通过低熔点浸渍制造复合部件的方法
【专利说明】通过低熔点浸渍制造复合部件的方法
【背景技术】
[0001] 本发明涉及当制造具有陶瓷基质或至少部分为陶瓷的基质的复合材料部件时，以 及当制造由碳/碳（C/C)复合材料制成的部件时两种情形所用渗透组合物，该具有陶瓷基 质或至少部分为陶瓷的基质的复合材料以下称为陶瓷基质复合（CMC)材料。
[0002] 本发明的应用领域涉及制造曝露在高温下作业的部件，特别是航空航天领域，特 别是用于航空发动机的热部件，可以理解为，本发明可以被应用到其他领域，如工业燃气涡 轮机领域。
[0003] CMC和C/C复合材料具有良好的热结构性能，即：使得所述材料适于构成结构部件 的强机械性能，以及在高温下保存那些性能的能力。
[0004] 使用代替金属的CMC或C/C材料制造在高温下作业的部件，已经因此被推荐，尤其 因为CMC和C/C材料比它们所代替的金属材料具有明显更低的密度。
[0005] 制造 CMC材料部件的公知方法包括自碳纤维或碳化硅（SiC)纤维的纤维层制造预 成型件，以及用基于熔融硅的组合物渗透该预成型件，以形成陶瓷基质。这样的致密化过 程被称为熔渗（MI)。例如，可以参考下述文献：US 4 889 686, US 4 944 904或US 5 015 540。该渗透组合物主要以硅为基础，因为该元素具有与所述预成型件的纤维接近的热膨胀 系数。该渗透组合物可以对应于硅本身或硅合金，硅合金通常包含少量的一种或多种其他 元素，如钛、钼、硼、铁、铌等。
[0006] 通过渗溶过程进行的致密化比通过化学气相渗透（CVI)进行的致密化具有更快 更容易实施的优点。尽管如此，所使用的硅基渗透组合物能够呈现出比所述预成型件的纤 维的热稳定性温度更高的熔点或温度（热稳定性）。在这种情况下，当熔融组合物被渗入到 所述预成型件中，所述纤维可能会经受降解，这样会明显降低所述纤维的机械性能。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个特别目的在于提供一种没有上述缺陷的、制造复合材料部件的方 法。
[0008] 此目的通过包括以下步骤的制造复合材料部件的方法得以实现：
[0009] ?制造加强的纤维预成型件，所述预成型件的纤维是碳或陶瓷纤维和被涂覆有界 面；
[0010] ?获得加强的和部分致密的纤维预成型件，部分致密化包括使用化学气相渗透在 所述界面上形成第一基质相；和
[0011] ?通过渗入渗透组合物继续致密所述纤维预成型件，所述渗透组合物包含至少硅 和至少一种其他适于降低该渗透组合物的熔融温度至低于或等于1150Γ的元素。
[0012] 具体地，通过向硅中添加使得得到具有低于或等于1150°C熔点的渗透组合物成为 可能的元素，而获得渗透组合物，其保持在大部分纤维尤其是用于制作CMC材料的纤维加 强件的陶瓷纤维的热稳定性温度范围之中。所以，本发明所述的通过使用MI类致密化过程 制造复合材料部件的方法，能够实施而没有损害所述预成型件的纤维的风险。
[0013] 在本发明所述方法的第一方面，所述渗透组合物包含镍，镍在所述组合物中所占 重量百分比在50%~75%范围。除了硅以外，镍的含量在50%~75%的范围，熔点低于或 等于1150Γ的渗透组合物被获得。
[0014] 在本发明所述方法的第二方面，所述渗透组合物包含锗，锗在所述组合物中所占 重量百分比在89 %~98 %范围。除了硅以外，有了至少89 %的锗，熔点低于或等于1150°C 的渗透组合物被获得。
[0015] 在本发明所述方法的第三方面，所述渗透组合物包含，除所述的适于降低渗透组 合物的熔融温度至低于或等于1150°C的元素外，少于10% (重量百分比）的下列元素中的 至少一种：铝和硼。添加这些组分中的至少一种使得改善位于待处理的基质上渗透组合物 的去氧化性和润湿性成为可能，并且还赋予处理过的材料以特殊性能，例如更好的耐氧化 和耐腐蚀的能力。
[0016] 在本发明所述方法的第四方面，所述纤维预成型件由碳纤维或碳化硅（SiC)纤维 制成。
[0017] 在本发明所述方法的第五方面，所述纤维预成型件由三维或多层编织或从多个二 维纤维层形成被制作为单件的纤维结构。
[0018] 在本发明所述方法的第六方面，所述界面由至少一层下列材料中的任何一种形 成：热解碳（PyC)，掺硼碳（BC)，和氮化硼（BN)。
[0019] 本实施例中所述的PyC，BC或BN界面，具有因 PyC，BC或BN的片状结构而为所述 复合材料提供脆性减轻的常规功能，其有助于使通过基质已经扩展后达到所述界面的裂纹 偏转，如此，防止这样的裂纹使纤维破裂，或者至少延缓任何所述破裂。
[0020] 术语"掺硼碳"或者BC用于表示包含5原子百分比（at%)到20at%的硼，其余 为碳。这样的组合物具有乱层结构，即：在堆叠的片状结构中方向错乱，这有利于脆性减轻 功能。
[0021] 在本发明所述方法的第七方面，所述第一基质相包含至少一层选自下列材料中 的至少一种的材料：自愈材料，氮化娃（Si 3N4)和碳化娃（SiC)。所述自愈材料选自三元的 硅-硼-碳系统和碳化硼（B4C)。
[0022] 所述基质的第一层包括多层自愈材料，该自愈材料与选自热解碳（PyC)，掺硼碳 (BC)和不含硼的陶瓷材料的一层或多层材料交替。
[0023] 在本方法的一个实施方式中，所述第一基质相由自愈材料的单层或者自愈材料的 多层形成，并且包括至少一层不含碳的陶瓷材料，该层形成于自愈材料的所述单层上或最 后一层上。
[0024] 所述不含硼的陶瓷材料层可以有不少于500nm的厚度。
[0025] 所述不含硼的陶瓷材料层可以由碳化硅（SiC)或实际上氮化硅（Si3N 4)制成。
[0026] 在本发明所述方法的第八方面，在所述纤维预成型件部分致密化之后以及通过渗 透组合物的渗入使所述纤维预成型件致密化之前，该方法包括修改纤维预成型件之中的孔 的阵列的步骤，该修改通过下列处理方法中的任何一种方法实施：
[0027] ?在所述预成型件之中分散下列材料中的至少一种的粉末：碳化硅（SiC);氮化硅 (Si 3N4);碳（C);硼（B);碳化硼（B4C);和碳化钛（TiC);
[0028] ?通过用聚合物浸渍所述预成型件并热解该聚合物，在所述预成型件中引入陶瓷 或碳相；或者
[0029] ?在所述预成型件中引入碳或陶瓷泡沫，通过用聚合物浸渍所述预成型件并热解 该聚合物。
【附图说明】
[0030] 通过阅读下面参考唯一的附图而做出的非限制性描述可以更好地理解本发明，附 图给出了在本发明的实施方式中制造 CMC材料部件的方法的连续步骤。
【具体实施方式】
[0031] 本发明建议一种制造部件的方法，该部件由复合材料制成，尤其是热结构陶瓷基 质复合（CMC)材料，即通过由碳或陶瓷纤维制成的加强件形成并且被至少部分为陶瓷的基 质致密的材料制成；同时还可以由热结构碳/碳（C/C)复合材料，即通过被碳基质致密的碳 纤维加强件形成的材料制成。
[0032] 本发明的制造方法显著之处在于它使用一种渗透组合物，其具有比常用于致密纤 维预成型件的硅基渗透组合物更低的熔融温度。更具体地，本发明所使用的渗透组合物使 得用熔融组合物在比所述纤维的热稳定性温度更低的温度下渗入纤维预成型件成为可能 (热稳定性），即温度足够低以避免渗透过程中所述预成型件的纤维的机械性能的任何降 解，特别适用于第一代碳化硅纤维。根据本发明，所述纤维预成型件由在低于或等于1150Γ 时熔融的渗透组合物渗入。
[0033] 为了这个目的，除了硅以外，所述渗透组合物包含至少一种其他元素，该元素适于 降低所述组合物的熔点或温度至低于或等于1150°C的温度。所述渗透组合物的熔点的这 种降低尤其可以通过向硅中添加镍（Ni)或锗（Ge)获得。更确切地，当添加镍时，所述渗透 组合物包含50%-75% (重量百分比）的镍，则使得获得范围在1000°C (渗透组合物包含 50%硅和50%镍）-1150°C (渗透组合物包含25%硅和75%镍）之间的熔点成为可能。当 添加锗时，所述渗透组合物包含89% -98%的锗，则使得获得范围在1000°C (渗透组合物包 含2%硅和98%锗）-1150°C (渗透组合物包含11%硅和89%锗）之间的熔点成为可能。 因此，通过向娃中添加含量范围在50% -75%之间的镍或者至少89%的锗，可以获得具有 低于或等于1150Γ的熔融温度的硅合金，该温度低于由碳化硅（SiC)制成的纤维（下称碳 化娃纤维），例如第一代Nicalon?，Tyranno Lox-Μ?，或者Tyranno ZMI?'型碳化娃纤维 的热稳定性温度。
[0034] 除了低熔点，所述渗透组合物具有能够使得良好质量的复合材料被制造所要求的 其他全部性能。具体地，所述渗透组合物与所述预成型件中用于渗入的元素在化学上相容。 所述渗透组合物还呈现出对氧化或腐蚀环境的良好抵抗性以及卓越的长期特性。
[0035] 所述渗透组合物还可以包含少于10% (重量百分比）的下列元素中的至少一种： 铝和硼。添加这些组分中的至少一种用于改善位于待处理的基质上渗透组合物的去氧化性 和润湿性，并且还赋予处理过的材料特殊性能，例如更好的耐氧化和腐蚀的能力。
[0036] 参考唯一的附图，根据本发明所述制造 CMC材料的方法的第一实施方式，如下文 所述。
[0037] 第一步骤10包括制造纤维结构，形状与