[发明专利]制造陶瓷基质复合材料的方法和由此形成的陶瓷基质复合材料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月29日提交的美国临时申请第61/581,129号的权益，其内容通过引用结合到本文中来。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是在由Navy颁发的合同N00421-08-C-0041号下在政府支持下完成。该政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

概括地讲，本发明涉及陶瓷基质复合(ceramic matrix composite, CMC)制品及其制造方法。更具体地讲，本发明涉及制造含硅CMC制品的方法，其包括能够产生在高温下表现示出合乎需要的物理、机械和微结构性质的CMC制品的加工步骤。

为了增加燃气涡轮发动机的效率，不断地探索用于燃气涡轮发动机的较高操作温度。虽然已经通过铁、镍和钴基超合金的配制实现了在高温性能方面的重大进步，但还是研究了供选的材料。CMC材料由于它们的高温性能可显著降低冷却空气需求是值得注意的实例。CMC材料通常包含包埋在陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。该增强材料可为分散在基质材料中的不连续的短纤维或在基质材料内定向的连续纤维或纤维束，且充当CMC的载荷成分。继而，该陶瓷基质保护该增强材料、维持其纤维的定向且用来消散对该增强材料的荷载。单根纤维(长丝)常常用诸如氮化硼(BN)的脱模剂涂布，以形成允许在纤维和陶瓷基质材料之间的受限且受控的滑动的脱粘层。

连续纤维增强陶瓷复合材料(continuous fiber reinforced ceramic composite, CFCC)是一种针对多种高温载荷应用提供轻质、高强度和高硬度的CMC，这些高温载荷应用包括燃气涡轮发动机的遮板、燃烧室衬套、静叶、动叶及其他高温部件。CFCC材料通常以连续纤维(长丝)为特征，这些连续纤维可配置形成单向纤维阵列，或集束成配置形成单向纤维束阵列的纤维束，或集束成织造形成二维织物或者织造或编织形成三维织物的纤维束。对于三维织物，单向纤维束组可例如彼此垂直交织。对于高温应用特别重要的是作为基质和/或增强材料的基于硅的复合材料，诸如碳化硅(SiC)。SiC纤维还用作用于包括碳化钛(TiC)、氮化硅(Si₃N₄)和氧化铝(Al₂O₃)的多种其他陶瓷基质材料的增强材料。

CMC材料且特别是SiC/Si-SiC (纤维/基质)连续纤维增强陶瓷复合(CFCC)材料的实例和方法公开在美国专利5,015,540号、5,330,854号、5,336,350号、5,628,938号、6,024,898号、6,258,737号、6,403,158号和6,503,441号及美国专利申请公告2004/0067316号中，其内容通过引用结合到本文中来。所述方法通常需要使用多个预浸渍层制造CMCs，其各自以包含所要陶瓷纤维增强材料、CMC基质材料的一种或多种前体和有机树脂粘合剂的“带”的形式。根据常规实践，预浸渍带可通过用含有一种或多种陶瓷前体和粘合剂的浆料浸渍增强材料来形成。用于该前体的优选材料将取决于CMC部件的陶瓷基质所希望的特定组成，例如SiC粉末和/或一种或多种最终在与熔融Si反应时将转化成SiC的含碳材料。其他典型浆料成分包括促进预浸渍带的柔韧性的有机粘合剂和促进浆料的流动性以能够浸渍纤维增强材料的用于所述粘合剂的溶剂。

在让浆料部分地干燥且如果合适，则部分地固化粘合剂(B-阶段)之后，将所得预浸渍带与其他带一起铺叠，且随后压实，且如果合适的话，则固化，同时使其经受高压和高温以制造预成型件。随后将该预成型件在真空或惰性气氛中加热(烧制)以分解粘合剂，除去溶剂，并将前体转化成所要陶瓷基质材料。由于粘合剂的分解，生成多孔CMC体，该多孔CMC体可经历熔体浸渗(MI)以填充孔隙并产生CMC部件。用于产生SiC基质的熔体浸渗过程通常需要用外部供应的熔融硅浸渗多孔CMC体。该熔融硅浸渗到孔隙中，与基质的碳内含物反应以形成碳化硅，并填充孔隙以产生所要的CMC部件。用于上述方法的特定加工技术和参数将取决于材料的特定组成。

CFCC材料10的实例示意性表示在图1中，其包括多个薄层(laminae)12，各薄层源于包括用陶瓷基质前体浸渍的单向对准的增强材料14的各个预浸渍带。结果，各薄层12含有嵌入在烧制和熔体浸渗期间通过转化陶瓷基质前体完全或部分地形成的陶瓷基质18中的增强材料14。