使用化学气相渗透(cvi)制造的层状材料结构的制作方法

使用化学气相渗透(cvi)制造的层状材料结构的制作方法
【专利摘要】预制品可经历化学蒸气渗透(CVI)，以限定陶瓷基质复合材料(CMC)结构，可将补充预制品加入到CMC结构中，以限定扩展结构，和可使用所述扩展结构实施CVI。可重复加入补充预制品和使用所述扩展结构实施CVI。
【专利说明】使用化学气相渗透(CVI)制造的层状材料结构
[0001]本公开总体上涉及层状材料结构，具体地，本公开涉及使用化学气相渗透制造的层状材料结构。
[0002]背景
为了使用化学气相渗透(CVI)制造陶瓷基质复合材料(CMC)结构，可提供预制品。预制品可包括纤维，其可为例如单向层或织造形式。在一种形式中，纤维可为基于陶瓷的，并且可由SiC形成。可将预制品放置在CVI反应室中。在反应室内，在升高的温度下，可将预制品暴露于某些气体。在升高的温度下暴露于某些气体时，可发生反应，称为基质的固体材料可在预制品的纤维上沉积。
[0003]使用化学气相渗透(CVI)制备的陶瓷基质复合材料(CMC)可潜在地在高达并且大于2700°F的温度下使用。CVI CMC结构的一个关键的限制是该结构可含有显著的孔隙率(例如，15%和更多)。孔隙率可随着厚度而提高，并且可显著影响平面内和薄层间性质以及复合材料的总体抗氧化性。
[0004]简述
根据本文描述的方法，预制品可经历化学气相渗透(CVI)，以限定陶瓷基质复合材料(CMC)结构，可将补充预制品加入到CMC结构中，以限定扩展结构，和可使用所述扩展结构实施CVI。加入补充预制品和使用所述扩展结构实施CVI可重复零次或多次。
[0005]相对于根据具有单一CVI阶段的方法制造的单层结构，所得到的层状材料结构的特征可为在其整个厚度内提高的平均密度，并且在其整个厚度内更均匀的密度。
[0006]本发明包括以下方面:
方面1.一种制造层状材料结构的方法，所述方法包括:
使预制品经历化学蒸气渗透(CVI)，以限定致密化的陶瓷基质复合材料(CMC)结构； 将补充预制品加入到CMC结构，以限定扩展结构；
使用所述扩展结构实施CVI。
[0007]方面2.方面I的方法，其中所述方法包括重复所述加入和所述实施。
[0008]方面3.方面I的方法，其中所述方法包括实施所述方法使得所得到的结构成型为指定形状。
[0009]方面4.方面3的方法，其中所述指定形状为涡轮部件。
[0010]方面5.方面4的方法，其中所述涡轮部件选自燃烧衬里、叶轮、叶片(blade)、喷嘴、叶片(bucket)、过渡件、涡轮中心框和罩。
[0011]方面6.方面4的方法，其中实施所述方法使得所得到的结构具有涡轮部件的指定形状，包括使用模具。
[0012]方面7.方面I的方法，其中一个或多个所述预制品或所述补充预制品包括单向纤维。
[0013]方面8.方面7的方法，其中所述单向纤维包括纤维涂层。
[0014]方面9.方面7的方法，其中所述单向纤维包括SiC。
[0015]方面10.方面I的方法，其中所述预制品和补充预制品的敞开的孔隙率含量为约20%-约80%。
[0016]方面11.方面I的方法，其中所述实施CVI包括在扩展结构的孔隙结构内沉积选自以下的材料: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预制品成型，以限定涡轮部件表面的形状。
[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结构作为模具使所述补充预制品成型。
[0019]方面15.方面I的方法，其中一个或多个所述经历或实施包括在未达到产生最大致密化的量的情况下停止渗透。
[0020]方面16.—种层状材料结构，所述结构包含:
与第二 CMC结构接合的第一 CMC结构，所述第二 CMC结构与所述第一 CMC结构相邻；
其中第一 CMC结构的密度分布与第二 CMC结构的密度分布不连续。
[0021]方面17.方面16的层状材料结构，其中所述第一CMC结构具有第一厚度，该第一厚度具有U形密度分度，而第二 CMC结构具有第二厚度，该第二厚度具有不是U形的密度分布。
[0022]方面18.方面16的层状材料结构，其中所述层状材料结构包括中心厚度部分、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的层状材料结构，其中在第一CMC结构和第二CMC结构之间的界面处的密度为逐级不连续的。
[0024]方面20.方面16的层状材料结构，其成型为涡轮部件形状。
[0025]方面21.方面16的层状材料结构，其中所述层状材料结构包括限定层状材料结构的末端表面的CMC结构，其中比起不限定层状材料结构的末端表面的层状材料结构的CMC结构，所述限定末端表面的CMC结构具有较低的最大密度。
[0026]方面22.方面16的层状材料结构，其中比起层状材料结构的中心厚度部分，层状材料结构的末端厚度部分具有较低的最大密度。
[0027]附图简述
图1为说明层状材料结构的制造的流程图；
图2为预制品(预制品结构)的透视图；
图3为沿着图2的线A-A取的横截面图，具有横截面的密度分布；
图4为在图2的结构经历CVI以限定加工的结构之后，沿着图2的线A-A取的横截面图，具有加工的结构的密度分布；
图5为说明在一种实施方案中的层状材料结构的透视组件图；
图6为在图5的层状材料结构经历CVI以限定加工的层状材料结构之后，沿着图5的线B-B取的横截面图，具有层状材料结构的密度分布；
图7为说明在一种实施方案中的层状材料结构的透视组件图；
图8为在图7的层状材料结构经历CVI以限定加工的层状材料结构之后，沿着图7的线C-C取的横截面图，具有层状材料结构的密度分布；
图9和10说明使用参考图7-8描述的方法和使用备选的过程控制制造的结构；
图11为说明使用指定形状制造结构的方法的图； 图12为说明制造具有指定形状的结构的方法的图。
[0028]详述
参考图1，描述了制造包括多个层结构的层状材料结构的方法。在方框10，预制品可经历化学气相渗透(CVI)，以限定陶瓷基质复合材料结构。在方框20，可将补充预制品加入到CMC结构中，以限定扩展结构。在方框40，可使用所述扩展结构实施CVI。方框20和40可重复(方框30)零次或多次。参考各种说明性实施例来描述图1的方法的优点，如本文描述的。
[0029]相对于其中具有约M的厚度的单一预制品经历CVI以限定具有约M的特定厚度的加工结构的备选方法，使用图1的重复方法(其中在重复阶段中多个预制品经历CVI加工)制造的特定厚度M的所得结构可具有提高的平均密度和更均匀的密度。
[0030]参考图2-4，本文描述各种特征和方面，显示使用CVI制造具有约M的厚度的CMC结构的现有技术制造方法。在参考图2-4描述的制造方法中，在单一 CVI加工阶段中，具有约M的厚度的预制品102 (图2)可经历CVI，以限定具有约M的厚度的CMC结构103 (图4)。相对于预制品102 (图2)，CMC结构103 (图4)可具有较高的密度但是降低的密度均匀性。
[0031]图2显示预制品102的透视图。在图2中显示的预制品102可具有X、Y和Z(厚度尺寸)，如通过说明的坐标轴描述的。在图2描述的实施方案中，在与说明的Z轴平行的方向，预制品102可具有约M的厚度。图3显示在预加工的阶段的预制品102以及在预加工的阶段预制品102的相关的密度分布。在图3的上部显示在与Z轴(厚度尺寸)平行的方向沿着图2的线A-A取的结构102的横截面图。在图3的下部显示在预制品102的整个厚度内预制品102在预加工阶段的材料密度的密度图。在预加工阶段(图3)，可见结构102具有Do的基本上均匀的密度。
[0032]图4说明在经历CVI后图2和3的结构102。在经历CVI后，图2和3的结构102限定致密化的陶瓷基质复合材料(CMC)结构103，如在图4中描述的。在图4中显示在经过结构103的厚度(在与说明的Z轴平行的方向)上，致密化的CMC结构103在加工阶段的相关密度分布。参考图4，致密化的CMC结构103 (CVI后的结构)的最低密度为D1，而在图3中说明的结构102(在实施CVI之前的结构102)的最低密度为基本上均匀的密度Do。进一步参考图4，在致密化的CMC结构103的整个厚度上，致密化的CMC结构103 (在实施CVI之后)的密度可为不均匀的。在致密化的CMC结构1 3的中心厚度处，结构103可具有密度D1，D1 >Do，而朝向致密化结构103的表面104和表面105，结构103可具有密度D^DOD1。当开始CVI时，接近表面104和表面105的孔倾向于闭合，因此可限制朝向致密化的CMC结构103的中心厚度实施的致密化程度。
[0033]观察到使用CVI制造的制造CMC结构的密度大的下降可为不利的。还观察到可有利地提供在其整个厚度内具有基本上均匀密度的CMC结构。参考图1描述的方法可提供各种优点。例如，使用在图1中描述的方法，可制造具有厚度M的CMC结构，相对于使用在图2-4中描述的方法制造的致密化的CMC结构103，其可包括提高的密度和密度均匀性。
[0034]参考方框10和图5的透视图，具有厚度N1的结构202可经历CVI，以限定致密化的CMC结构203。参考方框20和图5，可将具有厚度N2(N2〈M)的补充预制品302加入到致密化的CMC结构203，以限定具有约M的厚度的扩展结构402。当将预制品302加入到CMC结构203时，预制品302的粘合剂材料可用于保持预制品302在相对于CMC结构203的适合位置。参考方框40和图5，扩展结构402可经历CVI，以限定致密化的CMC结构403 (图6)。致密化的CMC结构403可包括通过使预制品202经历CVI限定的致密化的CMC结构203和通过使预制品302经历CVI限定的致密化的CMC结构303。致密化的CMC结构403可具有约M的总厚度。
[0035]参考图6，在图6的上部说明在经历CVI以限定CMC结构403之后，沿着图5的线B-B(在与Z轴平行的方向的厚度尺寸)取的横截面图。参考图6的下部，在图6的下部说明在CMC结构403的整个厚度内(在与Z轴平行的方向)图6的结构在经历CVI之后的密度分布。
[0036]参考图6，根据在加工阶段的致密化CMC结构103，致密化的CMC结构203的密度分布通常为U形，在致密化的CMC结构203的中心厚度处具有最低密度，朝向表面204和205具有提高的密度。比较图6的密度分布与图4的密度分布，致密化的CMC结构203的最低密度可为D3，其中DCD1。作为结构203的厚度犯小于结构103的厚度M的结果，致密化的CMC结构203的最低中心厚度密度可大于致密化的CMC结构103的最低中心厚度密度。随着经历CVI的预制品的厚度降低，在经历CVI的结构的整个厚度内，CVI致密化可更加显著。
[0037]进一步参考图6，致密化的CMC结构303的密度分布可通常为坡形，并且特征可在于在结构303的整个厚度内从第一表面304到第二表面305提高的密度。在图6的实施方案中，当扩展结构402 (图5)经历CVI加工时，第一表面304可毗邻致密化的CMC结构203，而第二表面305可暴露于气体。当开始CVI加工时，接近表面305的孔(限定CMC结构403的末端表面)倾向于闭合，以在渐进远离表面305的距离限制CVI致密化。在图6的实施方案中，CMC结构203和CMC结构303可具有大致相同的厚度，并且CMC结构303可具有D2的最低密度，其中D2约等于Di (图4)。当N2大于N1时，D2可小于D1。当N2小于沁时，D2可大于D1。
[0038]比较通过图1的重复过程制造的在图6中说明的结构403(约M的厚度)的密度分布与在图4中显示的在加工阶段中结构103(约M的厚度)的密度分布，可见其中可重复实施一次或多次CVI加工和结构加入阶段的本文描述的重复制造过程可提高结构的平均密度以及提高制造的结构的密度均匀性。在图6中显示的CMC结构403的平均密度Da6可大于参考图4描述的CMC结构103的平均密度Dm。在另一方面，比起在图4中显示的CMC结构103，使用在图1中显示的重复制造方法制造的在图6中显示的CMC结构403可具有更均匀的密度。
[0039]在一种实施方案中，比起具有较不均匀密度的CMC结构，在CMC结构的整个厚度内，具有更均勾密度的CMC结构特征可在于最大密度和最低密度之间的差异较小。在一种实施方案中，比起具有较不均匀密度的CMC结构，在CMC结构的整个厚度内，具有更均匀密度的CMC结构特征可在于具有较小的密度标准偏差。
[0040]在一种实施方案中，在参考图1描述的重复制造方法中，通过结合使用另外的预制品，可实现提高CMC结构的平均密度和CMC结构的密度均匀性。参考图5-6，描述了一种方法，其中具有M的组合厚度的第一和第二预制品用于重复CVI制造方法。在图7和图8的重复CVI制造方法中，具有M的组合厚度的第一、第二和第三预制品用于制造CMC结构。
[0041]参考方框10和图7的透视图，具有厚度上的预制品502(图7的左侧)可经历CVI，以限定具有厚度Ji的致密化的CMC结构503 (图7的右侧)。参考方框20和图7 (右侧)，可将具有相应的厚度J2 (J2 MMPJ3 (J3 M)的补充预制品602和702加入到致密化的CMC结构503，以限定具有约M的厚度的扩展结构802。参考方框40和图7，扩展结构802可经历CVI，以限定致密化的CMC结构803 (图8)。在图7-8的具体实例中，预制品结构502、602、702的厚度可大致相同。在一个实例中，每一个厚度J1、J2和J3可为约M/3。在另一个实例中，厚度J1JdPJ3可不相等。
[0042]在图8中显示的致密化的CMC结构803可包括通过使预制品602经历CVI限定的致密化的CMC结构603和通过使预制品70 2经历CVI限定的致密化的CMC结构70 3以及致密化的CMC结构503。致密化的CMC结构803可具有约M的总厚度。
[0043]进一步参考图8，图8的上部说明在结构802经历CVI以限定CMC结构803之后，沿着图7的线C-C (在与说明的Z轴平行的方向的厚度尺寸)取的横截面图。参考图8的下部，图8的下部说明图8的结构经过CMC结构803的厚度的密度分布。
[0044]参考图8，根据在加工阶段的致密化的CMC结构103，致密化的CMC结构503的密度分布通常为U形，在致密化的CMC结构503的中心厚度处具有最低密度，朝向表面504和505具有提高的密度。比较图8的密度分布与图6的密度分布，致密化的CMC结构503的最低密度可为D4，其中D4>D3。作为结构503的厚度上小于结构203的厚度N1的结果，致密化的CMC结构503的最低中心厚度密度可大于致密化的CMC结构203 (图6)的最低中心厚度密度。随着经历CVI的预制品的厚度降低，在经历CVI的结构的整个厚度内，CVI致密化可更加显著。
[0045]进一步参考图8，致密化的CMC结构603和致密化的CMC结构703的密度分布可通常为坡形，并且特征可在于从表面605到表面604和从表面704到表面705总体上提高的密度。在图7的实施方案中，当扩展结构802 (图7)经历CVI加工时，表面605和表面704可毗邻致密化的CMC结构503，而表面604和表面705可暴露于气体。当开始CVI加工时，接近表面605和705的孔(限定CMC结构803的末端表面)倾向于闭合，以在逐渐远离表面604和表面705的距离限制CVI致密化。
[0046]比较图8的密度分布与图6的密度分布，比起使用两个CVI阶段制造的如在图6中显示的CMC结构403的平均密度DA6，使用两个CVI阶段制造的如在图8中显示的CMC结构803可具有更高的平均密度Das。此外，相对于CMC结构403 (图6)，CMC结构803 (图6)可具有改进的密度均匀性。
[0047]比较图8和图6的密度分布与图4的密度分布，可见根据本文描述的重复方法制造的层状材料CMC结构(例如，结构403和结构803)可具有与使用单一 CVI阶段制造的结构(例如，结构103)不同的某些特性。
[0048]参考图4的密度分布，使用单一CVI阶段制造的结构可具有连续的密度分布。经过使用单一 CVI阶段制造的结构的密度在经过其厚度的密度方面可能不存在逐级不连续性。然而，层状材料结构(例如，根据在图1中描述的方法制造的结构403或结构803)可具有不连续的密度分布。根据在图1中描述的方法制造的层状材料结构的密度分布特征可在于过渡，其中制造的结构的密度逐级不连续地变化至更大或更小的密度值。
[0049]在参考图6说明的具体实施方案中，经过结构203的厚度的一组密度可限定U形，而经过结构303的厚度的一组密度可限定坡形。在表面205和表面304之间的界面处，结构403的密度可为不连续的，并且可逐级变化至较小的值。
[0050]在参考图8说明的具体实施方案中，经过结构503的厚度的一组密度可限定U形，而经过结构603的厚度和经过结构703的厚度的一组密度可限定坡形。在表面605和表面504之间的界面处，结构803的密度可为不连续的，并且可逐级变化至较大的值。在表面505和表面704之间的界面处，结构803的密度可为不连续的，并且可逐级变化至较小的值。
[0051 ]例如参考图8描述了层状材料结构803，其中第一 CMC结构503具有第一厚度，该第一厚度具有U形密度分布，而第二 CMC结构603具有第二厚度，该第二厚度具有不是U形的密度分布。
[0052]例如参考图8描述了层状材料结构803，其中层状材料结构包括中心厚度部分、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]关于与图1的方法一起使用的预制品202、302、502、602、702，在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702可包括单向纤维(丝束)。关于预制品202、302、502、602、702，在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702可包括制造纤维。纤维可通过陶瓷纤维提供。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可具有多晶结构。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可包括非化学计量的化学组成。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可包括化学计量的化学组成。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可通过单晶纤维提供。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可通过无定形纤维提供。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可包括非均质化学组成。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可通过碳化硅(SiC)纤维提供。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可通过多晶SiC纤维提供。预制品202、302、502、602、702可包括在经历CVI之前允许预制品成型为期望的形状的粘合剂材料。
[0054]在一种实施方案中，可提供预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维，以在超过1000°(:的温度下稳定。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可不存在纤维涂层。在一种实施方案中，预制品202、302、502、602、702的陶瓷纤维可包括纤维涂层。这样的纤维涂层可为纤维固有的或者可事先沉积，例如，经由CVI或通过另一个过程来》几积。进一步关于本文描述的预制品，本文描述的预制品(例如，预制品202、302、502、602、702)可包括一个或多个层。
[0055]在本文的未加工的阶段，预制品202、302、502、602、702的孔隙率可变化。在一种实施方案中，在经历CVI之前，在未加工的阶段，预制品202、302、502、602、702可各自具有约20%-约90%的基本上均匀的孔隙率(例如，Ι/Do)，因此密度为约80%-约10%。在一种更具体的实施方案中，预制品202、302、502、602、702可具有约40%-约75%的孔隙率，因此约60%-约25%的密度。本文可提供预制品202、302、502,602、702，以包括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。
[0056]在图5-8的实施方案中，可实施CVI加工，使得当经历CVI时，经历CVI的每一个预制品202、302、502、602、702可转变为最大致密化状态De。当接近预制品的暴露表面的孔基本上闭合以基本上防止在与暴露表面间隔的部分致密化时，可实现最大致密化状态。在图5-8的实施方案中，描述了图1的方法的简化实例，用于说明目的。应理解的是，通过操纵每一个新的扩展结构的致密化(方框20)，可提供更复杂的结构。采用这样的方式，经过所得到的CMC结构的孔隙率可分级，以优化加工时间和所得到的CMC结构的性质之间的平衡。
[0057]在另一实施方案中，可控制本文描述的CVI过程，使得可提供小于最大致密化的结构致密化，D〈De。在图9的实例中，图9说明通过参考图7和图8描述的方法制造的结构，不同之处在于，当预制品502经历CVI时具有不同的控制。
[0058]参考图9，可在未达到提供限定的CMC结构503的最大致密化De的渗透水平的情况下，停止预制品502的CVI加工。参考图9，可提供预制品502的CVI，使得限定的CMC结构502具有小于De的最大密度。参考图9，在这样的实施方案中，经过CMC结构503的厚度的致密化可提供为U形，但是比起在图8的实例中提供的，在较低的致密化水平。图9的虚线图8001说明参考图8描述的CMC结构503的密度分布。通过图9指示的加工可为有利的，例如，其中期望降低结构802的表面界面之间的致密化"跳跃”的幅度，或当不需要最大密度用于热性质或机械性质时。
[0059]参考图10，可在未达到提供限定的CMC结构603和限定的CMC结构703的最大致密化De的渗透水平的情况下，停止预制品602和预制品702的CVI加工。参考图9，在这样的实施方案中，经过CMC结构603和结构703的厚度的致密化可提供为坡形，但是比起在图8的实例中提供的，在较低的致密化水平。如在图10中所示的虚线图8002说明参考图8描述的CMC结构603和703的密度分布。参考图10描述的加工可为有利的，例如，比起限定结构803的末端表面604和705的结构803的末端厚度部分，其中期望提供在结构803的中心厚度部分(例如，经过结构503的厚度)具有较高致密化的结构803。
[0060]例如参考图10描述了层状材料结构803，其中层状材料结构包括CMC结构，例如限定层状材料结构803的末端表面604的结构603，其中比起不限定层状材料结构的末端表面的层状材料结构的CMC结构(例如结构503)，限定末端表面604的CMC结构603具有较低的最大密度。例如参考图10，比起层状材料结构803的中心厚度部分，层状材料结构803的末端厚度部分可具有较低的最大密度。
[0061]本文提供的制造层状材料结构的方法可包括制造层状材料结构，以包括指定形状。为了提供层状材料结构以包括指定形状，可提供包括具有指定形状的一个或多个表面的模具。在一个实例中，在方框10，可将预制品放置在具有根据指定形状的一个或多个表面的模具(未显示)中，随后可在方框10实施CVI。由实施方框10得到的加工的CMC结构可限定具有刚硬化形式的CMC结构，其限定(部分或完全)指定形状。关于方框20 (加入一个或多个补充预制品)，在一种实施方案中，通过向由实施方框10得到的加工的CMC结构加入一个或多个补充预制品，可实施方框20，使得在方框40由CVI加工得到的刚性CMC结构限定指定形状的一个或多个表面。为了实施方框20，由实施方框10得到的加工的CMC结构可保留在模具中，或备选地可从模具除去。
[0062]为了提供层状材料结构以包括指定形状，在一种实施方案中，可实施根据在图1中描述的流程图的方法，而没有使用任何模具。在一个实例中，在方框10，可将预制品成型为期望的指定形状而不使用模具，随后可在方框10实施CVI。预制品的粘合剂可有助于使预制品成型。由实施方框10得到的加工的CMC结构可限定具有刚硬化形式的CMC结构，其限定(部分或完全)指定形状。关于方框20 (加入一个或多个补充预制品)，在一种实施方案中，通过向由实施方框10得到的加工的CMC结构加入一个或多个补充预制品，可实施方框20，使得在方框40由CVI加工得到的刚性CMC结构限定指定形状的一个或多个表面。
[0063]在具体实施方案中，制造的CMC结构要制造成的指定形状为用于热气体路径的涡轮部件的形状。在更具体的实施方案中，涡轮部件可包括，例如，燃烧衬里、叶轮、叶片(blade)、喷嘴、叶片(bucket)、过渡件、涡轮中心框或罩。通过完整的部件或部件的一部分，可提供本文的部件。
[0064]参考图11描述用于制造具有指定形状的结构的图1方法的一个实例，其中描述的位置为相对位置。参考图11，图1的方法可用于制造具有形状1100的结构。为了制造具有形状1100的结构，可使在方框10经历致密化的初始预制品成型，以在位置1101提供，在该位置，预制品的表面在使用CVI致密化时直接限定形状1100的表面。可使预制品成型，以在位置1101提供，使用或不使用模具。在位置1101，预制品可经历致密化(方框10)，以在位置1101限定刚性CMC结构。在位置1101，可将补充预制品加入到结构(方框20)，以限定采用位置组1101和1102的扩展结构。扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1101和110 2的刚性CMC结构。可将在位置1103的补充预制品加入到在位置组1101和110 2的结构，以限定采用位置组1101和1102和1103的扩展结构。采用位置组1101、1102和1103的扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1101、1102和1103的刚性CMC结构。
[0065]可随后将在位置1104的补充预制品加入到在位置组1101、1102和1103结构，以限定采用位置组1101、1102、1103和1104的扩展结构。采用位置组1101、1102、1103和1104的扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1101、1102、1103和1104的刚性CMC结构。使用机械加工过程，形状1100的边界外部的过量材料可随后经历去除。
[0066]参考图12描述用于制造具有指定形状的结构的图1方法的另一个实例，其中描述的位置为相对位置。参考图12，图1的方法可用于制造具有形状1100的结构。为了制造具有形状1100的结构，可使在方框10经历致密化的初始预制品成型，以在位置1201提供，在该位置，预制品在使用CVI致密化时不直接限定形状1100的表面。可使预制品成型，以在位置1201提供，使用或不使用模具。在位置1201，预制品可经历致密化，以在位置1201限定刚性CMC结构。
[0067]在位置1202和1203可将补充预制品加入到结构(方框20)，以限定采用位置组
1201、1202和1203的扩展结构。扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1201、1202和1203的刚性CMC结构。可将在位置1204的补充预制品加入到在位置组1201、1202、1203的结构，以限定采用位置组1201、1202、1203和1204的扩展结构。采用位置组1201、
1202、1203和1204的扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1201、1202和1203和1204的刚性CMC结构。可将在位置1205的补充预制品加入到在位置组1201、1202、1203和1204的结构，以限定采用位置组1201、1202、1203、1204和1205的扩展结构。采用位置组1201、1202、1203、1204和1205的扩展结构可随后在方框40经历CVI，以限定采用位置组1201、1202、1203、1204和1205的刚性CMC结构。使用机械加工过程，形状1100的边界外部的过量材料可随后经历去除。
[0068]在图11和图12的每一个实例中，可使在方框10经历CVI的初始结构成型，使得预制品的形状限定制造的结构的形状1100。在一种实施方案中，本文进一步设定的预制品(例如，预制品202、302、502、602、707)可包括允许预制品成型为期望的形状的粘合剂材料。在图11的实例中，在位置1101的预制品的形状可通过在一定位置布置来限定形状1100的表面的形状，使得当经由CVI经历致密化时，采用位置1101的致密化结构的表面直接限定具有形状1100的结构的表面。在另一个实例中，例如在图12的实例中，在位置1201的初始预制品的形状可通过在一定位置布置来限定形状1100的表面的形状，使得当经由CVI经历致密化时，通过在位置1201的CMC结构支持的一个或多个预制品(例如，在位置1202)直接限定形状1100的表面。在图11的实例中，在方框10经历致密化的初始预制品的形状直接限定具有指定形状1100的制造部件的形状。在图11的实例中，在方框1经历致密化的初始预制品的形状间接限定具有指定形状1100的制造部件的表面形状。在图11和图12的每一个实例中，通过初始预制品的致密化(在图11的实例中在位置1101，在图12的实例中在位置1201)限定的刚性CMC结构可用作模具，用于使一个或多个另外的预制品成型。
[0069]在图11和12中提及的形状1100可为限定涡轮部件的形状，所述涡轮部件例如，燃烧衬里、叶轮、叶片(bIade)、喷嘴、叶片(bucket)、过渡件、涡轮中心框或罩。在图11和12的实施方案中的形状1100为实心形状，S卩，不具有空心部分。在另一个实施方案中，形状1100可包括空心部分。
[0070]当在方框20加入补充预制品时，通过例如由补充预制品的粘合剂提供的力，补充预制品可与现有的结构接合。在方框40实施CVI加工时，接合力可提高。
[0071]为了在方框10和40实施CVI加工，可将预制品(例如，预制品202、302、502、602、702)引入CVI处理室反应器，并且适当的气体可渗透通过预制品，例如，预制品202、302、502、602、702。预制品202、302、502、602、702可对通过使预制品经历CVI形成的陶瓷基质复合材料(CMC)提供增强。适当的气体可包括，例如，以下的任一种，或两种或更多种的混合物:氢气、甲基-三氯硅烷、三氯化硼、氨、三氯硅烷、氯化钼和烃气体。适当的气体可包括任何含有硅烷的气体以及任何含有硅氧烷、硅氮烷或其它含硅气体以及适当的有机金属气体。用于各种沉积化学的气体前体组合物为本领域公知的。在CVI处理室反应器内的气体可不存在主要流动方向。在室反应器内提供气体以不存在主要流动方向可降低加工成本。可提高室内的温度，并且反应物气体可在高温下经历化学反应。在反应期间，在预制品(例如，预制品202、302、502、602、702)纤维的表面上可形成基质涂层，以限定致密化的CMC结构，例如，致密化的 CMC 结构 203、303、403、503、603、703、803。当预制品 202、302、502、602、702 的纤维通过3丨(:纤维提供时，可在预制品的纤维上形成由例如3丨(:、8184(:、3丨3仏、]?03丨2、3102、S1C, S iNC和/或S i ONC组成的基质，以限定致密化的CMC结构，例如，本文进一步设定的结构203、303、403、503、603、703、803。在一种实施方案中，在实施CVI加工期间，在形成基质之前，可在预制品202、302、502、602、702的纤维上形成涂层。
[0072]在整个说明书和权利要求书中，本文使用的近似语言可用于修饰可容许地改变而不会导致相关的基本功能变化的任何数量表示。因此，被一个或多个术语例如“约”修饰的值不局限于指定的精确值。本文描述的术语"限定"包括要素被部分限定的关系以及要素被完全限定的关系。在一些情况下，近似语言可相应于用于测量该值的仪器的精密度。此处和在整个说明书和权利要求书中，范围限制可组合和/或互换；除非上下文或语言另外指示，否则确定这样的范围并且包括其中包含的所有子范围。虽然已参考多个具体实施方案描述了本公开，应理解的是，本公开的真实精神和范围应仅关于可由本说明书支持的权利要求来确定。此外，虽然在本文众多情况下，其中系统和设备和方法描述为具有特定数量的要素，应理解的是，这样的系统、设备和方法可使用少于或多于提及的要素的特定数量来实践。另外，虽然已描述多个具体实施方案，应理解的是，参考每一个具体实施方案已描述的特征和方面可与每一个其余的具体描述的实施方案一起使用。
[0073]虽然本文已说明和描述了本公开的仅某些特征，但是本领域技术人员可以想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和变化。
【主权项】
1.一种制造层状材料结构的方法，所述方法包括: 使预制品经历化学蒸气渗透(CVI)，以限定致密化的陶瓷基质复合材料(CMC)结构； 将补充预制品加入到CMC结构，以限定扩展结构； 使用所述扩展结构实施CVI。2.权利要求1的方法，其中所述方法包括重复所述加入和所述实施。3.权利要求1的方法，其中所述方法包括实施所述方法使得所得到的结构成型为指定形状。4.权利要求3的方法，其中所述指定形状为涡轮部件。5.权利要求4的方法，其中所述涡轮部件选自燃烧衬里、叶轮、叶片(blade)、喷嘴、叶片(bucket)、过渡件、祸轮中心框和罩。6.权利要求4的方法，其中实施所述方法使得所得到的结构具有涡轮部件的指定形状，包括使用模具。7.权利要求1的方法，其中一个或多个所述预制品或所述补充预制品包括单向纤维。8.权利要求7的方法，其中所述单向纤维包括纤维涂层。9.权利要求7的方法，其中所述单向纤维包括SiC。10.权利要求1的方法，其中所述预制品和补充预制品的敞开的孔隙率含量为约20%-约80%。
【文档编号】C04B35/80GK105924197SQ201610106089
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】J.H.韦弗, B.N.拉马穆尔蒂
【申请人】通用电气公司