[发明专利]一种用陶瓷基质复合材料制造部件的方法

说明书

本发明涉及一种用陶瓷基质复合材料制造部件的方法，该方法包括至少以下步骤：用包括大部分重量的硅的熔融组合物渗透纤维预制件，该纤维预制件包括碳化硅纤维、存在于所述预制件的孔中的碳化硅粉末，粉末中的碳化硅微晶的平均尺寸小于纤维中的碳化硅微晶的尺寸，在渗透过程中在纤维预制件的孔中形成陶瓷基质，以便获得由复合材料制成的部件。

背景技术

本发明涉及一种用陶瓷基质复合(CMC)材料制造部件的方法，其中基质通过熔融渗透(MI)形成，即渗透熔融状态的基于硅的组合物。

本发明的应用领域是制造在使用中暴露于高温的部件，特别是在航空和航天领域，特别是用于航空涡轮发动机的热部分的部件，应理解本发明可以是适用于其他领域，例如工业燃气轮机领域。

CMC材料具有良好的热结构性能，即良好的机械性能，使其适合于构成结构部件，以及在高温下保存这些性能的能力。因此，建议使用CMC材料代替金属材料用于在使用中暴露于高温的部件，特别是因为这些材料的密度远小于它们所替代的金属材料的密度。

制造CMC部件的众所周知的方法在于，由碳化硅纤维制成的纤维层制造预制件，然后将碳化硅粉末引入所得的预制件中，然后用熔融硅渗透所得的粉末填充的预制件，以便形成陶瓷基质。与通过化学气相渗透(CVI)致密化相比，MI方法具有更快且更容易执行的优点。然而，希望进一步改善以这种方式获得的CMC部件的机械性能。

还已知的是EP 1391442，其在其段落[0011]中教导了一种技术方案，该技术方案与通过烧结粉末形成基质的情况密切相关。

因此，存在改善通过熔融渗透硅基组合物获得的陶瓷基质复合材料部件的机械性能的需求。

发明内容

为此，在第一方面，本发明提供一种用陶瓷基质复合材料制造部件的方法，该方法包括至少以下步骤：

用包括大部分重量的硅的熔融组合物渗透纤维预制件，该纤维预制件包括碳化硅(SiC)纤维，存在于所述预制件的孔中的碳化硅粉末，粉末中的碳化硅微晶的平均尺寸小于纤维中碳化硅微晶的平均尺寸，在渗透过程中在纤维预制件的孔中形成陶瓷基质，以便获得由复合材料制成的部件。

术语“包括大部分重量的硅的熔融组合物”用于表示熔融组合物中硅的重量含量大于或等于50％。

存在于材料中的碳化硅微晶的平均尺寸可以通过应用谢乐(Scherrer)公式从X射线衍射测试(XRD)的结果确定。谢乐公式如下：

T_平均＝0.9λ/[ε×cos(2θ/2)]

其中t_平均是材料中碳化硅微晶的平均尺寸，λ是X射线的波长，ε是以与碳化硅相关的线的弧度测量的半高宽度，2θ是衍射图中线顶部的以度(°)为单位的位置。在特殊情况下，谢乐定律存在提供近似结果的风险，例如因为两条相邻线之间存在显著的重叠，所以可以使用里特维德(Rietveld)方法。该方法包括从样品的晶体学模型模拟衍射图，然后调整模型的参数，使得模拟的衍射图尽可能接近实验衍射图。可以使用诸如FullProf、TOPAS、MAUD和FAULTS之类的特定软件来执行这些步骤。

在本发明中，使用SiC粉末，其在渗透之前具有SiC微晶，其平均尺寸小于纤维中SiC微晶的平均尺寸。使用这种粉末有利于减少或甚至避免纤维预制件的SiC纤维在渗透过程中被熔融组合物侵蚀。因此，本发明有利地减少或甚至避免纤维预制件的SiC纤维在熔融组合物渗透期间降解，从而改善制造的CMC部件的机械性能，特别是改善这些部件的弹性极限。

具体地，发明人已经观察到熔融硅组合物与碳化硅之间的相互作用程度随着SiC微晶直径的减小而增加。因此，通过使用如上所述的粉末，与熔融组合物和纤维的SiC之间的相互作用相比，熔融组合物与粉末的SiC之间的相互作用增加。结果，SiC纤维在熔融组合物渗透期间降解较少，因此改善了所得部件的机械性能。