陶瓷基质复合物制品及用于形成其的方法
【专利摘要】本发明涉及陶瓷基质复合物制品及用于形成其的方法。具体而言，一种陶瓷基质制品包括具有第一游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，以及具有第二游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，或具有第二游离硅比例的聚合物浸渍和热解的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。第二游离硅比例小于第一游离硅比例。
【专利说明】陶瓷基质复合物制品及用于形成其的方法
[0001]相关申请的交叉引用
该申请涉及Luthra等人于2015年2月26日提交且题为〃 Ceramic Matrix CompositeArticles And Methods For Forming Same〃的共同转让的共同提交的序列号为14/632030的专利申请(代理人卷号269441-1)，该申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
[0002]本公开内容大体上涉及陶瓷基质复合物(CMC)，并且更具体地涉及制品和用于形成陶瓷基质复合物制品的方法。
【背景技术】
[0003]陶瓷基质复合物大体上包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。增强材料在基质开裂的情况下用作CMC的承载组分，同时陶瓷基质保护增强材料、保持其纤维的定向，且用于将负载消散至增强材料。对于诸如燃气涡轮中的高温应用，特别关注硅基复合物，其包括作为基质和/或增强材料的碳化硅(SiC)。
[0004]不同的处理方法已经用来形成CMC。例如，一种途径包括熔化渗入(MI)，其使用熔化硅来渗入含有纤维的预形件中。由MI形成的CMC大体上完全致密，例如，具有大致为零的残余孔隙。用于形成CMC的另一途径为化学汽相渗入(CVI)t3CVI为基质材料由此通过在高温下使用反应气体渗入纤维预形件中以形成纤维增强复合物的过程。大体上，由使反应物扩散到预形件中和副产物气体扩散出预形件引入的限制导致复合物中在大约百分之10和大约百分之15之间的相对较高的残余孔隙。具体而言，通常在使用CVI形成CMC期间，由CVI形成的复合物的外部相比复合物的内部的孔隙度通常具有较低的孔隙度。用于形成CMC的另一途径包括最初使用部分CVI过程，然后是MI过程。该途径通常产生在大约百分之5和大约百分之7之间的较低的残余孔隙。
[0005]需要进一步的陶瓷基质复合物(CMC)，并且更特别地制品和用于形成陶瓷基质复合物制品的方法。
【发明内容】
[0006]在第一方面，本公开内容提供了一种陶瓷基质制品，该制品包括具有第一游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，以及具有第二游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，或具有第二游离硅比例的聚合物浸渍和热解的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。第二游离硅比例小于第一游离硅比例。
[0007]在第二方面，本公开内容提供了一种用于形成陶瓷基质复合物制品的方法。该方法包括通过熔化渗入形成具有第一游离硅比例的陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，通过熔化渗入或聚合物浸渍和热解形成具有第二游离硅比例的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，且其中第二游离硅比例小于第一游离硅比例。
[0008]技术方案1.一种陶瓷基质复合物制品，包括:
具有第一游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料;以及
具有第二游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物外层，其包括设置在所述基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，或具有第二游离硅比例的聚合物浸渍和热解的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在所述基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料;以及
其中所述第二游离硅比例小于所述第一游离硅比例。
[0009]技术方案2.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括纯碳化硅。
[0010]技术方案3.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括碳化硅和游离碳。
[0011]技术方案4.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅，且所述外层包括小于百分之5的游离硅。
[0012]技术方案5.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底包括在大约百分之5和大约百分之15之间的游离硅，且所述外层包括大约百分之O的游离硅。
[0013]技术方案6.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底包括第一孔隙度，所述外层包括第二孔隙度，且所述第二孔隙度大于所述第一孔隙度。
[0014]技术方案7.根据技术方案6所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之5到大约百分之30的孔隙度。
[0015]技术方案8.根据技术方案6所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底大体上包括小于百分之5的孔隙度，且所述外层包括大体上不具有孔隙度的外表面和具有大约百分之5到大约百分之10的孔隙度的内表面。
[0016]技术方案9.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括小于百分之5的游离硅和在大约百分之5到大约百分之30之间的孔隙度。
[0017]技术方案10.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之15之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之O的游离硅和大体上在大约百分之5和小于大约百分之10之间的孔隙度。
[0018]技术方案11.根据技术方案I所述陶瓷基质复合物制品，其中，所述外层包括聚合物浸渍热解陶瓷基质复合物外层。
[0019]技术方案12.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述外层包括在形成所述基底之后形成的所述熔化渗入外层。
[0020]技术方案13.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底和所述外层同时被熔化渗入，且其中所述外层的游离硅被提取。
[0021]技术方案14.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述基底和所述外层同时被熔化渗入，且其中所述基底由第一预浸料坯层合物形成，所述外层由不同于所述第一预浸料坯层合物的第二预浸料坯层合物形成。
[0022]技术方案15.根据技术方案I所述的陶瓷基质复合物制品，其中，所述制品包括涡轮护罩、涡轮叶片和涡轮喷嘴中的至少一者。
[0023]技术方案16.—种用于形成陶瓷基质复合物制品的方法，所述方法包括:
通过熔化渗入形成具有第一游离硅比例的陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料；
通过熔化渗入或聚合物浸渍和热解形成具有第二游离硅比例的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在所述基底的至少一部分上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料;以及其中所述第二游离硅比例小于所述第一游离硅比例。
[0024]技术方案17.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括纯碳化硅。
[0025]技术方案18.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括碳化硅和游离碳。
[0026]技术方案19.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅，且所述外层包括小于百分之5的游离硅。
[0027]技术方案20.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底包括在大约百分之5和大约百分之15之间的游离硅，且所述外层包括大约百分之O的游离硅。
[0028]技术方案21.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底包括第一孔隙度，所述外层包括第二孔隙度，且所述第二孔隙度大于所述第一孔隙度。
[0029]技术方案22.根据技术方案21所述的方法，其中，所述基底大体上包括小于百分之5的孔隙度，且所述外层包括大约百分之5到大约百分之30的孔隙度。
[0030]技术方案23.根据技术方案21的方法，其中，所述基底大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之5到大约百分之10的孔隙度。
[0031]技术方案24.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括小于百分之5的游离硅和在大约百分之5到大约百分之30之间的孔隙度。
[0032]技术方案25.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底包括在百分之5和大约百分之15之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之O的游离硅和大体上在大于百分之5和小于大约百分之10之间的孔隙度。
[0033]技术方案26.根据技术方案16所述的方法，其中，形成所述外层包括通过聚合物浸渍热解来形成所述外层。
[0034]技术方案27.根据技术方案16所述的方法，其中，形成所述外层包括在通过熔化渗入形成所述基底之后通过熔化渗入形成所述外层。
[0035]技术方案28.根据技术方案16所述的方法，其中，形成所述外层包括同时通过熔化渗入形成所述基底和所述外层，且还包括从所述外层提取游离硅。
[0036]技术方案29.根据技术方案16所述的方法，其中，形成所述基底包括层合第一预浸料坯，形成所述外层包括层合第二预浸料坯，且形成所述基底和形成所述外层包括同时对所述第一预浸料坯和所述第二预浸料坯的熔化渗入。
[0037]技术方案30.根据技术方案16所述的方法，其中，所述基底的陶瓷纤维增强材料与所述外层的陶瓷纤维增强材料相同。
【附图说明】
[0038]本公开内容的前述及其它特征、方面和优点将从连同附图的本公开内容的其它方面的以下详细描述变得清楚，其中:
图1为根据本公开内容的方面的陶瓷基质复合物制品的截面视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；
图2为图1的陶瓷基质复合物制品的陶瓷基质复合物基底的截面视图；
图3为具有陶瓷基质复合物外层的图2的陶瓷基质复合物基底的截面视图；
图4为根据本公开内容的方面的CMC制品的截面视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；
图5为根据本公开内容的方面的CMC制品的透视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；
图6为根据本公开内容的方面的CMC涡轮护罩的一部分的截面视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；
图7为根据本公开内容的方面的涡轮叶片的分解透视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；
图8为根据本公开内容的方面的涡轮喷嘴的一部分的分解透视图，其具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层；以及
图9为用于形成根据本公开内容的方面的具有陶瓷基质复合物基底和陶瓷基质复合物外层的CMC制品的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0039]详细描述便于阐释本公开内容的某些方面，且不应当理解为限制本公开内容的范围。此外，如本文在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于修饰在不导致其涉及的基本功能变化的情况下可容许改变的任何数量表示。因此，由一个或多个用语(诸如〃大约〃)修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。当介绍各种实施例的元件时，冠词〃一个〃、〃一种〃、〃该〃和〃所述〃意在表示存在一个或多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"意在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的额外元件。如本文使用的用语"可"和"可为"指出现在一组情况内的可能性;拥有指定性质、特征或功能;和/或通过表示与修饰动词相关联的能力、性能或可能性中的一者或多者修饰另一个动词。因此，"可"和"可为"的使用是指修饰的用语表面上是适合、有能力或适用于指出的能力、功能或用途，同时考虑了在一些情况中，修饰的用语可能有时不是适合的、有能力的或适用的。操作参数的任何示例并未排除公开的实施例的其它参数。本文参照任何特定实施例描述、示出或以其它方式公开的构件、方面、特征、构造、布置、使用等可类似地应用于本文公开的任何其它实施例。
[0040]大体上，本公开内容针对一种陶瓷基质复合物(CMC)制品，其大体上具有良好的机械性能，诸如抗拉和/或抗压强度，连同增加的抗蠕变性，诸如对于随时间由应力和/或升高的温度能力引起的变形或形状变化的抗性。例如，CMC制品可包括CMC基底和外部CMC表皮或层。CMC基底和外部CMC表皮或层可具有不同性质，允许CMC制品的定制以导致CMC制品大体上具有良好的机械性能，带有增加的抗蠕变性(对于随时间由应力引起的变形或形状变化的抗性)和/或增加的温度能力。本公开内容的技术导致CMC基底和CMC外层两者为具有增强材料的CMC，且因此，CMC基底和CMC外层两者提供机械性能，诸如抗拉和/或抗压强度。另外，CMC外层还可向CMC制品提供增加的抗蠕变性和/或增加的温度能力。本公开内容的该技术可在其中表面应力较高且其中蠕变通常成问题和/或其中经历高温的CMC构件中有利。例如，许多涡轮构件具有模拟弯曲状态的热和机械应力。在弯曲期间，平面内应力在表面处最高。因此，将更抗蠕变的材料和温度能力置于表面上可总体上改善结构的蠕变响应和/或热能力。
[0041 ]图1示出了根据本公开内容的方面的具有CMC基底20和CMC表皮或外层50的CMC制品10。如下文更详细所述，CMC基底20可包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，其具有第一游离硅比例或含量(例如，总体上游离硅关于基底的量)，且CMC外层50可包括设置在CMC基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。CMC外层50可包括小于第一游离硅比例或含量的第二游离硅比例或含量(例如，总体上游离硅关于外层的量)οCMC基底20可为富硅的碳化硅基底，例如，其具有游离硅(例如，大于百分之O到大约百分之30、在百分之5和大约百分之30之间、在大约百分之5和大约百分之20之间、在大约百分之5和大约百分之15之间、大约或大于百分之5、大约或大于百分之10、大约或大于百分之15、大约或大于百分之20、大约或大于百分之30，或按元素硅或硅合金相的量更多的游离硅)XMC基底20可大体上具有真密度，或没有或有很小的孔隙度(例如，大约百分之0、小于百分之5，或在大约百分之O和小于百分之5之间)。
[0042]CMC外层50按元素硅或硅合金相的量可大体上小于大约百分之10、小于百分之10、小于大约百分之5，或小于百分之五，为纯碳化硅(例如，百分之零)、大体上无游离硅或零游离硅含量的碳化硅(例如，大约百分之O)或略微富碳的碳化硅(例如，0.995的硅与1.005的碳的比率)XMC外层50可具有在大约百分之5到大约百分之30之间、在大约百分之5和大约百分之10之间，或大约百分之10到大约百分之20的孔隙度。
[0043]CMC基底20可由第一过程形成，且CMC外层50可由不同于第一过程的第二过程形成。例如，CMC基底可通过使用熔化渗入过程形成，且外层可使用熔化渗入过程或聚合物浸渍和热解过程来形成。外层50可具有优于基底20的抗蠕变性，且可导致CMC制品10具有比没有外层50的CMC制品的抗蠕变性更大的抗蠕变性。可能没有游离元素硅或硅合金的CMC外层50相比于CMC基底20(其可包括游离硅)可具有较好的温度能力(例如，高于硅的熔点)，且可导致CMC制品10具有比没有外层50的CMC制品的温度能力更高的温度能力。
[0044]参看图2，CMC制品10 (图1)可包括最初形成CMC基底20。CMC基底20的表面区域可包括多个薄层22，各个薄层源自独立的预浸料坯，预浸料坯包括浸渍有陶瓷基质前体的单向对准的纤维25的束24。结果，各个薄层22均包含单向对准的纤维25，其嵌入在焚烧和熔化渗入期间由陶瓷基质前体的转变形成的陶瓷基质26中。
[0045]例如，CMC基底20可由多层"预浸料坯"制成，其通常为带状结构，包括浸渍有CMC基质材料的前体的期望的CMC的增强材料。预浸料坯可经历处理(包括焚烧)以将前体转变成期望的陶瓷。预浸料坯可为连续纤维增强的陶瓷复合物(CFCC)材料，且可包括二维纤维阵列，其包括浸渍有基质前体的单向对准的束的单层，以产生大体上二维的叠层。所得的预浸料坯的多个层片被堆叠和压实以形成叠层预形件(称为"层合"的过程)。预浸料坯可布置成使得预浸料坯层的束定向成彼此横穿或成角度，以在预形件的薄层平面中提供较大强度(对应于最终CMC构件的主要(承载)方向)。
[0046]在层合之后，叠层预形件可经历压实和固化，同时经历施加的压力和升高的温度，诸如在高压釜中。在熔化渗入(MI)的情况中，压实和固化预形件经历额外处理。首先，预形件可在真空或在惰性气氛中加热，以便分解有机粘合剂，其中至少一者在该热处理期间热解以形成炭化碳(carbon char)，且产生多孔预形件用于熔化渗入。作为与粘结剂烧尽步骤的相同加热循环的一部分或在独立的随后加热步骤中的进一步加热，预形件被熔化渗入，诸如利用外部供应的熔化的硅。熔化的硅渗入孔隙中，与基质的碳组分反应以形成碳化硅，且填充孔隙以产生期望的CMC基底。
[0047]参看图3，CMC制品10可包括在最初形成的CMC基底20上形成外层50。例如，薄层52可源于独立的预浸料坯，其包括浸渍有陶瓷基质前体的单向对准的束54。薄层52包含在焚烧和熔化渗入(MI)期间嵌入由陶瓷基质前体转变形成的陶瓷基质56中的单向对准的纤维55。
[0048]例如，CMC外层50可由通常为带状结构形式的〃预浸料坯〃的层制成，其包括浸渍有CMC基质材料的前体的期望的CMC的增强材料。预浸料坯经历处理(包括焚烧)以将前体转变成期望的陶瓷。预浸料坯可为连续纤维增强的陶瓷复合物(CFCC)材料，且可包括二维纤维阵列，其包括浸渍有基质前体的单向对准的束的单层，以产生大体上二维的叠层。预浸料坯的层片可设置在CMC基底上。预浸料坯可布置成使得预浸料坯层的束定向得横穿(例如，垂直于)CMC基底的最外层的束或与其成角度。
[0049]预浸料坯层可经历固化，同时经历施加的压力和高温，诸如在高压釜中或局部施加的压力和热中。在熔化渗入的情况中，设置在CMC基底上的预浸料坯层可在真空或在惰性气氛中加热，以便分解有机粘结剂，其中至少一者在该热处理期间热解以形成炭化碳，且产生多孔层用于熔化渗入。作为与粘结剂烧尽步骤的相同加热循环的一部分或在独立的随后加热步骤中的进一步加热，层被熔化渗入，诸如利用外部供应的熔化的硅。熔化的硅渗入孔隙中，与基质的碳组分反应以形成碳化硅，且填充孔隙以产生期望的CMC外层。
[0050]为了形成CMC外层50，熔化渗入过程相比于形成CMC基底20中使用的熔化渗入过程可相同或不同。例如，将与施加到基底的相同熔化渗入过程用于相对较薄的随后外层可导致外层50具有小于基底的第一游离硅含量的第二游离硅含量。作为备选，熔化渗入过程可定制(例如，相比于形成基底减少外层设置在硅浴中的时间)，以便外层导致具有第二游离娃含量(小于基底的第一游离娃含量)的外层50。
[0051]在另一个实施例中，CMC基底和CMC外层可使用熔化渗入同时或在不同时间形成。例如，用于形成基底和外层的预浸料坯可不同。用于外层的预浸料坯可由预浸料坯制成，其在熔化渗入之后消耗更多游离硅，导致外层相比于基底的游离硅含量具有较少的游离硅。用于基底的此预浸料坯可包括碳，且用于外层的此预浸料坯可包括额外的反应金属，诸如钼或钽。
[0052]在另一个实施例中，CMC基底和CMC外层可使用熔化渗入过程同时形成。例如，在熔化渗入过程之后，游离硅提取过程可用于从最外部的层或多个层除去游离硅，以限定相比于基底的游离硅含量和孔隙度具有较少游离硅含量和较大孔隙度的外层。
[0053]再参看图3，在根据本公开内容的另一个实施例中，基底可通过熔化渗入形成，且CMC外层50可通过聚合物浸渍和热解(PIP)过程形成。例如，PIP过程还可包括利用液体聚合物前体浸透纤维预形件，其首先固化(交联)且随后热解，将聚合物转变成陶瓷。特定纤维预形件和液体聚合物前体的选择可导致外层50具有比基底的游离硅含量少的游离硅含量。
[0054]图4示出了根据本公开内容的方面的具有CMC基底100和CMC表皮或外层150的CMC制品110XMC基底120可包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，其具有第一游离硅比例或含量，且CMC外层150可包括设置在CMC基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。CMC外层150可包括小于第一游离硅比例或含量的第二游离硅比例或含量。CMC基底120可为富硅的碳化硅基底，例如，其具有游离硅(例如，大于百分之O到大约百分之30、在百分之5和大约百分之30之间、在大约百分之5和大约百分之20之间、在大约百分之5和大约百分之15之间、大约或大于百分之5、大约或大于百分之10、大约或大于百分之15、大约或大于百分之20、大约或大于百分之30，或按元素硅或硅合金相的量更多的游离硅)。例如，CMC基底120可大体上具有真密度，或没有或有很小的孔隙度(例如，大约百分之
0、小于百分之5，或在大约百分之O和小于百分之5之间)。
[0055]CMC外层150按元素硅或硅合金相的量可大体上小于大约百分之10、小于百分之10、小于大约百分之5，或小于百分之五，为纯碳化硅(例如，百分之零)、大体上无游离硅或零游离硅含量的碳化硅(例如，大约百分之O)或略微富碳的碳化硅(例如，0.9 9 5的硅与1.005的碳的比率)XMC外层150可具有在大约百分之5到大约百分之30之间、在大约百分之5和大约百分之10之间，或大约百分之10到大约百分之20的孔隙度。
[0056]CMC基底120可由第一过程形成，且CMC外层150可由不同于第一过程的第二过程形成。例如，CMC基底可通过使用熔化渗入过程来形成，且外层可使用熔化渗入过程或聚合物浸渍和热解过程来形成。具有优于基底120的抗蠕变性的外层150可导致CMC制品110具有比没有外层150的CMC制品的抗蠕变性更高的抗蠕变性。可能没有游离元素硅或硅合金的CMC外层150可相比于CMC基底120(其可包括游离硅)具有较好的温度能力(例如，高于硅的熔点)，且可导致CMC制品110具有比没有外层150的CMC制品的温度能力更高的温度能力。
[0057]CMC制品110可包括最初以如上文关于形成基底20(图2)提到的类似方式形成CMC基底120。仍参看图4，CMC制品110可包括在最初形成的CMC基底120上形成外层150。例如，夕卜层150可包括多个薄层152，各个薄层源自独立的预浸料坯，其包括浸渍有陶瓷基质前体的单向对准的束。各个薄层152可包含在焚烧期间嵌入由陶瓷基质前体的转变形成的陶瓷基质中的单向对准的纤维。
[0058]例如，CMC外层150可由通常为带状结构形式的多层〃预浸料坯〃制成，其包括浸渍有CMC基质材料的前体的期望的CMC的增强材料。预浸料坯经历处理(包括焚烧)以将前体转变成期望的陶瓷。预浸料坯可为连续纤维增强的陶瓷复合物(CFCC)材料，且可包括二维纤维阵列，其包括浸渍有基质前体的单向对准的束的单层，以产生大体上二维的叠层。所得的预浸料坯的多个层片堆叠和压实。预浸料坯通常可布置成使得预浸料坯层的束定向得横穿(例如，垂直于)彼此或与CMC基底的最外层的束成角度。
[0059]该多个层通常可经历压实和固化，同时经历施加的压力和高温，诸如在高压釜中或局部施加的压力和热中。在熔化渗入的情况中，设置在CMC基底上的压实和固化的多个层可在真空中或惰性气氛中加热以便分解有机粘结剂，其中至少一者在该热处理期间热解以形成炭化碳，且产生多孔层用于熔化渗入。作为与粘结剂烧尽步骤的相同加热循环的一部分或在独立的随后加热步骤中的进一步加热，多孔层被熔化渗入，诸如利用外部供应的熔化的硅。熔化的硅渗入孔隙中，与基质的碳组分反应以形成碳化硅，且填充孔隙以产生期望的CMC外层。
[0060]为了形成CMC外层150，熔化渗入过程相比于形成CMC基底120中使用的熔化渗入过程可相同或不同。例如，将与施加到基底相同的熔化渗入过程用于相对较薄的随后外层可导致外层150具有比基底的第一游离硅含量少的第二游离硅含量。作为备选，熔化渗入过程可定制(例如，相比于形成基底减少外层设置在硅浴中的时间)，以便外层导致具有第二游离娃含量(小于基底的第一游离娃含量)的外层150。
[0061]在另一个实施例中，CMC基底和CMC外层可使用熔化渗入同时或在不同时间形成。例如，用于形成基底和外层的预浸料坯可不同。用于外层的预浸料坯可由预浸料坯制成，其在熔化渗入之后消耗更多游离硅，导致外层相比于基底的游离硅含量具有较少的游离硅。用于基底的此预浸料坯可包括碳，且用于外层的此预浸料坯可包括额外的反应金属，诸如钼或钽。
[0062]在另一个实施例中，CMC基底和CMC外层可使用熔化渗入过程同时形成。例如，在熔化渗入过程之后，游离硅提取过程可用于从最外部的层或多个层除去游离硅，以限定相比于基底的游离硅含量和孔隙度具有较少游离硅含量和更大孔隙度的外层。
[0063]仍参看图4，在根据本公开内容的另一个实施例中，基底可通过熔化渗入形成，且CMC外层150可通过聚合物浸渍和热解(PIP)过程形成。例如，PIP过程可包括利用液体聚合物前体浸透纤维预形件，其首先固化(交联)且随后热解，将聚合物转变成陶瓷。特定纤维预形件和液体聚合物前体的选择可导致外层150具有比基底的游离硅含量少的游离硅含量。
[0064]在以上实施例中，用于束的材料可为SiC纤维。适用于束的材料的示例为来自Nippon Carbon有限公司的H1-NICALON ?。用于纤维的直径的适合范围为大约二到大约二十微米，但具有较大和较小直径的纤维也在本公开内容的范围内。纤维可优选涂布有材料以将某些期望的性质赋予CMC基底和/或CMC外层，诸如碳或氮化硼中间层(未示出)。本领域的技术人员将认识到，本公开内容的教导还适用于其它CMC材料组合，且此组合在本公开内容的范围内。
[0065]如上文所述，由熔化渗入或聚合物浸渍和热解过程形成的具有很少或没有游离硅相的CMC外层可导致CMC外层具有大于由MI形成的CMC基底的抗蠕变性和/或温度能力，且大体上具有真密度，或没有或有很小的孔隙度，诸如大约百分之0、小于百分之5，或在大约百分之O和小于百分之5之间。另外，如由硅熔化渗入形成的CMC基底可导致富硅的碳化硅基底，其例如按元素娃或娃合金相的量具有百分之5、百分之10、百分之15、百分之20、百分之30或更多的游离硅。CMC外层可大致小于元素硅或硅合金相的量的百分之5，为纯碳化硅，例如，大约I比I的硅与碳的比率，或略微富碳，诸如0.995的硅与1.005的碳的比率。CMC外层可具有在大约百分之5到大约30之间、在大约百分之5和大约百分之10之间，或在大约百分之10到大约百分之20之间的孔隙度。用于形成CMC制品的层片或单向带的厚度可为大约5mil(0.005英寸)到大约1miK0.010英寸)XMC制品可形成为具有单个层片或层的增强纤维、多个层片或层的增强纤维，或许多层片或层的增强纤维以用于形成CMC外层。例如，本公开内容的CMC制品可包括由大约八个层片或层的增强纤维和熔化渗入形成的CMC基底，以及由一个或两个层片或层的增强纤维形成的外层，使得外层可为CMC制品的厚度的大约百分之10到大约百分之25。在陶瓷基质复合物制品的其它实施例中，外层可为陶瓷基质复合物制品的厚度的大约百分之10到大约百分之50。在其它实施例中，CMC制品可具有大约50到大约100个层片。将认识到的是，CMC基底关于CMC外层的层片数目和厚度的其它构造也是可能的。
[0066]尽管CMC制品可由单向预浸料坯带形成，但将认识到的是，织造预浸料坯带可用于形成CMC基底和/或CMC外层。单向预浸料坯带中的对准纤维可导致少于预浸料坯织造纤维织物引起的气孔。另外，一个或多个额外的层或涂层可形成于CMC制品的CMC外层上。例如，在一些实施例中，环境阻挡涂层(EBC)系统可形成在外层上。
[0067]另外，基底和/或外层可通过浆料铸造熔化渗入过程形成，例如，使用碳、含碳树脂或其它碳质材料的浆料，以及可选的碳化硅颗粒，其被引入纤维预形件的孔隙中，且熔化的硅随后渗入其余空间中来与碳质材料反应以形成碳化硅。纤维预形件可由织造材料形成。
[0068]图5示出了根据本公开内容的方面的具有陶瓷基质复合物基底220和相对的陶瓷基质复合物外层250的CMC制品210 XMC外层250可在整个CMC基底上或仅在CMC基底220的一部分(诸如基底的一侧或两侧上)上延伸。基底220和外层250可类似地形成，且具有如上文所述的基底20(图3)和120(图4)与外层50(图3)和150(图4)的特征。
[0069]图6为根据本公开内容的方面的具有陶瓷基质复合物基底320和陶瓷基质复合物外层350的CMC涡轮护罩310的一部分的截面视图。例如，外层350可设置在涡轮的热流动气体附近。基底320和外层350可类似地形成，且具有如上文所述的基底20(图3)和120(图4)与外层50(图3)和150(图4)的特征。
[0070]图7为大体上根据本公开内容的方面的具有陶瓷基质复合物基底420、陶瓷基质复合物外层450和环境阻挡层系统470的涡轮叶片400的分解透视图。基底420和外层450可类似地形成，且具有如上文所述的基底20(图3)和120(图4)与外层50(图3)和150(图4)的特征。
[0071]图8为大体上根据本公开内容的方面的具有陶瓷基质复合物基底520、第一陶瓷基质复合物外层550和第二陶瓷基质复合物外层455的涡轮喷嘴500的一部分的透视图。第一外层450可包绕喷嘴的后缘。基底520和外层550可类似地形成，且具有如上文所述的基底20(图3)和120(图4)与外层50(图3)和150(图4)的特征。
[0072]如上文所述，大体而言，使用一致的预形件和熔化渗入单独形成的CMC制品具有包括真密度和机械性能的有吸引力的特征。然而，由于熔化渗入引起的游离硅，故在超过大约2400华氏度(大约1300摄氏度)的温度处，基质的抗蠕变性较弱，其自身显现出较差的蠕变断裂和持续峰值低周疲劳(SPLCF)强度。在超过大约2550华氏度(大约1400摄氏度)的温度处，游离硅熔化。使用化学汽相渗入单独形成的CMC制品包含较大的孔隙度，其导致了较差的薄层间性质和较差的抗氧化性。
[0073]从本描述中将认识到本公开内容的技术克服了与使用熔化渗入的一致预形件单独形成或通过提供CMC表皮或外层(其向CMC制品提供增加的抗蠕变性和/或增加的温度能力)的化学汽相渗入形成的CMC制品相关的问题。本公开内容的提出的技术可将当前MI陶瓷基质复合物的温度极限从大约2400华氏度(大约1300摄氏度)增大至高于硅的熔化温度(大约2577华氏度(大约1414摄氏度))的温度。例如，本技术可提供将CMC复合物的温度能力提高大约200华氏度(大约90摄氏度)到大约300华氏度(大约150摄氏度)之间的潜力。这在制品用于基底保持在大约2500华氏度(大约1370摄氏度)以下的热梯度中的情况下是可能的，但允许外表面超过该温度，诸如在涡轮护罩中。该温度能力可导致飞行器发动机的一定百分比的比燃料消耗(SFC)降低，且因此，航线的燃料和费用降低。
[0074]本公开内容的此技术可有利地应用于陶瓷或硅承载的涡轮构件，例如，涡轮叶片、导叶、喷嘴、护罩等。
[0075]图9示出了用于形成陶瓷基质复合物制品的方法600。该方法包括:在610处，通过熔化渗入形成具有第一游离硅比例的陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，以及在620处，通过熔化渗入或聚合物浸渍和热解形成具有第二游离硅比例的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。第二游离硅比例小于第一游离硅比例。
[0076]在本公开内容的其它实施例中，陶瓷基质复合物制品可包括具有第一游离硅比例的陶瓷基质复合物基底、具有第二游离硅比例的陶瓷基质复合物外层，陶瓷基质复合物基底包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，陶瓷基质复合物外层包括设置在基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，且第二游离硅比例小于第一游离硅比例。
[0077]在本公开内容的其它实施例中，陶瓷基质复合物制品可包括具有第一孔隙度的陶瓷基质复合物基底，其在陶瓷基质材料中包括陶瓷纤维增强材料，以及具有第二孔隙度的陶瓷基质复合物外层，其在设置在基底的至少一部分上的陶瓷基质材料中包括陶瓷纤维增强材料。第二孔隙度大于第一孔隙度。
[0078]在本公开内容的其它实施例中，陶瓷基质复合物制品可包括具有第一抗蠕变性的陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，以及具有第二抗蠕变性的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在基底的至少一部分上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。第二抗蠕变性大于第一抗蠕变性。
[0079]将理解的是，以上描述意在为示范性的，而非限制性的。在不脱离如由以下权利要求及其等同物限定的本公开内容的总体精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可在本文中作出许多变化和改型。例如，上述实施例(和/或其方面)可与彼此组合使用。此外，可使一些改型适于各种实施例的教导的特定情形或材料，而并不脱离它们的范围。尽管本文所述的材料的大小和类型意在限定各种实施例的参数，但它们绝不意在限制且仅为示例性的。在阅读以上描述时，许多其它实施例对于本领域的技术人员将显而易见。因此，各种实施例的范围应当参照所附权利要求连同此权利要求赋予的等同物的完整范围来确定。在所附权利要求中，用语〃包括(including) 〃和〃其中(in which) 〃用作相对用语〃包括(comprising) 〃和〃其中(wherein) 〃的通俗英语的同义词。此外，在以下权利要求中，用语〃一个〃、〃第二〃和〃第三〃等仅用作标记，且不意在对其对象施加数目要求。另外，结合用语(诸如联接、连接、接合、密封等)的用语"可操作地"在本文中用于表示由直接地或间接地联接的单独的不同构件和整体形成的构件(即，一件式、一体式或整体式)引起的两种连接。此夕卜，以下权利要求的限制并未以装置加功能的形式撰写，且不意在基于35 U.S.C.§112的第六段来理解，除非且直到此权利要求限制明确使用短语〃用于…的装置〃随后是没有其它结构的功能的声明。将理解的是，不一定上文所述的所有这些目的或优点都可根据任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本文所述的系统和技术可以以实现或优化本文教导的一个优点或成组优点的方式体现或执行，而不需要实现本文可教导或提出的其它目的或优点。
[0080]尽管已经仅结合了有限数目的实施例详细描述了本公开内容，但将容易理解的是，本公开内容不限于这样公开的实施例。相反，本公开内容可改为结合迄今并未描述但与本公开内容的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、替换或等同布置。另外，尽管已经描述了各种实施例，但将理解的是，本公开内容的方面可包括所述实施例中的仅一些。因此，本公开内容不应看作是由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
[0081]该书面描述使用了示例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开内容的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种陶瓷基质复合物制品，包括: 具有第一游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物基底，其包括陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料;以及 具有第二游离硅比例的熔化渗入陶瓷基质复合物外层，其包括设置在所述基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料，或具有第二游离硅比例的聚合物浸渍和热解的陶瓷基质复合物外层，其包括设置在所述基底的至少一部分的外表面上的陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料;以及 其中所述第二游离硅比例小于所述第一游离硅比例。2.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括纯碳化硅。3.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底大体上包括碳化硅和游离硅，且所述外层大体上包括碳化硅和游离碳。4.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅，且所述外层包括小于百分之5的游离硅。5.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底包括在大约百分之5和大约百分之15之间的游离硅，且所述外层包括大约百分之O的游离硅。6.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底包括第一孔隙度，所述外层包括第二孔隙度，且所述第二孔隙度大于所述第一孔隙度。7.根据权利要求6所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之5到大约百分之30的孔隙度。8.根据权利要求6所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底大体上包括小于百分之5的孔隙度，且所述外层包括大体上不具有孔隙度的外表面和具有大约百分之5到大约百分之10的孔隙度的内表面。9.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底包括在百分之5和大约百分之30之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括小于百分之5的游离硅和在大约百分之5到大约百分之30之间的孔隙度。10.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物制品，其特征在于，所述基底包括在百分之5和大约百分之15之间的游离硅且大体上不包括孔隙度，且所述外层包括大约百分之O的游离硅和大体上在大约百分之5和小于大约百分之10之间的孔隙度。
【文档编号】C04B38/00GK105924200SQ201610106271
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】J.D.斯泰贝尔
【申请人】通用电气公司