本發(fā)明涉及一種制造由陶瓷基復(fù)合材料(cmc)制成的部件的方法，其中陶瓷基體是通過熔融狀態(tài)的硅基組合物的滲透(“熔融滲透(melt-infiltration)”；“mi”)形成的。以此方式獲得的復(fù)合材料部件可用作渦輪機(特別是航空渦輪機)的熱結(jié)構(gòu)部件，例如渦輪部件。
背景技術(shù)：
1、陶瓷基復(fù)合材料可承受600℃至1400℃的溫度。由于cmc具有更高的耐高溫性，因此所需的冷卻也更少。由于該冷卻傳統(tǒng)上來自壓縮機排氣，而這會影響渦輪機的效率，因此cmc材料可以提高發(fā)動機效率，從而降低油耗。此外，使用cmc有助于優(yōu)化渦輪機的性能，特別是通過減輕渦輪機的總重量，從而進一步降低燃料消耗，進而顯著減少污染物排放。
2、cmc部件可以通過熔融滲透形成。在該技術(shù)中，可以將熔融硅組合物引入到纖維結(jié)構(gòu)的孔隙中，該纖維結(jié)構(gòu)已通過碳化硅沉積物預(yù)致密化并填充有碳化硅顆粒。該方法制備出了具有完全致密的高模量si-sic基體和具有高線性極限的復(fù)合材料。所得復(fù)合材料具有良好的機械性能，但發(fā)明人觀察到斷裂伸長率存在一定的可變性，這降低了材料的損傷容限區(qū)。希望提出一種解決方案來克服這一缺點。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明正是為了滿足這一需求。
2、為此，本發(fā)明提出了一種制造由陶瓷基復(fù)合材料制成的部件的方法，該方法包括：
3、-使用含硅的熔融滲透組合物對預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)進行滲透，從而在預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)的殘余孔隙中形成陶瓷基體，所述預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)包括預(yù)致密化基體，所述預(yù)致密化基體包括第一碳化硅層、反應(yīng)性層和熔融硅潤濕層，反應(yīng)性層包括含碳且能夠與滲透組合物中的硅發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)性材料，反應(yīng)性層覆蓋第一層，熔融硅潤濕層由碳化硅或碳制成并覆蓋反應(yīng)性層。
4、在本申請中，“潤濕”一詞應(yīng)理解為通常意義上的表面與液體之間的物理潤濕，此處的表面是指潤濕層的表面，液體是指滲透組合物。潤濕性可以通過通常定義的接觸角來測量，即通過空氣/液體/表面界面處液體的切線來測量。接觸角越小，潤濕性越好。
5、如果接觸角小于50°，則稱該層具有“潤濕性”。
6、例如，用于量化潤濕性的接觸角可以使用立滴法、使用測角儀的懸滴法、威廉米(wilhelmy)法或毛細(xì)管上升法來測量。
7、在本發(fā)明的方法中，預(yù)致密化基體的各層的特殊組成使得解決該技術(shù)問題成為可能。
8、這是因為液態(tài)硅首先與熔融硅潤濕層發(fā)生反應(yīng)，并穿過該潤濕層到達反應(yīng)性層。
9、一旦到達反應(yīng)性層，液態(tài)硅優(yōu)先與該層反應(yīng)，因此不會滲入第一碳化硅層。
10、從反應(yīng)性層開始，熔融硅流被轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離第一層和底層纖維，從而保護材料。
11、轉(zhuǎn)移硅的前進方向確保滲透的液態(tài)硅不會像損壞現(xiàn)有技術(shù)的纖維結(jié)構(gòu)那樣損壞預(yù)致密化的纖維結(jié)構(gòu)。最終得到的復(fù)合材料部件性能可變性較小。
12、在一個實施方式中，反應(yīng)性材料可選自熱解碳或硼摻雜碳碳，例如硼摻雜碳熱解碳。
13、這些材料是本發(fā)明的優(yōu)選材料，因為它們易于通過化學(xué)氣相滲透工藝沉積。因此，如果纖維結(jié)構(gòu)的預(yù)致密化的其余部分通過化學(xué)氣相滲透工藝進行，則它們是良好的替代反應(yīng)性材料。
14、在一個實施方式中，熔融硅潤濕層的厚度大于或等于0.2μm，例如為0.2μm至10.0μm，甚至為1.0μm至10.0μm。
15、在一個實施方式中，熔融硅潤濕層具有柱狀微結(jié)構(gòu)。
16、當(dāng)通過化學(xué)氣相滲透對纖維結(jié)構(gòu)進行預(yù)致密化時可以實現(xiàn)該實施方式。
17、然后，柱狀微結(jié)構(gòu)被定向為晶界沿著橫向于纖維表面的方向。由于液態(tài)硅需要在柱之間滲透，柱狀微結(jié)構(gòu)可以限制到達反應(yīng)性材料的液態(tài)硅，因此即使反應(yīng)性材料層很薄，也能提供良好的保護。
18、然后，反應(yīng)性層改變?nèi)廴诠璧那治g方向，阻止其繼續(xù)向纖維擴散。
19、在一個實施方式中，反應(yīng)性層的厚度可以小于或等于1000nm。
20、盡可能小的反應(yīng)性層確保反應(yīng)性層不會影響纖維結(jié)構(gòu)的機械性能。
21、在一個實施方式中，反應(yīng)性層的厚度可以大于或等于20nm。
22、足夠厚的反應(yīng)性層確保液態(tài)硅在浸漬過程中無法穿過反應(yīng)性層。
23、在一個實施方式中，反應(yīng)性層的厚度為20nm至1000nm，甚至為200nm至500nm。
24、該反應(yīng)性層厚度代表了上述兩種效果之間的最優(yōu)值。
25、在一個實施方式中，熔融硅潤濕層的厚度與第一碳化硅層厚度的比率為40/60至10/90。
26、該比率固定了反應(yīng)性層在預(yù)致密化基體中的位置。
27、上述值之間的比率確保第一碳化硅層的厚度足以使預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)具有預(yù)期的性能。該比例還確保反應(yīng)性層距離預(yù)致密化基體的外表面(距離纖維最遠(yuǎn)的表面)足夠遠(yuǎn)，使得熔融硅潤濕層防止液態(tài)硅直接與反應(yīng)性層反應(yīng)，而這種反應(yīng)是不希望發(fā)生的。
28、剛剛描述了本發(fā)明的單反應(yīng)性層。
29、在其他實施方式中，預(yù)致密化基體除了熔融硅潤濕層之外，還可以包括一至八個附加保護結(jié)構(gòu)，每個附加保護結(jié)構(gòu)包括附加反應(yīng)性層和覆蓋附加反應(yīng)性層的附加熔融硅潤濕層，附加反應(yīng)性層包括含碳且能夠與滲透組合物中的硅發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)性材料。
30、如果存在多個附加保護結(jié)構(gòu)，則可以將它們依次放置并相互接觸。
31、結(jié)果是反應(yīng)性層和熔融硅潤濕層交替，從而確保即使硅穿過一個反應(yīng)性層，它也會被轉(zhuǎn)移到下一個反應(yīng)性層。
32、此外，具有多個反應(yīng)性層的交替結(jié)構(gòu)允許纖維結(jié)構(gòu)更好地容納硅和其中一個反應(yīng)性層之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
33、然后硅與反應(yīng)性層之間的反應(yīng)可以在多個反應(yīng)性層上進行，而不是只在一個反應(yīng)性層上進行，這確保了產(chǎn)生的熱量得到更好的分布，從而避免可能破壞纖維結(jié)構(gòu)完整性的熱點。
34、在一個實施方式中，預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)還包括位于纖維增強材料和預(yù)致密基體之間的氮化硼界面相。
35、氮化硼界面相的存在有利地阻斷了在運行過程中復(fù)合材料部件的基體中可能出現(xiàn)的任何裂紋，從而保護纖維增強材料。
36、在一個實施方式中，纖維結(jié)構(gòu)包括由三維機織或由多個二維纖維層形成的預(yù)致密纖維增強材料。
37、特定的機織結(jié)構(gòu)的選擇賦予了預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的部件特殊的機械性能。
38、值得注意的是，這種結(jié)構(gòu)尤其適用于航空工業(yè)中使用的部件。
39、在一個示例性實施方式中，所述部件是渦輪機部件。
1.一種制造陶瓷基復(fù)合材料部件的方法，其包括：
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述反應(yīng)性材料選自熱解碳或硼摻雜熱解碳。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述熔融硅潤濕層(15)的厚度為0.2μm至10.0μm。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述熔融硅潤濕層(15)具有柱狀微結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述反應(yīng)性層(14)的厚度(e2)小于或等于1000nm。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中，所述熔融硅潤濕層(15)的厚度(e1)與所述第一碳化硅層(13)的厚度(e3)的比率為40/60至10/90。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其中，除了熔融硅潤濕層(15)之外，預(yù)致密化基體還可以包括一至八個附加保護結(jié)構(gòu)，每個附加保護結(jié)構(gòu)包括附加反應(yīng)性層和覆蓋所述附加反應(yīng)性層的由碳化硅或碳制成的附加熔融硅潤濕層，所述附加反應(yīng)性層包括含碳且能夠與滲透組合物中的硅發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)性材料。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中，所述預(yù)致密纖維結(jié)構(gòu)還包括位于纖維增強材料(11)和預(yù)致密化基體(13、14、15)之間的氮化硼界面相(12)。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其中所述部件為渦輪機部件。