由CMC制成的部件和用于制造这种部件的方法与流程

本发明涉及一种用于制造由cmc(即，由陶瓷基质复合材料)制成的部件的方法，用于改进对致密化部件的步骤的控制的方法。本发明还涉及用于实施该方法的中间部件，以及由通过该方法所获得的cmc制成的部件。这种制造方法特别地可以用于航空领域，以便制造能够承受高温的部件。特别地，它们可以是涡轮机(诸如航空器涡轮喷气发动机)的圆柱形构件的扇段，并且非常特别地是涡轮环的扇段，仅提到这些示例。

背景技术：

1、涡轮机的一些部件暴露于特别高的温度下。这特别地是形成涡轮机的涡轮的部件的情况，例如允许产生涡轮的外部流动路径的环扇段。

2、为了承受这些非常高的温度，环扇段是由cmc制成的。在用于这种类型的部件的典型制造方法中，使用陶瓷纤维(例如碳化硅(sic))编织预成型件。然后，在成形机中成形该预成型件，然后通过例如cvi方法(化学气相渗透)在陶瓷纤维的表面上沉积中间相。其次，包含在溶剂中悬浮的陶瓷颗粒(例如sic颗粒)的浆料被注入到预成型件中；一旦通过干燥去除溶剂，则如此沉积的陶瓷颗粒被烧结，以形成包围预成型件的基质。然后，获得具有一定孔隙率的中间部件。然后，通过渗透，接着固化中间部件中的液体致密化材料(通常为液体硅)，实施致密化步骤。

3、然而，硅在固态下比在液态中更致密，其冷却和其固化导致液体硅的一部分以液滴的形式离开，液滴固化在部件的表面上，从而形成固体硅结节。然后，这些结节引起显著的困难，因为它们改变部件的尺寸超过公差，并且降低随后沉积的任何表面涂层的粘附性。此外，通过喷砂或机加工去除这些结节是缓慢的、费力的且因此是昂贵的；它可以进一步影响最终部件的材料健康。

4、因此，为了对抗这种结节的出现，已经考虑了某些解决方案。其中之一的目的在于改变致密化材料或陶瓷浆料的组成，例如通过添加金刚石颗粒，将消耗过量硅以形成sic的碳源。然而，不总是可能或不希望以这种方式改变浆料的组成。

5、另外的选项在于，在结节的喷砂或机加工过程中，提供在中间部件周围的陶瓷浆料的牺牲层，以便保护最终部件，并且特别地保护其增强件。然而，自然地，这样的选项需要原材料的显著过量消耗，并且需要最终部件的完全机加工，这是漫长且乏味的。

6、最后，第三选项试图通过使用装配有若干区域的烘箱来控制部件内的硅的冷却前部，这些区域的温度可以彼此独立地被控制。然而，这种烘箱的生产和控制是复杂且昂贵的。

7、因此，确实需要一种由cmc制成的部件的制造方法，该方法改进了对部件致密化的步骤的控制，并且至少部分地没有上述已知方法中固有的缺点。

技术实现思路

1、本发明涉及一种由cmc复合材料制成的中间部件，该中间部件包括增强件、包括陶瓷材料的基质以及至少一个插入件，该插入件由与增强件和基质的材料不同的材料制成，并且被设计成在致密化中间部件的步骤过程中，促进液体硅在中间部件内的迁移。

2、因此，由于这种构造，过量的液体硅倾向于在插入件的方向上迁移，并且因此集中在插入件周围。因此，在冷却过程中，硅结节倾向于优先形成在由这种插入件穿过的区域的表面上。

3、因此，可以设置插入件，以便控制结节出现的区域，而不必寻求防止其形成。因此，可以以这样的方式设置插入件，即，将结节分组在最终部件的不敏感区域中，即，可以容易地机加工的区域，而对部件的操作没有显著影响，甚至公差更大的区域，并且允许这种结节的存在，而无需实施机加工或喷砂。因此，可以降低制造方法的成本和循环时间。

4、因此，这种解决方案使致密化方法保持不变，并且特别地不需要任何材料成分调整或任何另外的复杂工具。此外，最终部件的行为以及其可能的涂层因此得到改进。

5、在某些实施方式中，中间部件包括至少一个工作区域，一旦该部件已经完成，该至少一个工作区域旨在与涡轮机的工作流体接触，所述至少一个插入件被提供在该中间部件的不是工作区域的区域中。优选地，在工作区域中不提供这种类型的插入件。以这种方式，在没有或实际上没有显著尺寸的任何结节的情况下，可以获得部件的工作表面，即暴露于最高温度，并且还可能接收涂层的那些工作表面。因此，大大减少了对这些特别地敏感的区域的求助于喷砂或机加工的需要。

6、在某些实施方式中，至少一个插入件是单向元件。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。这允许沿插入件在优选方向上引导硅流。

7、在某些实施方式中，至少一个插入件是线或一组线。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。这种线的生产确实是特别容易的。

8、在某些实施方式中，至少一个插入件是实心或中空圆柱体。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。此类形状也是易于制造的。

9、在某些实施方式中，至少一个插入件的直径被包括在0.1mm与1mm之间。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。在此方面应记住，在度量空间中，非空部分a(在此为插入件的区段)的直径是a的任何两个点之间的距离的上限。

10、在某些实施方式中，至少一个插入件的长度大于或等于5mm。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。

11、在某些实施方式中，至少一个插入件是不连续的。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。

12、在某些实施方式中，中间部件包括根据阵列组织的若干插入件，该阵列具有至少两个相异取向、优选地至少三个相异取向。这种阵列允许促进液体硅在中间部分的加宽区域的尺度上，或者甚至在整个部件的尺度上的迁移。因此，可以更容易地在整个部件中排出过量的硅，并且将其朝向某些期望的区域引导。

13、在某些实施方式中，在对中间部件致密化的步骤的过程中，至少一个插入件是部分地或完全地可熔的或可消耗的。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。术语“可熔的”应理解为是指插入件在致密化步骤的温度(例如1400℃)下熔化(即变成液态)的能力。“可消耗的”是指插入件被在致密化步骤的物理-化学条件下发生的一个或多个化学反应消耗的能力。在任一种情况下，这允许在中间部件中产生空腔，硅将通过毛细作用迁移到空腔中。此外，由于部件内可用于的硅的体积增大，结节的总体积也减小。

14、在某些实施方式中，至少一个插入件具有不同于基质的热膨胀系数的热膨胀系数，优选地更高。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。以这种方式，引起差异膨胀的现象，其将产生中间部件中微裂纹的出现，促进硅通过毛细作用的迁移。考虑到这些微裂纹的微小尺寸，它们对最终部件的机械强度的影响是最小的；在任何情况下，这些微裂纹的外观限于插入件的区域，也就是说，潜在地限于部件的非敏感区域。

15、在某些实施方式中，至少一个插入件由氧化物陶瓷材料制成，优选地具有高于1400℃的熔点。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。这样的材料提供与增强件的材料和中间部件的基质的强相容性。

16、在某些实施方式中，至少一个插入件由氧化铝制成。优选地，至少50％的插入件、至少90％的插入件、或甚至所有插入件都是这种情况。一方面，氧化铝是特别地与sic相容的氧化物陶瓷材料。另一方面，氧化铝是在致密化步骤过程中部分地可消耗的材料，其铝份额的一部分溶解在硅中，并且其氧份额的一部分在部件外部脱气。

17、在某些实施方式中，增强件为编织的预成型件，其优选地为3d编织的预成型件。3d编织特别地允许获得具有复杂几何形状的单体式纤维增强件，从而确保最终部件具有非常好的机械阻力。

18、在某些实施方式中，增强件由陶瓷材料，优选地是碳化硅(sic)制成。然而，也可以使用任何类型的陶瓷纤维，并且特别是碳纤维或者纤维的混合物。

19、在某些实施方式中，基质由碳化硅(sic)制成。然而，也可以使用任何类型的陶瓷粉末，特别是基于si、ti、zr、hf、c、n，诸如c、b4c、tic、zrc或tisi2的非氧化物、耐火或超耐火陶瓷。

20、在某些实施方式中，中间部件是涡轮的环类型。特别地，它可以是涡轮环扇段。更一般地，中间部件包括流动路径部分和至少一个紧固部分，例如呈一个或多个凸缘的形状。

21、本发明还涉及一种用于制造cmc复合部件的方法，该方法包括以下步骤：提供根据前述实施方式中任一项所述的中间部件；以及通过将液体硅渗透到中间部件中而致密化中间部件。

22、在某些实施方式中，提供中间部件的步骤包括编织预成型件的步骤，该编织步骤包括材料不相同的两种类型的纤维的同时三维编织，第一类型的纤维形成旨在形成中间部件的增强件的预成型件的三维结构，并且第二类型的纤维形成中间部件的至少一个插入件。

23、在某些实施方式中，方法包括在致密化步骤过程中，可控制地冷却中间部件的子步骤。这样的步骤允许控制液体硅的冷却，以最大化接近插入件的液体硅迁移。

24、在某些实施方式中，在冷却子步骤过程中，在整个中间部件上施加均匀的温度。特别地，不需要施加温度梯度或不同温度区域。这避免了使用复杂的工具。

25、在某些实施方式中，冷却子步骤开始于包括在1000℃与1500℃之间、优选包括在1400℃与1500℃之间的初始温度。

26、在某些实施方式中，冷却子步骤至少包括以下各项或由以下各项组成：小于5℃/分钟、优选地小于2℃/分钟、更优选地小于0.5℃/分钟的冷却斜坡。这种降低的速度允许液体硅在插入件处迁移和集中的足够时间。还可提供一个或多个温度阶段。

27、在某些实施方式中，冷却斜坡持续上升到包括在1250℃与1350℃之间的温度。在该温度，结节形成完成或几乎完成。然后可以进行第二冷却子步骤，直到达到环境温度。

28、在某些实施方式中，第二冷却子步骤是比第一冷却子步骤更快，但比自由冷却更慢的受控冷却。特别地，它可以包括被包括在200℃/h与500℃/h之间的冷却斜坡，或者由它们组成。以此方式，材料中的内部应力受到限制，并且烘箱的内部元件的使用寿命得以延长。

29、在某些实施方式中，第二冷却子步骤是加速冷却，该加速冷却包括被包括在700℃/h与1500℃/h之间的温度斜坡，或者由它们组成。以此方式，就循环时间而言的增益是可能的。

30、在某些实施方式中，第二冷却子步骤是自由冷却。

31、在某些实施方式中，制造方法在冷却步骤之后包括机加工步骤，在该机加工步骤过程中，对固化硅的结节进行机加工。

32、本发明还涉及由根据以上实施方式中任一项所述的制造方法所获得的cmc复合材料所制成的部件。特别地，它可以是涡轮部件，例如环扇段。

33、本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括由根据本发明的cmc复合材料制成的部件。

34、在本发明中，术语“轴向的”、“径向的”、“切向的”、“内部的”、“外部的”以及它们的衍生词是相对于涡轮机的主轴线定义的；“轴向平面”是指穿过涡轮机的主轴线的平面，并且“径向平面”是指垂直于这个主轴线的平面；最后，术语“上游”和“下游”是相对于涡轮机中的空气的循环来定义的。

35、“三维编织”是指这样的编织技术，其中纬线在经线的矩阵内循环，以便根据三维编织形成线的三维阵列：然后在三维织机内的同一编织步骤过程中，编织这种纤维结构的线的所有层。

36、在阅读以下对所提出的中间部件和方法的实施方式的详细说明之后，上述特征和优点以及其他特征和优点将变得清楚。该详细说明参考附图。