專利名稱：使用水基預浸漿料的cmc方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷基體元件的制備，尤其涉及將水用作含有顆粒碳化硅、炭黑和高溫和低溫粘合劑的預浸漿料的液體載體的制劑。
背景技術：
在過去五十年中，高溫材料的發展已經受到它們在要求苛刻的結構應用，尤其是燃氣輪機上的需要的推動。目前在燃氣輪機熱區使用的材料是基于鎳和鈷的超合金。在許多情況下，它們當前使用溫度約為1100℃。
陶瓷是耐火材料，在遠高于1100℃的溫度具有穩定性，所以對燃氣輪機應用而言很有吸引力。單一結構陶瓷，例如SiC和Si3N4，40年前就已經制備出來了，但由于缺乏損傷容限以及災難性失效模式，還沒能用于燃氣輪機。但是，陶瓷基體復合物(CMC)，尤其是那些用連續纖維增強的，具有明顯的損傷容限，而且失效模式更好。和其它CMC相比，熔融滲透(MI)SiC/SiC復合物對燃氣輪機應用尤其具有吸引力，這是因為它們的高熱導率、優異的抗熱沖擊性、抗蠕變性和抗氧化性。
已經開發了多種制備MI-CMC的工藝方案。一種方法稱作“預浸方法”，另一種方法稱作“漿料澆注”方法。本發明主要涉及預浸方法。
典型預浸方法的第一步是通過化學汽相沉積(CVD)施加纖維涂層。在過去，CMC典型采用碳作為纖維涂層，但是已經加入了氮化硼或摻硅氮化硼以提高抗氧化性。
施加了纖維涂層后，將該纖維束拖過含有預制基體組分(SiC和碳顆粒、粘合劑和溶劑)的漿料，然后繞在滾筒上形成單方向的預浸漬，即“預浸”，帶。然后將此帶干燥，從滾筒上取下，切割成形，敷層后得到所需的纖維結構，層疊后形成原始復合預制體。
最終的致密化步驟是硅熔體滲透步驟。將含有具有涂層的SiC纖維、SiC和/或碳顆粒以及有機粘合劑的復合預制體，加熱到大于約1420℃，同時和熔融硅金屬源接觸。
目前用于預浸SiC預制體的漿料制劑采用的是非水性溶劑，這在工業應用中帶來了危害。非水性溶劑一般與高溫及低溫粘合劑組合使用，這些粘合劑溶于該非水性溶劑但不溶于水。
發明內容
本發明涉及將水用作預浸漿料的液體載體的制劑。在示例性實施方案中，漿料含有水、顆粒碳化硅、炭黑、高溫粘合劑和低溫粘合劑。因此，本發明用危險性較小的水性系統取代了以前的非水性系統，不過作用方式基本相同。
相應地，在一方面，本發明涉及形成陶瓷基體復合物元件的方法，包括(a)通過化學汽相沉積在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；和(c)將預浸帶繞在滾筒上。
在另一方面，本發明涉及形成陶瓷基體復合物元件的方法，包括(a)在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；(c)將預浸帶繞在滾筒上；(d)切割、敷層并層疊所述預浸帶，以形成復合預制體；(e)用熔融硅熔融滲透該預制體；以及(f)加工該預制體形成所述陶瓷基體復合物元件；其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠；并且其中所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
在又另一方面，本發明涉及形成陶瓷基體復合物元件的方法，包括(a)通過化學汽相沉積在纖維束上施加纖維涂層；(b)將纖維束拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；(c)將預浸帶繞在滾筒上；(d)切割、敷層并層疊該預浸帶，以形成復合預制體；(e)用熔融硅熔融滲透該預制體；以及(f)將該預制體加工成燃氣輪機元件的形狀。
現在，結合下面給出的附圖對本發明進行詳細描述。
唯一的圖是在制備MI-CMC中使用的傳統預浸熔融滲透(PrepregMelt Infiltration)方法的示意圖。
具體實施例方式
參見該圖，用于制備MI-CMC的傳統預浸方法從SiC多纖維的纖維束，典型是Hi-NicalonTM或SylramicTM纖維開始。具體地說，該纖維束10從滾輪或滾筒12上解繞，通過室或腔14，在此處通過傳統化學汽相沉積(CVD)法對纖維施加涂層。該纖維涂層，典型具有陶瓷材料，在復合物加工時起到保護纖維的作用并提供低強度纖維-基體界面，從而使得纖維-基體剝離以及纖維拔出增韌(fiber pull-outtoughening)機制可行。CMC典型采用碳作為纖維涂層，但現在也加入了氮化硼或摻硅氮化硼以提高抗氧化性。
在采用CVD施加了纖維涂層后，纖維束被拖過含有非水性預制基體漿料的基體漿料容器16，其中該非水性預制基體漿料含有SiC、碳顆粒、粘合劑和溶劑。隨后將纖維束繞在滾筒18上形成單方向預浸漬帶。接著將該帶干燥，從滾筒上取下，切割成形并敷層得到所需的纖維結構，然后層疊形成原始復合預制體20。如果需要的話，預制體的加工可以在這個階段進行，這樣有助于減少致密化后該部分的最終加工量。
最后的致密化步驟通常被稱為硅熔融滲透。復合預制體20，含有具有涂層的SiC纖維、SiC和/或碳顆粒，該復合預制體20被加熱到約1420℃以上，同時和熔融硅金屬源接觸。熔融硅很容易潤濕SiC和/或碳，所以很容易通過毛細方法被拖進預制體的殘余孔隙里。滲透不需要外來的驅動力，并且復合預制體沒有尺寸變化。
在本發明的一個示例性實施方案中，引入容器16的水基預浸基體漿料制劑中，除水以外，還包括作為低溫粘合劑的RhoplexB-60A(丙烯酸乳膠)和作為高溫粘合劑的Rugters Plenco單級(singlestage)酚醛樹脂No.12114。碳化硅粉(HSC-059)和當前在非水性系統中使用的相同，炭黑也是如此。由于水基系統的性質，可以與任何合適的pH控制組分一起加入已知的分散劑。
為了證實如上所述的預浸漿料的有效性，進行下面的步驟在1000ml廣口瓶中放入164g去離子水、3g TEGO Dispers 750和140gHSC-059 SiC以及氧化鋁磨球。讓廣口瓶轉動或滾動過夜。大約12小時后，沒有可見的SiC塊，然后按照給定順序將下列物質加入廣口瓶中，在每次加入之間搖動廣口瓶3g TEGO、60g炭黑、2g氫氧化銨、68.3g RhoplexB-60A乳膠和56g酚醛樹脂。讓該制劑在廣口瓶中滾轉1小時。取少量置于燒杯中在真空下除氣。澆注到塑料片上。干燥后，層疊該澆注物。申請人發現該漿料的表現和傳統非水性漿料非常相似。根據上述方法，現在也制備出了實際的元件部分，這進一步證實了使用水基預浸漿料的可行性。
一種可替換的方法是通過將填充的纖維束或帶通過干燥器而完全固化丙烯酸樹脂粘合劑來干燥纖維束或帶。隨后，該纖維束或帶可以通過諸如丙酮或醇的安全溶劑，并可以通過諸如帶連接(tapeplacement)的方法來制備部件。這種技術廣泛用于有機復合物工業。
此處描述的方法可以用來制備許多不同的燃氣輪機元件，包括燃燒室襯里、罩蓋和其它大的要求耐高溫的三維部件。
盡管已經結合目前認為是最實際和優選的實施方案對本發明進行了描述，但是應該理解本發明不限于公開的實施方案，而相反是為了涵蓋在所附權利要求的精神和范圍內所包括的各種修改和等同方案。
附圖標記說明纖維束10滾輪或滾筒12室或腔14基體漿料容器16滾筒18復合預制體20
權利要求
1.一種形成陶瓷基體復合元件的方法，包括a)通過化學汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；b)將纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；和c)將所述預浸帶繞在滾筒(18)上。
2.權利要求1的方法，還包括d)切割、敷層和層疊所述預浸帶，以形成復合預制體(20)；和e)用熔融硅熔融滲透所述預制體。
3.權利要求1的方法，其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠。
4.權利要求1的方法，其中所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
5.權利要求1的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒(18)上取下。
6.權利要求4的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒(18)上取下。
7.一種形成陶瓷基體復合元件的方法，包括a)在纖維束(10)上施加纖維涂層；b)將所述纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；c)將所述預浸帶繞在滾筒(18)上；d)切割、敷層和層疊所述預浸帶，以形成復合預制體(20)；e)用熔融硅熔融滲透所述預制體(20)；和f)加工所述預制體以形成陶瓷基體復合元件；其中所述低溫粘合劑包含丙烯酸乳膠；和所述高溫粘合劑包含單級酚醛樹脂。
8.權利要求7的方法，其中所述復合元件包含燃氣輪機內的燃燒室元件。
9.一種形成陶瓷基體復合燃氣輪機元件的方法，包括(a)通過化學汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；(b)將所述纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；(c)將所述預浸帶繞在滾筒(18)上；(d)切割、敷層并層疊所述預浸帶，以形成復合預制體(20)；(e)用熔融硅熔融滲透該預制體；以及(f)將該預制體加工成所述燃氣輪機元件的形狀。
10.權利要求9的方法，其中在步驟(c)之后和在步驟(d)之前，將所述帶干燥并從所述滾筒上取下。
全文摘要
一種形成陶瓷基體復合元件例如汽輪機元件的方法，包括(a)通過化學汽相沉積在纖維束(10)上施加纖維涂層；(b)將纖維束(10)拖過含有高溫和低溫粘合劑、碳化硅粉、炭黑和水的水性漿料，從而形成預浸帶；和(c)將預浸帶繞在滾筒(18)上。
文檔編號C04B35/84GK1749217SQ200510091660
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R·L·K·馬特蘇莫托 申請人:通用電氣公司