专利名称：使用水基预浸浆料的cmc方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷基体元件的制备，尤其涉及将水用作含有颗粒碳化硅、炭黑和高温和低温粘合剂的预浸浆料的液体载体的制剂。
背景技术：
在过去五十年中，高温材料的发展已经受到它们在要求苛刻的结构应用，尤其是燃气轮机上的需要的推动。目前在燃气轮机热区使用的材料是基于镍和钴的超合金。在许多情况下，它们当前使用温度约为1100℃。
陶瓷是耐火材料，在远高于1100℃的温度具有稳定性，所以对燃气轮机应用而言很有吸引力。单一结构陶瓷，例如SiC和Si3N4，40年前就已经制备出来了，但由于缺乏损伤容限以及灾难性失效模式，还没能用于燃气轮机。但是，陶瓷基体复合物(CMC)，尤其是那些用连续纤维增强的，具有明显的损伤容限，而且失效模式更好。和其它CMC相比，熔融渗透(MI)SiC/SiC复合物对燃气轮机应用尤其具有吸引力，这是因为它们的高热导率、优异的抗热冲击性、抗蠕变性和抗氧化性。
已经开发了多种制备MI-CMC的工艺方案。一种方法称作“预浸方法”，另一种方法称作“浆料浇注”方法。本发明主要涉及预浸方法。
典型预浸方法的第一步是通过化学汽相沉积(CVD)施加纤维涂层。在过去，CMC典型采用碳作为纤维涂层，但是已经加入了氮化硼或掺硅氮化硼以提高抗氧化性。
施加了纤维涂层后，将该纤维束拖过含有预制基体组分(SiC和碳颗粒、粘合剂和溶剂)的浆料，然后绕在滚筒上形成单方向的预浸渍，即“预浸”，带。然后将此带干燥，从滚筒上取下，切割成形，敷层后得到所需的纤维结构，层叠后形成原始复合预制体。
最终的致密化步骤是硅熔体渗透步骤。将含有具有涂层的SiC纤维、SiC和/或碳颗粒以及有机粘合剂的复合预制体，加热到大于约1420℃，同时和熔融硅金属源接触。
目前用于预浸SiC预制体的浆料制剂采用的是非水性溶剂，这在工业应用中带来了危害。非水性溶剂一般与高温及低温粘合剂组合使用，这些粘合剂溶于该非水性溶剂但不溶于水。
发明内容
本发明涉及将水用作预浸浆料的液体载体的制剂。在示例性实施方案中，浆料含有水、颗粒碳化硅、炭黑、高温粘合剂和低温粘合剂。因此，本发明用危险性较小的水性系统取代了以前的非水性系统，不过作用方式基本相同。
相应地，在一方面，本发明涉及形成陶瓷基体复合物元件的方法，包括(a)通过化学汽相沉积在纤维束上施加纤维涂层；(b)将纤维束拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；和(c)将预浸带绕在滚筒上。
在另一方面，本发明涉及形成陶瓷基体复合物元件的方法，包括(a)在纤维束上施加纤维涂层；(b)将纤维束拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；(c)将预浸带绕在滚筒上；(d)切割、敷层并层叠所述预浸带，以形成复合预制体；(e)用熔融硅熔融渗透该预制体；以及(f)加工该预制体形成所述陶瓷基体复合物元件；其中所述低温粘合剂包含丙烯酸乳胶；并且其中所述高温粘合剂包含单级酚醛树脂。
在又另一方面，本发明涉及形成陶瓷基体复合物元件的方法，包括(a)通过化学汽相沉积在纤维束上施加纤维涂层；(b)将纤维束拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；(c)将预浸带绕在滚筒上；(d)切割、敷层并层叠该预浸带，以形成复合预制体；(e)用熔融硅熔融渗透该预制体；以及(f)将该预制体加工成燃气轮机元件的形状。
现在，结合下面给出的附图对本发明进行详细描述。
唯一的图是在制备MI-CMC中使用的传统预浸熔融渗透(PrepregMelt Infiltration)方法的示意图。
具体实施例方式
参见该图，用于制备MI-CMC的传统预浸方法从SiC多纤维的纤维束，典型是Hi-NicalonTM或SylramicTM纤维开始。具体地说，该纤维束10从滚轮或滚筒12上解绕，通过室或腔14，在此处通过传统化学汽相沉积(CVD)法对纤维施加涂层。该纤维涂层，典型具有陶瓷材料，在复合物加工时起到保护纤维的作用并提供低强度纤维-基体界面，从而使得纤维-基体剥离以及纤维拔出增韧(fiber pull-outtoughening)机制可行。CMC典型采用碳作为纤维涂层，但现在也加入了氮化硼或掺硅氮化硼以提高抗氧化性。
在采用CVD施加了纤维涂层后，纤维束被拖过含有非水性预制基体浆料的基体浆料容器16，其中该非水性预制基体浆料含有SiC、碳颗粒、粘合剂和溶剂。随后将纤维束绕在滚筒18上形成单方向预浸渍带。接着将该带干燥，从滚筒上取下，切割成形并敷层得到所需的纤维结构，然后层叠形成原始复合预制体20。如果需要的话，预制体的加工可以在这个阶段进行，这样有助于减少致密化后该部分的最终加工量。
最后的致密化步骤通常被称为硅熔融渗透。复合预制体20，含有具有涂层的SiC纤维、SiC和/或碳颗粒，该复合预制体20被加热到约1420℃以上，同时和熔融硅金属源接触。熔融硅很容易润湿SiC和/或碳，所以很容易通过毛细方法被拖进预制体的残余孔隙里。渗透不需要外来的驱动力，并且复合预制体没有尺寸变化。
在本发明的一个示例性实施方案中，引入容器16的水基预浸基体浆料制剂中，除水以外，还包括作为低温粘合剂的RhoplexB-60A(丙烯酸乳胶)和作为高温粘合剂的Rugters Plenco单级(singlestage)酚醛树脂No.12114。碳化硅粉(HSC-059)和当前在非水性系统中使用的相同，炭黑也是如此。由于水基系统的性质，可以与任何合适的pH控制组分一起加入已知的分散剂。
为了证实如上所述的预浸浆料的有效性，进行下面的步骤在1000ml广口瓶中放入164g去离子水、3g TEGO Dispers 750和140gHSC-059 SiC以及氧化铝磨球。让广口瓶转动或滚动过夜。大约12小时后，没有可见的SiC块，然后按照给定顺序将下列物质加入广口瓶中，在每次加入之间摇动广口瓶3g TEGO、60g炭黑、2g氢氧化铵、68.3g RhoplexB-60A乳胶和56g酚醛树脂。让该制剂在广口瓶中滚转1小时。取少量置于烧杯中在真空下除气。浇注到塑料片上。干燥后，层叠该浇注物。申请人发现该浆料的表现和传统非水性浆料非常相似。根据上述方法，现在也制备出了实际的元件部分，这进一步证实了使用水基预浸浆料的可行性。
一种可替换的方法是通过将填充的纤维束或带通过干燥器而完全固化丙烯酸树脂粘合剂来干燥纤维束或带。随后，该纤维束或带可以通过诸如丙酮或醇的安全溶剂，并可以通过诸如带连接(tapeplacement)的方法来制备部件。这种技术广泛用于有机复合物工业。
此处描述的方法可以用来制备许多不同的燃气轮机元件，包括燃烧室衬里、罩盖和其它大的要求耐高温的三维部件。
尽管已经结合目前认为是最实际和优选的实施方案对本发明进行了描述，但是应该理解本发明不限于公开的实施方案，而相反是为了涵盖在所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同方案。
附图标记说明纤维束10滚轮或滚筒12室或腔14基体浆料容器16滚筒18复合预制体20
权利要求
1.一种形成陶瓷基体复合元件的方法，包括a)通过化学汽相沉积在纤维束(10)上施加纤维涂层；b)将纤维束(10)拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；和c)将所述预浸带绕在滚筒(18)上。
2.权利要求1的方法，还包括d)切割、敷层和层叠所述预浸带，以形成复合预制体(20)；和e)用熔融硅熔融渗透所述预制体。
3.权利要求1的方法，其中所述低温粘合剂包含丙烯酸乳胶。
4.权利要求1的方法，其中所述高温粘合剂包含单级酚醛树脂。
5.权利要求1的方法，其中在步骤(c)之后和在步骤(d)之前，将所述带干燥并从所述滚筒(18)上取下。
6.权利要求4的方法，其中在步骤(c)之后和在步骤(d)之前，将所述带干燥并从所述滚筒(18)上取下。
7.一种形成陶瓷基体复合元件的方法，包括a)在纤维束(10)上施加纤维涂层；b)将所述纤维束(10)拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；c)将所述预浸带绕在滚筒(18)上；d)切割、敷层和层叠所述预浸带，以形成复合预制体(20)；e)用熔融硅熔融渗透所述预制体(20)；和f)加工所述预制体以形成陶瓷基体复合元件；其中所述低温粘合剂包含丙烯酸乳胶；和所述高温粘合剂包含单级酚醛树脂。
8.权利要求7的方法，其中所述复合元件包含燃气轮机内的燃烧室元件。
9.一种形成陶瓷基体复合燃气轮机元件的方法，包括(a)通过化学汽相沉积在纤维束(10)上施加纤维涂层；(b)将所述纤维束(10)拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；(c)将所述预浸带绕在滚筒(18)上；(d)切割、敷层并层叠所述预浸带，以形成复合预制体(20)；(e)用熔融硅熔融渗透该预制体；以及(f)将该预制体加工成所述燃气轮机元件的形状。
10.权利要求9的方法，其中在步骤(c)之后和在步骤(d)之前，将所述带干燥并从所述滚筒上取下。
全文摘要
一种形成陶瓷基体复合元件例如汽轮机元件的方法，包括(a)通过化学汽相沉积在纤维束(10)上施加纤维涂层；(b)将纤维束(10)拖过含有高温和低温粘合剂、碳化硅粉、炭黑和水的水性浆料，从而形成预浸带；和(c)将预浸带绕在滚筒(18)上。
文档编号C04B35/84GK1749217SQ200510091660
公开日2006年3月22日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者R·L·K·马特苏莫托 申请人:通用电气公司