shí)施方框20，使得在方框40由CVI加工得到的剛性CMC結(jié)構(gòu)限定指定形狀的一個或多個表面。為了實(shí)施方框20，由實(shí)施方框10得到的加工的CMC結(jié)構(gòu)可保留在模具中，或備選地可從模具除去。
[0062]為了提供層狀材料結(jié)構(gòu)以包括指定形狀，在一種實(shí)施方案中，可實(shí)施根據(jù)在圖1中描述的流程圖的方法，而沒有使用任何模具。在一個實(shí)例中，在方框10，可將預(yù)制品成型為期望的指定形狀而不使用模具，隨后可在方框10實(shí)施CVI。預(yù)制品的粘合劑可有助于使預(yù)制品成型。由實(shí)施方框10得到的加工的CMC結(jié)構(gòu)可限定具有剛硬化形式的CMC結(jié)構(gòu)，其限定(部分或完全)指定形狀。關(guān)于方框20 (加入一個或多個補(bǔ)充預(yù)制品)，在一種實(shí)施方案中，通過向由實(shí)施方框10得到的加工的CMC結(jié)構(gòu)加入一個或多個補(bǔ)充預(yù)制品，可實(shí)施方框20，使得在方框40由CVI加工得到的剛性CMC結(jié)構(gòu)限定指定形狀的一個或多個表面。
[0063]在具體實(shí)施方案中，制造的CMC結(jié)構(gòu)要制造成的指定形狀為用于熱氣體路徑的渦輪部件的形狀。在更具體的實(shí)施方案中，渦輪部件可包括，例如，燃燒襯里、葉輪、葉片(blade)、噴嘴、葉片(bucket)、過渡件、渦輪中心框或罩。通過完整的部件或部件的一部分，可提供本文的部件。
[0064]參考圖11描述用于制造具有指定形狀的結(jié)構(gòu)的圖1方法的一個實(shí)例，其中描述的位置為相對位置。參考圖11，圖1的方法可用于制造具有形狀1100的結(jié)構(gòu)。為了制造具有形狀1100的結(jié)構(gòu)，可使在方框10經(jīng)歷致密化的初始預(yù)制品成型，以在位置1101提供，在該位置，預(yù)制品的表面在使用CVI致密化時直接限定形狀1100的表面?？墒诡A(yù)制品成型，以在位置1101提供，使用或不使用模具。在位置1101，預(yù)制品可經(jīng)歷致密化(方框10)，以在位置1101限定剛性CMC結(jié)構(gòu)。在位置1101，可將補(bǔ)充預(yù)制品加入到結(jié)構(gòu)(方框20)，以限定采用位置組1101和1102的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1101和110 2的剛性CMC結(jié)構(gòu)。可將在位置1103的補(bǔ)充預(yù)制品加入到在位置組1101和110 2的結(jié)構(gòu)，以限定采用位置組1101和1102和1103的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。采用位置組1101、1102和1103的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1101、1102和1103的剛性CMC結(jié)構(gòu)。
[0065]可隨后將在位置1104的補(bǔ)充預(yù)制品加入到在位置組1101、1102和1103結(jié)構(gòu)，以限定采用位置組1101、1102、1103和1104的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。采用位置組1101、1102、1103和1104的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1101、1102、1103和1104的剛性CMC結(jié)構(gòu)。使用機(jī)械加工過程，形狀1100的邊界外部的過量材料可隨后經(jīng)歷去除。
[0066]參考圖12描述用于制造具有指定形狀的結(jié)構(gòu)的圖1方法的另一個實(shí)例，其中描述的位置為相對位置。參考圖12，圖1的方法可用于制造具有形狀1100的結(jié)構(gòu)。為了制造具有形狀1100的結(jié)構(gòu)，可使在方框10經(jīng)歷致密化的初始預(yù)制品成型，以在位置1201提供，在該位置，預(yù)制品在使用CVI致密化時不直接限定形狀1100的表面?？墒诡A(yù)制品成型，以在位置1201提供，使用或不使用模具。在位置1201，預(yù)制品可經(jīng)歷致密化，以在位置1201限定剛性CMC結(jié)構(gòu)。
[0067]在位置1202和1203可將補(bǔ)充預(yù)制品加入到結(jié)構(gòu)(方框20)，以限定采用位置組
1201、1202和1203的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1201、1202和1203的剛性CMC結(jié)構(gòu)。可將在位置1204的補(bǔ)充預(yù)制品加入到在位置組1201、1202、1203的結(jié)構(gòu)，以限定采用位置組1201、1202、1203和1204的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。采用位置組1201、
1202、1203和1204的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1201、1202和1203和1204的剛性CMC結(jié)構(gòu)。可將在位置1205的補(bǔ)充預(yù)制品加入到在位置組1201、1202、1203和1204的結(jié)構(gòu)，以限定采用位置組1201、1202、1203、1204和1205的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。采用位置組1201、1202、1203、1204和1205的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可隨后在方框40經(jīng)歷CVI，以限定采用位置組1201、1202、1203、1204和1205的剛性CMC結(jié)構(gòu)。使用機(jī)械加工過程，形狀1100的邊界外部的過量材料可隨后經(jīng)歷去除。
[0068]在圖11和圖12的每一個實(shí)例中，可使在方框10經(jīng)歷CVI的初始結(jié)構(gòu)成型，使得預(yù)制品的形狀限定制造的結(jié)構(gòu)的形狀1100。在一種實(shí)施方案中，本文進(jìn)一步設(shè)定的預(yù)制品(例如，預(yù)制品202、302、502、602、707)可包括允許預(yù)制品成型為期望的形狀的粘合劑材料。在圖11的實(shí)例中，在位置1101的預(yù)制品的形狀可通過在一定位置布置來限定形狀1100的表面的形狀，使得當(dāng)經(jīng)由CVI經(jīng)歷致密化時，采用位置1101的致密化結(jié)構(gòu)的表面直接限定具有形狀1100的結(jié)構(gòu)的表面。在另一個實(shí)例中，例如在圖12的實(shí)例中，在位置1201的初始預(yù)制品的形狀可通過在一定位置布置來限定形狀1100的表面的形狀，使得當(dāng)經(jīng)由CVI經(jīng)歷致密化時，通過在位置1201的CMC結(jié)構(gòu)支持的一個或多個預(yù)制品(例如，在位置1202)直接限定形狀1100的表面。在圖11的實(shí)例中，在方框10經(jīng)歷致密化的初始預(yù)制品的形狀直接限定具有指定形狀1100的制造部件的形狀。在圖11的實(shí)例中，在方框1經(jīng)歷致密化的初始預(yù)制品的形狀間接限定具有指定形狀1100的制造部件的表面形狀。在圖11和圖12的每一個實(shí)例中，通過初始預(yù)制品的致密化(在圖11的實(shí)例中在位置1101，在圖12的實(shí)例中在位置1201)限定的剛性CMC結(jié)構(gòu)可用作模具，用于使一個或多個另外的預(yù)制品成型。
[0069]在圖11和12中提及的形狀1100可為限定渦輪部件的形狀，所述渦輪部件例如，燃燒襯里、葉輪、葉片(bIade)、噴嘴、葉片(bucket)、過渡件、渦輪中心框或罩。在圖11和12的實(shí)施方案中的形狀1100為實(shí)心形狀，S卩，不具有空心部分。在另一個實(shí)施方案中，形狀1100可包括空心部分。
[0070]當(dāng)在方框20加入補(bǔ)充預(yù)制品時，通過例如由補(bǔ)充預(yù)制品的粘合劑提供的力，補(bǔ)充預(yù)制品可與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)接合。在方框40實(shí)施CVI加工時，接合力可提高。
[0071]為了在方框10和40實(shí)施CVI加工，可將預(yù)制品(例如，預(yù)制品202、302、502、602、702)引入CVI處理室反應(yīng)器，并且適當(dāng)?shù)臍怏w可滲透通過預(yù)制品，例如，預(yù)制品202、302、502、602、702。預(yù)制品202、302、502、602、702可對通過使預(yù)制品經(jīng)歷CVI形成的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)提供增強(qiáng)。適當(dāng)?shù)臍怏w可包括，例如，以下的任一種，或兩種或更多種的混合物:氫氣、甲基-三氯硅烷、三氯化硼、氨、三氯硅烷、氯化鉬和烴氣體。適當(dāng)?shù)臍怏w可包括任何含有硅烷的氣體以及任何含有硅氧烷、硅氮烷或其它含硅氣體以及適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)金屬氣體。用于各種沉積化學(xué)的氣體前體組合物為本領(lǐng)域公知的。在CVI處理室反應(yīng)器內(nèi)的氣體可不存在主要流動方向。在室反應(yīng)器內(nèi)提供氣體以不存在主要流動方向可降低加工成本?？商岣呤覂?nèi)的溫度，并且反應(yīng)物氣體可在高溫下經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)。在反應(yīng)期間，在預(yù)制品(例如，預(yù)制品202、302、502、602、702)纖維的表面上可形成基質(zhì)涂層，以限定致密化的CMC結(jié)構(gòu)，例如，致密化的 CMC 結(jié)構(gòu) 203、303、403、503、603、703、803。當(dāng)預(yù)制品 202、302、502、602、702 的纖維通過3丨(:纖維提供時，可在預(yù)制品的纖維上形成由例如3丨(:、8184(:、3丨3仏、]?03丨2、3102、S1C, S iNC和/或S i ONC組成的基質(zhì)，以限定致密化的CMC結(jié)構(gòu)，例如，本文進(jìn)一步設(shè)定的結(jié)構(gòu)203、303、403、503、603、703、803。在一種實(shí)施方案中，在實(shí)施CVI加工期間，在形成基質(zhì)之前，可在預(yù)制品202、302、502、602、702的纖維上形成涂層。
[0072]在整個說明書和權(quán)利要求書中，本文使用的近似語言可用于修飾可容許地改變而不會導(dǎo)致相關(guān)的基本功能變化的任何數(shù)量表示。因此，被一個或多個術(shù)語例如“約”修飾的值不局限于指定的精確值。本文描述的術(shù)語"限定"包括要素被部分限定的關(guān)系以及要素被完全限定的關(guān)系。在一些情況下，近似語言可相應(yīng)于用于測量該值的儀器的精密度。此處和在整個說明書和權(quán)利要求書中，范圍限制可組合和/或互換；除非上下文或語言另外指示，否則確定這樣的范圍并且包括其中包含的所有子范圍。雖然已參考多個具體實(shí)施方案描述了本公開，應(yīng)理解的是，本公開的真實(shí)精神和范圍應(yīng)僅關(guān)于可由本說明書支持的權(quán)利要求來確定。此外，雖然在本文眾多情況下，其中系統(tǒng)和設(shè)備和方法描述為具有特定數(shù)量的要素，應(yīng)理解的是，這樣的系統(tǒng)、設(shè)備和方法可使用少于或多于提及的要素的特定數(shù)量來實(shí)踐。另外，雖然已描述多個具體實(shí)施方案，應(yīng)理解的是，參考每一個具體實(shí)施方案已描述的特征和方面可與每一個其余的具體描述的實(shí)施方案一起使用。
[0073]雖然本文已說明和描述了本公開的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到許多修改和變化。因此，應(yīng)理解的是，所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入本公開的真實(shí)精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
【主權(quán)項】
1.一種制造層狀材料結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括: 使預(yù)制品經(jīng)歷化學(xué)蒸氣滲透(CVI)，以限定致密化的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)； 將補(bǔ)充預(yù)制品加入到CMC結(jié)構(gòu)，以限定擴(kuò)展結(jié)構(gòu)； 使用所述擴(kuò)展結(jié)構(gòu)實(shí)施CVI。2.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法包括重復(fù)所述加入和所述實(shí)施。3.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法包括實(shí)施所述方法使得所得到的結(jié)構(gòu)成型為指定形狀。4.權(quán)利要求3的方法，其中所述指定形狀為渦輪部件。5.權(quán)利要求4的方法，其中所述渦輪部件選自燃燒襯里、葉輪、葉片(blade)、噴嘴、葉片(bucket)、過渡件、禍輪中心框和罩。6.權(quán)利要求4的方法，其中實(shí)施所述方法使得所得到的結(jié)構(gòu)具有渦輪部件的指定形狀，包括使用模具。7.權(quán)利要求1的方法，其中一個或多個所述預(yù)制品或所述補(bǔ)充預(yù)制品包括單向纖維。8.權(quán)利要求7的方法，其中所述單向纖維包括纖維涂層。9.權(quán)利要求7的方法，其中所述單向纖維包括SiC。10.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)制品和補(bǔ)充預(yù)制品的敞開的孔隙率含量為約20%-約80%。
【文檔編號】C04B35/80GK105924197SQ201610106089
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年2月26日
【發(fā)明人】J.H.韋弗, B.N.拉馬穆爾蒂
【申請人】通用電氣公司