專利名稱：通過使用膠態炭黑加工SiC/SiC陶瓷基體復合材料的方法
背景技術：
本發明涉及一種生產纖維增強的復合材料的方法，特別是生產那些具有致密陶瓷基體的纖維增強復合材料的方法。
在過去的五十年中，高溫材料的開發已經被需要它們在要求嚴格的結構應用所促進，特別是在燃氣輪機中。目前在燃氣輪機的熱區中使用的材料是基于鎳和鈷的超級合金。在許多情況下，它們目前在約1100℃的溫度下使用。
陶瓷是耐火材料，在遠遠高于1100℃的溫度下具有穩定性，所以對于燃氣輪機的應用是有吸引力的。整料結構陶瓷，例如SiC和Si3N4，已經商品化超過四十年，但是還沒有應用于燃氣輪機中，因為它們缺乏損傷容限和災難性失效模式。但是，陶瓷基體復合材料(CMC)，特別是用連續纖維增強的那些，提供了顯著的損傷容限和更好的失效模式。熔體滲透(MI)的SiC/SiC復合材料對于燃氣輪機應用是特別有吸引力的，因為它們與其它CMC相比具有高的熱導率、優異的耐熱沖擊性、耐蠕變性和抗氧化性。
已經為了制造MI-CMC開發了各種加工方案。在“漿料澆注(slurrycast)”方法中，纖維先進行織造或者編織成織物，該織物然后堆疊形成復合材料預制體形式。然后通過化學氣相滲透(CVI)方法將纖維涂料涂覆到該預制體上。在預制體中剩余的孔隙率通常是30-40％，這些孔隙然后通過將)SiC顆粒漿料澆注(或粉漿澆注)到預制體中而被部分填充。最后的致密化步驟通常通過硅熔體滲透進行。具體地說，這種含有被涂覆的SiC纖維的復合材料預制體和SiC顆粒被加熱到約1420℃以上，同時與硅金屬源接觸。熔融的硅金屬很容易潤濕SiC，所以容易通過毛細管方法拖入到預制體中剩余的未填充的孔中。對于滲透而言不需要任何額外的驅動力，并且復合材料預制體沒有任何尺寸變化。
另一種樹脂澆注技術依賴將熱固性樹脂浸漬入孔結構中，作為用于后續熔體滲透步驟的碳源。這些樹脂通常包含二醇成孔劑以使焦炭開口和能夠被熔融的硅轉化成SiC。但是，樹脂混合物本身通常是可燃的和有毒的。這些樹脂的熱解產物也是有毒的，并通常是致癌的。這些樹脂通常不僅需要浸漬步驟，而且需要壓力固化和熱解步驟以將純碳引入多孔預制體中。
例如，在美國專利5,865,922中公開了生產具有致密陶瓷基體的纖維增強復合材料的方法，包括以下步驟通過常規化學氣相滲透(CVI)方法用合適的陶瓷材料將纖維預制體進行部分稠化，得到具有較大體積分數的互連孔的剛性體。被部分化學氣相滲透的該剛性體然后通過反應成型加工，其中該剛性體用一種設計成用于生產受控微孔玻璃態碳基體的樹脂混合物滲透。該樹脂混合物由較高焦碳產率的樹脂、成孔劑和酸催化劑組成以允許樹脂的聚合。當所得的多孔固體聚合物被熱解到高溫時，通過蒸餾除去成孔劑，該固體聚合物分解成玻璃態碳。該方法中的最后一個步驟是將復合材料基體的微孔碳轉化成碳化硅。這是通過將液體硅或液體硅合金引入該剛性體中以滲透碳和形成碳化硅完成的。如果使用硅合金(例如硅耐火金屬合金)，化合物耐火二硅化物在硅與碳反應時沉淀出來。在任一種情況下，最終得到含有碳化硅和一些游離硅的致密基體，和在合金滲透的情況下，最終得到一些沉淀的二硅化物。因為這些樹脂的毒性，所以希望在碳滲透方法中不使用它們。
發明簡述本發明改進了上面一般描述的常規樹脂澆注方法，其中用工業的低成本的非毒性的水基碳漿料代替熱固性樹脂混合物。在CVI之后，該漿料被浸漬到多孔CMC、即纖維預制體中，作為熱固性樹脂的環保且便宜的替代品。另外，該漿料在CMC的內部孔隙中產生了多孔碳殘余物，所以不再需要成孔劑。在示例性實施方案中，炭黑在水中的工業膠態懸浮液用作滲透漿料。
在本領域公知的是，產生碳的浸漬劑(例如呋喃樹脂)大大提高了SiC基CMC對于熔融的硅的潤濕能力。與呋喃樹脂相比，本發明的水基碳漿料含有較低濃度的碳。但是，由于呋喃樹脂需要用成孔劑改性以使熔融的硅能夠到達部件的內部，所以高的碳填充量不是必要的。在浸入之后，從漿料容器中取出預制體，并放入合適的真空室中。該真空室然后被抽空到漿料開始沸騰或起泡的程度。然后釋放真空，取出預制體。該預制體然后通過常規硅熔體滲透被完全稠化。
因此，在一個方面，本發明涉及一種形成陶瓷基體復合材料(CMC)的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預制體浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預制體，將預制體放入真空室中并抽真空直到漿料開始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預制體。
在另一個方面，本發明涉及一種形成陶瓷基體復合材料(CMC)的方法，包括(a)將預制體部分致密化到10-45％的孔隙率；(b)將預制體浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(c)將預制體放入真空室中并將該室抽真空直到漿料開始沸騰或起泡的程度；(d)釋放真空并取出預制體；(e)將預制體放入加熱的烘箱中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和將碳粉浸漬的CMC浸入熔融的硅中，實現預制體的所需致密化。
下面將詳細描述本發明。
附圖
簡述附圖是根據本發明示例性實施方案的形成CMC復合材料方法的示意圖。
本發明的詳細描述在本發明的示例性實施方案中，先通過例如在’922專利中描述的常規方法制備SiC/SiC預制體。在該方法中，碳化硅耐火材料用作纖維增強材料的基體。參考附圖，根據示例性實施方案的方法中，先將纖維束10織造或編織成織物12。切割該織物并堆疊形成所需形狀的復合材料預制體14。該纖維預制體然后被放入室16中進行常規的化學氣相滲透(CVI)。在CVI工藝中，陶瓷涂層被涂覆到預制體纖維上以使其變硬以進行進一步加工和/或保護纖維不受進一步加工的破壞。所得的部分稠化的預制體可以具有小到10體積％或高達60體積％的孔體積(通常是12-28％)。
然后，將預制體14放入裝有炭黑顆粒在水溶液中的膠態懸浮液或漿料的容器18中。一種合適的商業可得的溶液是以商品名Aqua DagTM銷售。但是，應該理解的是，其它含有炭黑的水溶液也可以使用。該溶液用作滲透劑以在CVI之后和在最終的稠化之前將碳供應給預制體。在多孔SiC/SiC預制體14被浸入漿料浴20中達到所需的時間之后，取出該預制體，放入真空室22。真空室22被抽真空到浸漬的漿料剛好開始沸騰或起泡的程度。然后釋放真空，從真空室中取出預制體。然后將預制體14放入加熱的烘箱24中以從預制體14中除去水，得到碳粉浸漬的CMC。碳粉浸漬的CMC然后用純的熔融硅滲透以將該預制體完全致密化。碳與熔融的硅反應，形成碳化硅。碳在預制體中的存在也提供了在最終致密化步驟中的良好潤濕特性，保證了在預制體中任何剩余的孔被基本上完全填充。結果得到含有碳化硅和一些游離硅的致密基體，游離硅的含量主要取決于孔在預制體中的體積分數。
上述方法可以用于生產氣輪機元件例如燃氣輪機罩蓋、燃燒室襯里和其它需要具有耐高溫性的元件。
雖然目前描述了本發明最實用和優選的實施方案，但是應該理解的是，本發明不限于上面公開的實施方案，相反，意在包括在所附權利要求的精神和范圍內的各種改進和等同方案。
附圖標記說明纖維束10織物12復合材料預制體14室16容器18漿料浴20真空室22加熱烘箱2權利要求
1.一種形成陶瓷基體復合材料(CMC)的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強的織物(12)；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預制體(14)浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預制體(14)，將預制體(14)放入真空室(22)中并抽真空直到漿料開始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預制體。
2.權利要求1的方法，其中在步驟(b)之后，預制體(14)具有10-45％的體積孔隙率。
3.權利要求1的方法，進一步包括(f)將預制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC。
4.權利要求3的方法，進一步包括(g)用熔融的硅滲透預制體(14)。
5.權利要求1的方法，其中步驟(b)是通過將纖維增強的預制體(14)放入室(16)中并使用化學氣相滲透以涂覆纖維進行的。
6.一種形成陶瓷基體復合材料(CMC)的方法，包括(a)將預制體(14)部分致密化到10-60％的孔隙率；(b)將預制體(14)浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(c)將預制體(14)放入真空室(16)中并將室(16)抽真空直到漿料開始沸騰或起泡的程度；(d)釋放真空并取出預制體；(e)將預制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和將碳粉浸漬的CMC浸入熔融的硅中，實現預制體的所需致密化。
7.權利要求6的方法，其中步驟(a)是通過將纖維增強的預制體放入室(16)中并使用化學氣相滲透進行的。
8.一種從陶瓷基體復合材料制備汽輪機元件的方法，包括(a)提供織造或編織的用纖維增強的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預制體(14)浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預制體(14)，將預制體放入真空室(16)中并將該室抽真空直到漿料開始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預制體。
9.權利要求8的方法，進一步包括(f)將預制體(14)放入加熱的烘箱(24)中以除去水，得到碳粉浸漬的CMC；和
10.權利要求9的方法，進一步包括(g)用熔融的硅滲透預制體(14)。
全文摘要
本發明涉及一種形成陶瓷基體復合材料(CMC)的方法，包括以下步驟(a)提供織造或編織的用纖維增強的織物；(b)用陶瓷材料涂覆纖維；(c)將預制體浸入炭黑在水中的膠態懸浮液中；(d)從懸浮液中取出預制體，將預制體放入真空室中并將該室抽真空直到漿料開始沸騰或起泡；和(e)釋放真空并取出預制體。
文檔編號C04B35/78GK1749216SQ200510091659
公開日2006年3月22日 申請日期2005年8月11日 優先權日2004年8月11日
發明者D·J·蘭迪尼, R·L·K·馬特蘇莫托, D·M·多曼斯基 申請人:通用電氣公司