使用牺牲纤维和非润湿涂层形成陶瓷基复合物的方法与流程
大体提供制备陶瓷基复合物的方法，以及通过这种方法制备的产品。特别地，通过熔体渗透(mi)形成的陶瓷基复合物产品。
背景技术：
陶瓷基复合物(“cmc”)具有高温能力并且重量轻。因此，复合物是用于各种应用的有吸引力的材料，例如对于燃气涡轮发动机中的温度耐久性和重量是重要考虑因素的部件。当前制备cmc产品的方法包括形成陶瓷纤维和基质的层压体，热处理该层压体，向该层压体施加渗透剂，以及使该层压体致密化。然后可以对致密化的层压体进行机加工以制备具有所需尺寸和功能特征(更具体地，细长通道，例如冷却通道)的cmc产品。或者，可以使用织造的预成型件代替层压体。
所关注的是所需的渗透后加工以及在熔体渗透之后加工预成型件时遇到的困难。特别令人关注的是将功能特征(例如冷却通道)加工到熔体渗透的预成型件中。以可重复的方式控制这些通道的大小，形状和数量具有挑战性。为了克服这一挑战，可以在预成型件的铺设和层压期间以及在熔体渗透之前形成功能特征。在熔体渗透之前形成这些功能特征的情况下，在防止渗透剂在熔体渗透过程中例如通过沉积在表面上而必须填充功能特征时出现了挑战。
因此，在本领域中期望一种改进的制备陶瓷基复合物的方法，尤其是能够提供一种形成功能特征，以防止在熔体渗透过程中由渗透剂填充功能特征的改进方法。
技术实现要素：
本公开的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本公开而获知。
大体提供用于形成陶瓷基复合物(cmc)产品的方法，以及通过这种方法形成的所得产品。在一个实施例中，该方法包括：在一个或多个牺牲纤维上沉积一个或多个涂层以形成一个或多个涂覆的牺牲纤维，其中一个或多个涂层中的至少一个是非润湿涂层；形成cmc预成型件，cmc预成型件包括基质前体，多个增强纤维和一个或多个涂覆的牺牲纤维；执行以下操作中的一个：去除一个或多个牺牲纤维，使得沿cmc预成型件形成一个或多个功能特征，其中去除包括去除一个或多个牺牲纤维，使得非润湿涂层保留在一个或多个功能特征上；或者将流体渗透剂施加到cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化；以及执行以下操作中的另一个：去除一个或多个牺牲纤维，使得沿cmc预成型件形成一个或多个功能特征，其中去除包括去除一个或多个牺牲纤维，使得非润湿涂层保留在一个或多个功能特征上；或者将流体渗透剂施加到cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化。非润湿涂层适于在熔体渗透期间抑制流体渗透剂流到一个或多个功能特征并沉积在其上。
在另一实施例中，该方法包括：在一个或多个牺牲纤维上沉积一个或多个涂层，一个或多个涂层中的至少一个是非润湿涂层；形成cmc预成型件，cmc预成型件包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和一个或多个涂覆的牺牲纤维；去除一个或多个牺牲纤维，使得沿着cmc预成型件形成一个或多个细长通道，其中去除包括去除一个或多个牺牲纤维，使得非润湿涂层保留在一个或多个细长通道的内表面上；和将流体渗透剂施加到cmc预成型件上，从而使cmc预成型件致密化并形成cmc产品。非润湿涂层适于在熔体渗透期间，抑制流体渗透剂到一个或多个细长通道的流动和沉积。
在又一实施例中，该方法包括：形成包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和一个或多个牺牲纤维的cmc预成型件，一个或多个牺牲纤维具有沉积在其上的由氮化硼(bn)组成的涂层，其中一个或多个牺牲纤维的平均直径为约10μm至1000μm，其中形成cmc预成型件包括以织造图案或非织造图案中的一个形成一个或多个牺牲纤维；去除一个或多个牺牲纤维，使得沿cmc预成型件形成细长通道，其中去除包括去除一个或多个牺牲纤维，使得涂层保留在细长通道的内表面上；和将由硅或硅合金中的一种组成的熔体渗透剂施加到cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化并形成cmc产品。涂层适于在施加熔体渗透剂期间，抑制熔体渗透剂流到形成在一个或多个细长通道中的每一个内的腔中并沉积在其上。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
附图说明
在说明书中提出了针对本领域的普通技术人员的包括其最佳模式的完整且可行的公开，其中参照附图，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的牺牲纤维的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的图1的牺牲纤维的示意图，该牺牲纤维具有设置在其上的非润湿涂层；
图3是根据本公开的一个实施例的图1的牺牲纤维的替代实施例的示意图，该牺牲纤维具有设置在其上的牺牲聚合物涂层和非润湿涂层；
图4是根据本公开的一个实施例的在用浆料形成之后的cmc预成型件的示意图；
图5是根据本公开的一个实施例的在加热和压实预成型件之后cmc预成型件的示意图；
图6是根据本公开的一个实施例的在去除一些或全部牺牲纤维之后的cmc预成型件的示意图；
图7是根据本公开的一个实施例的在渗透剂渗透之后的cmc预成型件的示意图；
图8是根据本公开的一个实施例的cmc产品的示意图；
图9是根据本公开的一个实施例的在用浆料形成之后的根据另一实施例的cmc预成型件的示意图；
图10是根据本公开的一个实施例的在渗透剂渗透之后的cmc预成型件的示意图；
图11是根据本公开的一个实施例的在去除一些或全部牺牲纤维之后的cmc预成型件的示意图；
图12是根据本公开的一个实施例的根据图8的实施例的cmc产品的示意图；
图13是根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的示例性方法的流程图；和
图14是显示根据下述示例的cmc产品的横截面的示意图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示所示实施例的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，在附图中示出了一个或多个示例。通过说明本公开而不是限制本公开来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对本公开进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本公开旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。
在本公开中，当将层描述为在另一层或基板“上”或“上方”时，应当理解，这些层可以彼此直接接触或者在层之间具有另一层或特征，除非有相反的明确说明。因此，这些术语只是简单地描述了层彼此之间的相对位置，并且不一定表示“在...顶部”，因为上方或下方的相对位置取决于装置相对于观看者的取向。
在本公开中，化学元素使用其常见化学缩写来讨论，例如在元素周期表中常见的。例如，氢以其常见的化学缩写h表示；氦以其常见的化学缩写he表示；等等。
如本文所用，“平均粒径”或“平均纤维直径”是指颗粒或纤维的直径，使得约50％的颗粒或纤维的直径大于该直径，并且约50％的颗粒或纤维的直径小于该直径。
如本文所用，“基本上”是指所描述的组的至少约90％或更多。例如，如本文所用，“基本上所有”表示相应组的至少约90％或更多具有适用的性状，并且“基本上没有”或“基本上不存在”表示相应组的至少约90％或更多不具有适用的性状。如本文所用，“大多数”是指所描述的组的至少约50％或更多。例如，如本文所用，“大多数的”表示相应组的至少约50％或更多具有适用的性状。
本文大体提供陶瓷基复合物产品(“cmc产品”)，特别是由熔体渗透形成的陶瓷基复合物产品，以及形成这种产品的方法。使用涂覆的牺牲纤维形成cmc产品，这些牺牲纤维会在cmc预成型件中产生细长的功能特征，以增强cmc的功能，细长的功能特征例如冷却通道，附接(安装)孔，密封表面和狭槽。涂覆的牺牲纤维允许改善cmc产品的功能。
本cmc产品和使用涂覆的牺牲纤维制备该cmc产品的方法将所需直径，间距和位置的细长功能特征引入cmc预成型件中，使得在随后的熔体渗透过程中，通道保持开放和无渗透。在制造过程中，首先利用不润湿涂层涂覆一个或多个牺牲纤维，以形成涂覆的牺牲纤维，其中在通过热处理(例如，熔化，蒸发和/或分解)或化学过程(例如，溶解到溶剂中和/或化学蚀刻)去除牺牲纤维之后，涂层残留在功能特征内。在一个实施例中，例如，涂覆的牺牲纤维可以被热分解以在零件内的细长通道的内表面上留下涂层。如本文公开的牺牲纤维的直径，位置，体积分数和长度可以提供零件内的细长通道的期望的尺寸，形状和分布。可以使用一种或多种牺牲纤维。在制造过程中掺入非润湿涂层在熔体渗透过程中提供了开放和清晰的细长通道的维持。
如本文所用，“细长”是指纵横比(长度/宽度)大于1的本体。涂覆的牺牲纤维的使用对于在cmc产品中制造冷却通道特别有利。涂覆的牺牲纤维可以在产品制造过程的带制备和/或铺层过程中引入，并且通常可以是涂覆有非润湿涂层的柱形体，包括各种形状，例如圆形，椭圆形，正方形，矩形，扁平带状等。在某些实施例中，涂覆的牺牲纤维对带制备过程中存在的任何溶剂具有抵抗力，并且能够经受固结，例如压制或高压灭菌条件(例如，约200℃或更低，例如约50℃至约200℃的温度)。在一个实施例中，例如在诸如约200℃至约650℃的温度的分解条件下，牺牲纤维分解或热解以在预成型件内形成细长功能特征，更具体地，形成细长通道，同时使非润湿涂层留在细长通道的内表面上。然而，在其他实施例中，可以通过其他热方法(例如，熔化，汽化等)或化学方法(例如，溶解到溶剂中和/或化学蚀刻)去除牺牲纤维。另外，在其他实施例中，可以通过物理方法，例如通过提取，来去除牺牲纤维。
通过本文公开的方法形成的细长通道在热解或烧尽过程中提供了气体逸出的路径。为了提供这种逸出，通道可以终止于自由表面。另外，通过本文公开的方法形成的细长通道还可在渗透过程中提供气体逸出的路径。在渗透温度下，气体可能从预成型件中析出。如果气体无法逸出，则可能会在预成型件中积聚压力，这可能会导致所得cmc中出现气泡或其他空隙/囊袋。本公开的牺牲纤维的使用可以通过提供气体逸出预成型件的路径来防止压力的增加。
涂覆的牺牲纤维可以在带制备期间或替代地在铺层过程中引入。涂覆的牺牲纤维可以设置为单股，织造或非织造垫，连续的栅格(例如，在二维上是连续的且是单层的)，或各种其他构造及其组合。涂覆的牺牲纤维通常耐带制备过程中存在的溶剂，并具有足够的热完整性以抵抗固结过程中的流动。涂覆的牺牲纤维通常在固结过程中存在的温度下也不会分解；但是，牺牲纤维本身在熔体渗透之前的烧尽过程中会分解。可选择地，涂覆的牺牲纤维可以形成为在熔体渗透之后分解。牺牲纤维的组成可以选择为尽可能干净地烧尽并以最小的焦炭产量为目标，以提供所需的细长通道结构，更具体地，以形成具有最少残留量的通道。
通过使用具有升高的熔点的半结晶聚合物纤维，通过使用交联的聚合物纤维，通过明智地选择非晶态聚合物或聚合物混合物的组成，通过使用其组合或通过提供所需的细长通道和所得的cmc产品的其他修改，可以赋予耐溶剂性和耐热性。例如，牺牲纤维可以包括：交联酚醛树脂(例如，
cmc预成型件可以用包含增强纤维和涂覆的牺牲纤维的浆料制备。浆料还可包含一种或多种溶剂，颗粒或其他合适的材料。可以对预成型件进行高压灭菌，然后将牺牲纤维热解和分解。然后可以添加渗透剂以致密化cmc预成型件并形成cmc产品。或者，可在牺牲纤维分解之前引入渗透剂。通过掺入涂覆的牺牲纤维并随后由牺牲纤维的分解形成细长通道，同时使涂层粘附在细长通道的内表面上，浸渗剂能够渗入预成型件而不会阻塞或粘附至细长通道的内部，从而形成保持开放和干净的细长通道。
本方法可用于制备包括陶瓷基复合物的多种部件。例如，本方法可以用于制备航空工业中的部件。本方法可用于制备燃气涡轮发动机的部件，例如在机载和陆基燃气涡轮发动机的高压压缩机(hpc)，风扇，增压器，高压涡轮(hpt)和低压涡轮(lpt)中。例如，本方法通常可用于制备涡轮风扇发动机或涡轮机械的部件，涡轮风扇发动机或涡轮机械包括涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机以及辅助动力单元。例如，可以使用本方法和材料来制备诸如燃烧衬里，护罩，喷嘴，叶片等的部件。
本公开特别关注的cmc材料是含硅或含氧化物的基质和增强材料。适用于本文的cmc的一些示例包括但不限于具有基质和增强纤维的材料，包括非氧化物硅基材料，例如碳化硅，氮化硅，碳氧化硅，氮氧化硅，硅化物和其混合物。示例包括但不限于具有碳化硅基质和碳化硅纤维的cmc；氮化硅基质和碳化硅纤维；碳化硅/氮化硅基质混合物和碳化硅纤维。此外，cmc可以具有基质和由氧化物陶瓷组成的增强纤维。具体地，氧化物-氧化物cmc可以由基质和增强纤维组成，增强纤维包括基于氧化物的材料，例如氧化铝(al2o3)，二氧化硅(sio2)，钇铝石榴石(yag)，硅铝酸盐及其混合物。铝硅酸盐可包括晶体材料，例如莫来石(3al2o32sio2)，以及玻璃状铝硅酸盐。可以使用既不包含硅也不包含氧的其他陶瓷复合物材料，包括碳，碳化锆，碳化铪，碳化硼或其他陶瓷材料，单独或与上述材料组合使用。
图1-8是根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的示例性方法的示意图。特别地，图1-8示出了根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的各个阶段。可以执行这些阶段的各种组合，并且在该方法中可以不执行所有阶段。
图1示出了用于本文公开的cmc产品中的单个牺牲纤维12。牺牲纤维12可以包括由在浆料中稳定的材料构成的纤维(即，在纤维和浆料的鼓形缠绕期间掺入纤维)或预浸带(即，在纤维和浆料的鼓形缠绕之后掺入纤维)，可承受压缩和加热，并在分解/热解阶段分解。在一些实施例中，牺牲纤维12应具有等于或低于进行分解/热解的温度的分解温度或熔点。例如，一个或多个牺牲纤维12可具有约200℃至约700℃，例如约200℃至约600℃，或约400℃至约600℃的分解温度。用于牺牲纤维12的合适的牺牲材料可以包括聚合物，诸如半结晶聚合物，交联聚合物，非晶态聚合物，或其组合，诸如交联酚醛树脂，交联聚(乙烯醇缩丁醛)，聚酰胺，聚酯，及其组合。在某些实施例中，可以经由液体或气体蚀刻的低熔点金属或反应性金属可以单独或与任何前述牺牲材料结合用作牺牲纤维12。尽管在图1-7所示的实施例中，牺牲纤维12通常可以由相同的材料构成，但是单层的牺牲纤维12的成分可以变化，和/或牺牲纤维12在多个层中的成分可以变化。牺牲纤维12通常在单个层中是连续的。也就是说，与纤维材料的片段相反，每个牺牲纤维12通常是跨层的连续股。在其他实施例中，可能期望形成连续股和片段的牺牲纤维12，而在其他实施例中，可能期望仅形成片段的牺牲纤维12。在某些实施例中，牺牲纤维12具有纵横比，使得每个牺牲纤维横穿陶瓷预成型件(目前描述的)的基本长度或宽度作为连续纤维。
图2示出了在涂覆有非润湿涂层14之后的牺牲纤维12，在本文中统称为涂覆的牺牲纤维16。在特定实施例中，非润湿涂层14适于在熔体渗透期间和/或沉积在功能特征上之后，抑制液体材料流向功能特征(目前描述的)。在实施例中，可以通过在一个或多个牺牲纤维12上涂漆，喷涂，沉积，浸入或溅射渗透阻挡材料中的任何一种来将非润湿涂层施加到一个或多个牺牲纤维12。在实施例中，非润湿涂层14包括基于所选渗透剂选择的硅阻挡材料。在所示的实施例中，非润湿涂层14包括选自由硼(例如，氮化硼)，氧化物(例如，二氧化硅(sio2)，三氧化二硼(b2o3)，氧化铝al2o3)或氧化物和氮化硼的组合组成的组的材料。在实施例中，非润湿涂层14由氮化硼(bn)构成，并且渗透剂由硅构成。非润湿涂层14的厚度取决于所得功能特征的直径，其中较大直径的特征在于包括较厚的非润湿涂层14。在实施例中，非润湿涂层14的厚度优选为所得功能特征直径的约10％。在实施例中，标称特征直径可以在250-1000μm的范围内并且具有在25-100μm的范围内的非润湿涂层14的厚度。在替代实施例中，在功能特征用作气室等的情况下，特征直径可以更大并且结合更厚的不润湿涂层14。
图3示出了涂覆的牺牲纤维16的替代实施例，其包括牺牲纤维12和多个涂层，多个涂层包括牺牲聚合物涂层15和非润湿涂层14。在所示的实施例中，非润湿涂层14的一部分被示出为被去除以用于说明性目的。更特别地，在该特定实施例中，牺牲纤维12由金属形成，并且牺牲聚合物涂层15设置在外表面上，以有助于如本文所述的随后去除牺牲纤维12。如在图2的实施例中，非润湿涂层14适于在熔体渗透期间抑制液体材料流到功能特征(目前描述的)。在实施例中，可以通过涂漆，喷涂，沉积，浸入或溅射材料中的任何一种，将牺牲聚合物涂层15和非润湿涂层14都作为涂层施加到一个或多个牺牲纤维12。在替代实施例中，牺牲聚合物涂层15为管的形式，在该管中布置有牺牲纤维12，并且非润湿涂层14被施加到管的外表面。在所示的实施例中，牺牲聚合物涂层15包括聚合物，诸如半结晶聚合物，交联聚合物，非晶态聚合物，或其组合，诸如交联酚醛树脂，交联聚(乙烯醇缩丁醛)，聚酰胺，聚酯，及其组合。类似于图2的实施例，非润湿涂层14包括选自由硼(例如，氮化硼)，氧化物(诸如，二氧化硅(sio2)，三氧化二硼(b2o3)，氧化铝al2o3)，或氧化物和氮化硼的组合组成的组的材料。在实施例中，牺牲聚合物涂层15由聚酰胺组成，非润湿涂层14由氮化硼(bn)组成并且渗透剂由硅组成。牺牲聚合物涂层15和非润湿涂层16两者的厚度都取决于所得功能特征的直径，其中较大的直径的特征在于包括较厚的涂层。
在替代实施例中，牺牲聚合物涂层15可以设置在非润湿涂层14的外表面上。更具体地说，涂覆的牺牲纤维16根据图2的实施例形成，并且还包括设置在非润湿涂层14的外表面上的牺牲材料涂层15。
在实施例中，牺牲聚合物涂层15由分解温度低于牺牲纤维12的分解温度的材料构成。在实施例中，牺牲聚合物涂层15由分解温度小于200℃的材料构成，并且牺牲纤维12由分解温度在200℃至700℃之间的材料构成。
图4示出了增强纤维18以及具有浆料20的多个涂覆的牺牲纤维16的引入。在实施例中，浆料20通常包括在载液中的颗粒和树脂的悬浮液。在另一实施例中，可在较后的阶段引入一个或多个牺牲纤维16，在该较后的阶段，在纤维和浆料的鼓形缠绕之后，将牺牲纤维掺入。图4示出了单向层(例如，每个层内的增强纤维通常相对于彼此平行地设置)。当单个层中的基本上所有增强纤维18相对于彼此在平行方向上设置时，该层可称为“单向”。在一些实施例中，每层中的至少一个增强纤维18相对于相应层内的另一增强纤维18在垂直方向上设置。当在单个层中基本上所有的增强纤维18在平行方向或垂直方向上设置使得纤维被织造时，该层可被称为“交织”。可以使用多个层或“铺层”，其中每个层在不同的方向(例如，第三，第四和第五方向等)上取向。例如，第一层可具有在第一方向上取向的增强纤维，而第二层可具有在第二方向上取向的增强纤维。第一方向可以相对于第二方向以任何取向定位，例如大约0°至大约90°，例如大约45°。尽管图4-8示出了具有单向层的实施例，但是本方法和材料可以与单个单向、交织或非织造层一起使用，或者可以与其中层以各种取向铺设的多个单向、交织或非织造层一起使用，或者可以以多向织造或编织使用。如本文所用，“非织造”通常是指纤维的无序排列，例如在纤维以各种取向和构造设置的网中。可以使用各种构造而不背离本公开的意图。
增强纤维18可以是为所得cmc产品提供增强的任何合适的纤维，并且可以包括本文所述的任何cmc材料。增强纤维18可以更具体地称为陶瓷增强纤维18。尽管在图4-8所示的实施例中，增强纤维18通常可以由相同的材料组成，但是单个层的增强纤维18的成分可以变化和/或增强纤维18的成分可以跨多个层变化。
在某些实施例中，增强纤维18上可具有至少一个涂层。在特定实施例中，至少一个涂层可以具有从由氮化物层(例如，氮化硅层)，碳化物层(例如，碳化硅层)，硼层(例如，氮化硼层)，碳层，及其组合组成的组中选择的层。例如，可以沉积至少一个涂层作为选自由氮化物涂层和碳化硅涂层；氮化硼，碳化物和氮化硅涂层系统；氮化硼，碳化硅，碳化物和氮化硅涂层系统；氮化硼，碳，氮化硅和碳涂层体系；碳，氮化硼，碳，氮化硅和碳涂层系统；及其混合物构成的组中的涂层系统。如果存在的话，涂层厚度可以为约0.1微米(μm)至约4.0μm。
增强纤维18通常在单个层中连续。即，与纤维材料的片段相反，每个增强纤维18通常是跨层的连续股。增强纤维18可以具有任何合适的直径或长度以提供期望的陶瓷产品。在一些实施例中，增强纤维18可具有约5μm至约20μm，例如约7μm至约14μm的直径。在一些实施例中，增强纤维18可以被认为是单丝，并且具有约125μm至约175μm，例如约140μm至约160μm的平均直径。
浆料20可以包括各种成分，例如一种或多种溶剂，颗粒(例如，硅，聚合物，碳化硅，碳)，及其组合。例如，浆料20可包括本文阐述的cmc材料的各种基质前体材料。在一些实施例中，在浆料中包括表面活性剂，分散剂和/或其他组分以及用于陶瓷基质的基质前体材料可能是有益的。
如图4所示，在该实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16相对于彼此在基本平行的方向上设置。在另一实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16以它们不相对于彼此在平行方向上(即，径向取向，垂直，无规构造等)的方式设置。更具体地，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以相对于彼此在各种方向上设置，并且可以设置成无特定取向，类似于非织造构造。一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以在形成cmc预成型件10的同时被织造，以形成织造垫或栅格，和/或可以在被掺入到cmc预成型件10中之前被织造。当在多向织造或编织中使用时，牺牲纤维可以在平面内和平面外取向。在实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以以在形成cmc预成型件10时有助于定位的方式耦合，其中这种耦合结构不包括在cmc预成型件10内。这样的耦合构造可以包括一个或多个成形的牺牲纤维，例如通过在模具中浇铸或3-d打印(可以在模具中浇铸或3d打印)。
在优选实施例中，以期望所得的细长功能特征，尤其是冷却通道(即，视线功能特征，非视线功能特征)的方式构造一个或多个涂覆的牺牲纤维16。所得的细长通道的这种构造可包括但不限于彼此平行的直通道，彼此不平行的直通道，保留在层平面内(非视线)或具有类似于纤维层的曲率(非视线)的弯曲通道。可以以相对于cmc预成型件10的各种量包括一个或多个涂覆的牺牲纤维16。例如，可以以cmc预成型件10的约0.1体积％至约20体积％，诸如约1体积％至约15体积％，约1体积％至约10体积％，或约1体积％至约7体积％的量包括一个或多个涂覆的牺牲纤维16。
cmc预成型件10可以以各种方式制备。在一些实施例中，可以将增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16引入到浆料20和任何其他另外的期望组分中，以形成一个或多个层。在替代实施例中，可在形成预浸带之后引入一个或多个涂覆的牺牲纤维16。
在一个实施例中，一旦将浆料与增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16结合，就可以将其缠绕在鼓形辊上以形成预浸带，然后切成层。或者，可在先前描述的较后的阶段引入一个或多个涂覆的牺牲纤维16，在较后的阶段，在将纤维和浆料鼓式缠绕之后将牺牲纤维掺入。一个或多个层可以与具有各种相对取向的层层叠。例如，一个或多个层可以彼此交叉叠置或层叠，以使纤维在相同方向上取向。带中纤维的构造和层的构造可以根据所需的cmc产品和所需的cmc产品的机械性能而修改。在其他实施例中，可以经由带铸造，丝网印刷或任何其他合适的方法将浆料引入到纤维中。复合物内的增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以是单向的，交织的和/或非织造的。可以根据增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16的取向来改变浆料20以及将浆料20引入增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16的方法。
图5示出了在例如通过加热和/或压实来层压和固结之后的cmc预成型件10。cmc预成型件10包括增强纤维18，一个或多个涂覆的牺牲纤维16和基质前体材料22。加热和/或压实作用去除了浆料20(图3)的一些或全部溶剂，从而留下浆料20的基质前体材料22。制备基质前体材料，使得一个或多个涂覆的牺牲纤维16在加热和压实阶段是稳定的。例如，加热和压实阶段可以在约200℃或更低的温度下进行。
图6示出了例如通过分解，物理提取等去除了一个或多个牺牲纤维12中的一些或全部之后的示例性cmc预成型件10。去除一些或全部牺牲纤维12导致沿cmc预成型件10形成在其中限定腔38的细长功能特征或通道24，同时留下非润湿涂层14粘附至一个或多个细长通道24的内表面26。还可以去除一些或全部基质前体材料22，从而在cmc预成型件10中形成孔28。在图5所示的实施例中，孔28沿着cmc预成型件10设置。孔28的分布可以变化并且可以被控制，以在cmc预成型件10中提供期望的孔隙率。一个或多个牺牲纤维12的分解可在约200℃至约700℃，例如约200℃至约650℃，或约400℃至约600℃的温度下发生。分解气氛可以是氧化，还原，惰性或真空的。增强纤维18保持在cmc预成型件10中。
细长通道24是在cmc预成型件10中形成的大体连续的中空通道。细长通道24的尺寸足以允许冷却流体从中流过，并且通常可以被认为是具有比直径/宽度高的长度的柱形空心通道。当一个或多个牺牲纤维12中的基本上所有牺牲纤维分解并且不润湿涂层14保留在细长通道24的内表面26上时，细长通道24可以具有与一个或多个牺牲纤维12基本相同的尺寸和分布(例如，相同的体积％和纵横比)。如前所述，所得的细长通道24可以包括但不限于视线构造和非视线构造，例如彼此平行的直通道，彼此不平行的直通道，保留在层平面中(非视线)或具有与纤维层类似的曲率(非视线)的弯曲通道。
图7示出了在渗透剂30渗透之后的cmc预成型件10。渗透剂30填充预成型件10中的孔28，形成渗透的基质32。保留在细长通道24的内表面26上的非润湿涂层14使内表面26上以及由细长通道24限定的一个或多个腔38内的渗透剂30的填充和/或沉积最小化(如果没有消除的话)。
可将渗透剂30设置在孔28中以增加最终cmc产品的密度。渗透剂30可以是陶瓷基复合物加工中使用的各种材料中的任何一种。合适的渗透剂的示例包括用于熔体渗透的熔融材料，例如硅或硅合金。
图8示出了最终的cmc产品100。用渗透剂渗透cmc预成型件10形成致密的cmc产品100，在其中形成了多个细长通道24，尤其是多个冷却通道36。图8中示出了单个细长通道24的一部分的放大图，示出了具有保留在其上的非润湿涂层14并限定腔38的内表面26。在一些实施例中，可以执行多个渗透阶段以获得cmc产品100。在一些实施例中，渗透可在去除一个或多个牺牲纤维16之前发生。在渗透之后，可以将cmc产品100进一步致密化，加热至退火，冷却，机加工，检查，或其组合。在一些实施例中，可以施加外部涂层。在一些实施例中，在熔体渗透之后，可以通过干蚀刻过程，氧化过程，湿蚀刻过程，化学蚀刻过程或诸如机械磨损的物理过程来去除非润湿涂层14。cmc产品100包括陶瓷基质材料34(“陶瓷基质”)，增强纤维18和沿cmc产品100设置的一个或多个细长通道24。
在一些实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以以栅格图案设置，以提供跨cmc预成型件10的细长通道24。例如，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以以织造栅格图案设置，其中一个或多个涂覆的牺牲纤维16在垂直方向或平行方向上设置。在某些其他实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以以非织造图案布置。在这样的实施例中，使牺牲纤维在相交处融合在一起可能是有益的。图9至图12是根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的示例性方法的示意图。特别地，图9-12示出了根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的各个阶段，其中牺牲纤维以栅格图案设置。可以执行这些阶段的各种组合，并且在该方法中可以不执行所有阶段。
现在参考图9-12，图12示出了包括增强纤维18和细长通道24的cmc产品200。图12所示的cmc产品200可以被认为是单层的(例如，在制造过程中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16以0/90°层叠，中间有增强纤维18)。可以使用多个层或“铺层”，其中每个层如先前所述的在各种方向(例如，第三，第四和第五方向等)上取向。尽管图12示出了具有单个层的实施例，但是本方法和材料可以与单个单向、交织或非织造层一起使用，或者可以与其中交替层以各种取向铺设的多个单向、交织或非织造层一起使用，或者可以以多向织造或编织使用。例如，在一个实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以是栅格的形式，其中涂覆的一个或多个涂覆的牺牲纤维16彼此相交。一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以被织造或构造成第一层和第二层，第一层和第二层直接接触并且以0/90°的构造形成栅格图案。在其他实施例中，一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以在单层中形成二维的连续栅格。纤维可以是柱形的，也可以是其他形的，并在同一平面上形成细长通道。可以使用各种构造而不背离本公开的意图。
图9-12所示的实施例中使用的一个或多个牺牲纤维12，非润湿涂层14，浆料20，增强纤维18，基质前体材料22，孔28，渗透剂30，细长通道24和陶瓷基质材料34以及其他组分可以是具有伴随特性的本文描述的那些材料中的任何一种(例如，关于图1-8)。
为了形成图12所示的实施例，如图9所示，将一个或多个涂覆的牺牲纤维16以栅格图案设置。即，一个或多个涂覆的牺牲纤维16被设置成横穿cmc预成型件210的长度和宽度，其中一个或多个涂覆的牺牲纤维16中的一些在第一方向上设置成横穿长度或宽度，而第二组涂覆的牺牲纤维16在第二方向上设置成横穿长度或宽度，第二方向垂直于第一方向。可能期望沿着cmc预成型件210构造一个或多个涂覆的牺牲纤维16，使得一个或多个涂覆的牺牲纤维16遍及整个预成型件210。栅格图案可以是构造一个或多个涂覆的牺牲纤维16以形成细长通道24(图12)、同时使任何机械/热性能降低最小化的合适方法。
cmc预成型件210可以以各种方式来制备。在一些实施例中，可以将增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16引入到浆料20和任何其他另外的期望组分中，以形成一个或多个层。例如，在一些实施例中，在浆料以及用于陶瓷基质的基质前体材料中包括表面活性剂，分散剂和/或其他组分可能是有益的。
在一个实施例中，一旦将浆料20与增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16结合，就可以将cmc预成型件112缠绕在鼓形辊上以形成带，然后切成层。在替代实施例中，可以在较后的阶段引入一个或多个涂覆的牺牲纤维16，在较后的阶段，在纤维和浆料的鼓式缠绕之后掺入一个或多个涂覆的牺牲纤维16。一个或多个层可以与具有各种相对取向的层层叠。例如，一个或多个层可以彼此直接交叉叠置或层叠，以使纤维在相同方向上取向。带中纤维的构造和层的构造可以根据所需的cmc产品和所需的cmc产品的机械性能而修改。在其他实施例中，可以经由带铸造，丝网印刷或任何其他合适的方法将浆料引入到纤维中。复合物内的增强纤维18和/或一个或多个涂覆的牺牲纤维16可以是单向的，交织的和/或非织造的。可以根据增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16的取向来修改浆料20和将浆料20引入增强纤维18和一个或多个涂覆的牺牲纤维16的方法。
图9示出了如先前关于图1-8的实施例所描述的，在例如通过加热和/或压紧而层压和固结之后的cmc预成型件10，其包括增强纤维18，一个或多个涂覆的牺牲纤维16，以及大体与图7的基质前体22相似的基质前体材料。加热和压实动作去除了浆料20的一些或全部溶剂，从而留下了浆料20的基质前体材料22。
与图1-8的实施例相反，在去除一个或多个牺牲纤维12之前，如图10所示，cmc预成型件210用渗透剂30进行熔体渗透。如先前关于图1-7的实施例所描述的，用渗透剂渗透cmc预成型件210使图11的cmc预成型件210致密化。
接下来，诸如通过分解，去除一个或多个涂覆的牺牲纤维16中的一个或多个牺牲纤维12，以在整个致密化的陶瓷预成型件210中形成图12的细长通道24。在分解期间，一个或多个牺牲纤维12分解，同时使非润湿涂层14粘附在一个或多个细长通道24的内表面26上。如在先前描述的实施例中，分解气氛可以是氧化的，还原的，惰性的或真空的。增强纤维18保持在致密化的cmc预成型件210中。
在图12所示的实施例中，细长通道24横穿最终cmc产品200的长度和宽度，从而在沿cmc产品200的两个方向上形成多个功能特征，例如冷却通道。如先前关于图1至图8的实施例所描述的，用渗透剂渗透cmc预成型件210形成了致密化的cmc产品200(图12)。在去除一个或多个牺牲纤维12之后，可以将cmc产品200进一步致密化，加热至退火，冷却，机加工，检查，或其组合。在一些实施例中，可以施加外部涂层。cmc产品200包括陶瓷基质材料34(“陶瓷基质”)，增强纤维18和沿cmc产品200设置的一个或多个细长通道24。
图13是根据本公开的一个实施例的形成cmc产品的示例性方法的流程图。图13所示的方法300包括在步骤302中，在一个或多个牺牲纤维上沉积一个或多个涂层，以形成一个或多个涂覆的牺牲纤维；在步骤304中，形成包括基质前体，增强纤维和一个或多个涂覆的牺牲纤维的cmc预成型件，该步骤还可以包括压实cmc预成型件。在一些实施例中，形成cmc预成型件包括在步骤306中，以织造图案形成涂覆的牺牲纤维，而在一些实施例中，形成cmc预成型件包括在步骤308中，在平行于相邻的牺牲纤维的方向上形成涂覆的牺牲纤维。在实施例中，接着在步骤310中，去除一个或多个牺牲纤维，以使得沿着cmc预成型件形成一个或多个功能特征，其中去除包括去除一个或多个牺牲纤维和任何其他牺牲涂层材料，使得非润湿涂层保留在一个或多个功能特征上。最后，在步骤312中，使流体渗透剂(例如熔体渗透剂)渗透cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化，从而形成cmc产品。
在替代实施例中，在步骤310中去除一个或多个牺牲纤维和存在的任何牺牲涂层材料之前，在步骤312中使流体渗透剂渗透cmc预成型件。渗透之后，在步骤310中，去除一个或多个牺牲纤维和存在的任何牺牲涂层材料，使得沿着cmc预成型件形成一个或多个功能特征。
在实施例中，可以通过干蚀刻过程，氧化过程，湿蚀刻过程或化学蚀刻过程来去除剩余的非润湿溶液。浆料/基质前体，增强纤维，牺牲纤维，非润湿涂层，渗透剂以及方法300中使用的其他组分可以是本文所述的那些中的任何。在实施例中，去除牺牲纤维和存在的任何牺牲涂层的步骤包括通过以下中的一个或多个进行去除：(i)在将流体渗透剂施加到cmc预成型件上之前进行热解；(ii)在将流体渗透剂施加到cmc预成型件之前进行熔化；(iii)在将流体渗透剂施加到cmc预成型件之前进行物理提取；(iv)在将流体渗透剂施加到cmc预成型件之后进行氧化，和(v)在将流体渗透剂施加到cmc预成型件之后进行溶解。
方法300可以包括附加部件或动作，并且可以包括重复一个或多个先前描述的动作。可以使用方法300的各种替代构造而不背离本公开的意图。可以根据需要对cmc产品进行进一步处理或加工。
示例
通过将纤维拖动通过非润湿涂层，将非润湿涂层(例如氮化硼)设置在尼龙纤维(直径8密耳(203μm))上。将涂覆的尼龙纤维缠绕到间距为50密耳(1.27毫米)的预浸陶瓷带中。切割带并在0°/90°构造面板中叠层。面板被加热并压缩以去除溶剂。然后将面板热解以分解尼龙纤维并形成横穿面板的细长通道。在热解步骤期间，非润湿涂层保留在所形成的细长通道的内表面上。然后使用熔融硅的熔体渗透来渗透面板。该非润湿溶液防止熔融硅沉积在细长通道的内部。熔融硅的一些部分反应以形成陶瓷基质。图14是示出了cmc产品100的横截面的一部分的示意图，并且示出了根据本文公开的方法在其中形成的多个细长通道24，更特别地，冷却通道36。
尽管已经根据一个或多个特定实施例描述了本公开，但是很明显，本领域的技术人员可以采用其他形式。应该理解的是，“包含”与本文所述的涂料组合物结合使用特别公开并包括其中涂料组合物“实质上”由命名组分“组成”的实施例(即，包含命名组分，而不含显著不利地影响所公开的基本和新颖特征的其他组分)，以及其中涂料组合物由命名组分“组成”的实施例(即，仅包含命名组分，除了每个命名组分中自然且不可避免存在的污染物外)。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何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结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种形成陶瓷基复合物(cmc)产品的方法，包括：在一个或多个牺牲纤维上沉积一个或多个涂层以形成一个或多个涂覆的牺牲纤维，其中所述一个或多个涂层中的至少一个是非润湿涂层；形成cmc预成型件，所述cmc预成型件包括基质前体，多个增强纤维和所述一个或多个涂覆的牺牲纤维；执行以下操作中的一个：去除所述一个或多个牺牲纤维，使得沿所述cmc预成型件形成一个或多个功能特征，其中去除包括去除所述一个或多个牺牲纤维，使得所述非润湿涂层保留在所述一个或多个功能特征上；或者将流体渗透剂施加到所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化；以及执行以下操作中的另一个：去除所述一个或多个牺牲纤维，使得沿所述cmc预成型件形成一个或多个功能特征，其中去除包括去除所述一个或多个牺牲纤维，使得所述非润湿涂层保留在所述一个或多个功能特征上；或者将流体渗透剂施加到所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化，其中所述非润湿涂层适于在熔体渗透期间，抑制所述流体渗透剂流到所述一个或多个功能特征并沉积在其上。
2.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个功能特征是细长通道。
3.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个细长通道是冷却流体流通道。
4.根据任何在前条项的方法，其中，去除所述一个或多个牺牲纤维包括：加热所述cmc预成型件以分解所述牺牲纤维，其中所述一个或多个牺牲纤维由分解温度为约200℃至约700℃的材料形成。
5.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个涂层包括一个或多个牺牲聚合物涂层和所述非润湿涂层。
6.根据任何在前条项的方法，其中，去除所述一个或多个牺牲纤维包括：加热所述cmc预成型件以分解所述一个或多个牺牲聚合物涂层；和提取所述一个或多个牺牲纤维。
7.根据任何在前条项的方法，其中将所述非润湿涂层施加到所述一个或多个牺牲纤维包括涂漆、喷涂、沉积、浸入或溅射渗透剂阻挡材料。
8.根据任何在前条项的方法，其中，所述非润湿涂层包括一种或多种材料，所述一种或多种材料选自由硼，诸如二氧化硅(sio2)、三氧化二硼(b2o3)、氧化铝al2o3的氧化物组成的组。
9.根据任何在前条项的方法，其中，所述方法进一步包括使用干蚀刻过程，氧化过程，湿蚀刻过程，机械磨损或化学蚀刻过程来去除所述非润湿涂层。
10.根据任何在前条项的方法，其中，所述渗透剂包括硅或硅合金。
11.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个涂覆的牺牲纤维包括通过以下中的一个或多个去除的一种或多种牺牲材料：(i)在将所述流体渗透剂施加到所述cmc预成型件之前进行热解，(ii)在将所述流体渗透剂施加到所述cmc预成型件之前进行熔化，(iii)在将所述流体渗透剂施加到所述cmc预成型件之前进行物理提取，(iv)在将所述流体渗透剂施加到所述cmc预成型件之后进行氧化，和(v)在将所述流体渗透剂施加到所述cmc预成型件之后进行溶解。
12.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个牺牲纤维包括半结晶聚合物，交联聚合物，非晶态聚合物，金属，陶瓷或其组合。
13.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个牺牲纤维包括交联酚醛树脂，交联聚(乙烯醇缩丁醛)，聚酰胺，聚酯，丙烯酸类及其组合中的一种或多种。
14.根据任何在前条项的方法，其中，所述多个增强纤维包括碳、碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氧氮化硅、硅化物、氧化铝、二氧化硅、钇铝石榴石、硅铝酸盐、碳化锆、碳化铪，sinc、sibnc和碳化硼中的一种或多种。
15.根据任何在前条项的方法，其中，形成所述cmc预成型件包括以织造图案或在平行于层内的相邻涂覆的牺牲纤维的方向上形成所述一个或多个涂覆的牺牲纤维。
16.一种形成陶瓷基复合物(cmc)产品的方法，包括：在一个或多个牺牲纤维上沉积一个或多个涂层，所述一个或多个涂层中的至少一个是非润湿涂层；形成cmc预成型件，所述cmc预成型件包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和一个或多个涂覆的牺牲纤维；去除所述一个或多个牺牲纤维，使得沿着所述cmc预成型件形成一个或多个细长通道，其中去除包括去除所述一个或多个牺牲纤维，使得所述非润湿涂层保留在所述一个或多个细长通道的内表面上；和将流体渗透剂施加到所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化并形成所述cmc产品，其中，所述非润湿涂层适于在熔体渗透期间，抑制所述流体渗透剂到所述一个或多个细长通道的流动和沉积。
17.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个涂层包括牺牲聚合物涂层和所述非润湿涂层。
18.根据任何在前条项的方法，其中，将所述非润湿涂层施加到所述一个或多个牺牲纤维包括涂漆、喷涂、沉积、浸入或溅射渗透剂阻挡材料。
19.根据任何在前条项的方法，其中，所述非润湿涂层包括选自由硼(例如，氮化硼)，氧化物(例如，二氧化硅(sio2)，三氧化二硼(b2o3)，氧化铝al2o3)，或所述氧化物和氮化硼的组合组成的组的材料。
20.根据任何在前条项的方法，其中，去除所述一个或多个牺牲纤维包括：加热所述cmc预成型件以分解所述一个或多个牺牲纤维，其中，所述一个或多个牺牲纤维由分解温度为约200℃至约650℃的材料形成。
21.一种形成陶瓷基复合物(cmc)产品的方法，包括：形成包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和一个或多个牺牲纤维的cmc预成型件，所述一个或多个牺牲纤维具有沉积在其上的由氮化硼(bn)组成的涂层，其中所述一个或多个牺牲纤维的平均直径为约10μm至1000μm，其中形成所述cmc预成型件包括以织造图案或非织造图案中的一个形成所述一个或多个牺牲纤维；去除所述一个或多个牺牲纤维，使得沿所述cmc预成型件形成细长通道，其中去除包括去除所述一个或多个牺牲纤维，使得所述涂层保留在所述细长通道的内表面上；和将由硅或硅合金中的一种组成的熔体渗透剂施加到所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化并形成所述cmc产品，其中所述涂层适于在施加所述熔体渗透剂期间，抑制所述熔体渗透剂流到形成在所述一个或多个细长通道中的每一个内的腔中并沉积在其上。
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