[发明专利]制造由热结构复合材料制成的部件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造热结构复合材料部件，特别是用于航空领域或太空领域的部件。该部件的例子为燃气涡轮航空发动机的尾部元件，如多程发动机或中央机身或“栓塞(plugs)”的混合器或次级喷嘴。

背景技术

热结构复合材料因其机械性能(这使它们适合组成结构部件)及其在高温下保存这些性能的能力而值得注意。公知的热结构复合材料为碳/碳(C/C)复合材料(包括用碳基体增强的碳纤维)和陶瓷基体复合材料(CMC)(包括耐火纤维增强件(碳纤维或陶瓷纤维)和陶瓷基体)。CMC不仅呈现出在高温下非常好的机械强度，而且呈现出良好的耐腐蚀性环境(存在氧化剂和湿气)的能力。因此已提出将CMC用于航空发动机的尾部元件，所述元件在操作中经受通常为400℃至750℃的温度。

一种已知的制造热结构复合材料部件的方法包括以下步骤：

·由用包含碳-或陶瓷-前体(通常为任选地在溶剂中稀释的树脂)的固结组合物浸渍的碳或陶瓷的纱(或丝束)制备纤维预成型体；

·通过热解转变碳-或陶瓷-前体；和然后

·通过化学气相渗透(CVI)致密化预成型体。

为制备浸渍的纤维预成型体，使用一层或多层的纤维结构，例如用固结组合物浸渍的三维(3D)机织物，并将纤维结构成形，例如通过在成型模具上悬垂(draped)以得到具有符合待制造部件形状的预成型体。将固结组合物的树脂固化并随后热解以留下用于固结预成型体的固体碳或陶瓷残渣。用通过CVI得到的碳或陶瓷基体致密化固结的预成型体。以公知方式，通过将固结后的预成型体置于反应室中并将反应气体引入室内而进行CVI致密化，反应气体包含一种或多种碳-或陶瓷-前体，选择反应室中的条件(特别是压力和温度条件)以使反应气体能在预成型体的孔内扩散，并通过反应气体中一种或多种组分的分解或者通过其多个组分之间的反应而在其中形成碳或陶瓷的固体沉积物。

用固结组合物的浸渍需要进行至足以得到符合要求的固结所需的热解后固体残渣的量。术语“符合要求的固结”在本文中用于指纤维预成型体的达到或略微超过阈值的部分致密化，超过该阈值的预成型体凭自身保存其形状并可被操作(如果需要)而不需要支持它的模具。申请人已观察到，通常获得足够的固结，其中热解后固体残渣具有12％至14％的体积百分比(即被固体残渣占据的预成型体的表观体积百分比)。

在通过该方法(使用具有陶瓷前体树脂的液体技术固结以及通过CVI致密化)得到的CMC部件上进行的机械试验已给出从热机械观点看令人满意的结果，但也许需要为其取得关于材料杨氏模量的改进。申请人已观察到，因为所需的固结组合物的量，大部分的纱内部空间被热解的固体残渣占据，因而赋予不如由通过CVI获得的陶瓷基体所提供的那些一样好的机械性能。

发明内容

本发明的一个目的是提出制造具有大幅升高的机械潜能的热结构复合材料部件，并结合通过液体技术固结与通过CVI致密化的方法。

该目的通过制造热结构复合材料部件的方法而实现，该方法包括：制备由纱或丝束形成的纤维预成型体，将纤维预成型体以其形状固结，然后通过化学气相渗透致密化固结的纤维预成型体，固结通过用包含碳-或陶瓷-前体的固结组合物浸渍纤维预成型体的纱或丝束并通过热解转变碳-或陶瓷-前体而进行，在该方法中使用的固结组合物进一步包含以平均粒度小于200纳米的粉末形式的耐火固体填料且其热解后留下固结固相，其中源自前体的碳或陶瓷占据预成型体表观体积的3％至10％的体积，而固体填料占据预成型体表观体积的0.5％至5％的体积。

在固结液体组合物中亚微米填料的存在提供以下优点：

·固结组合物具有较小的渗透进低孔隙率的纱内部或丝束内部空间的倾向，因而为CVI致密化让出大部分的这些空间，并由此使得有可能在每根纱或丝束内达到具有高等级机械性能的“微型-复合”；和

·热解的固体残渣通过填料的存在而增强，因而提高其机械性能及其固结能力。

因此，与上文描述的现有技术相比，固结组合物中更少量的碳-或陶瓷前体足以达到符合要求的固结，其有可能降低预成型体中热解固结相的固体残渣的体积百分比，使其为3％至10％，优选地为3％至6％。

固结组合物中固体填料的量必须不过量以避免增加其粘度或使用可引起环境和工作问题的大量溶剂。因此预成型体中固结相的固体填料的体积百分比为0.5％至5％，且优选地为0.5％至3％。

选择足够小的固体填料的粒度以避免加入固结组合物时发生过滤现象，其中固体填料附聚在纱或丝束周围，而液体的碳-或陶瓷-前体单独渗透进纱或丝束内。因此，此粒度平均为小于200纳米，或者甚至小于100纳米。