在陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料中產(chǎn)生內(nèi)腔室的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料中產(chǎn)生內(nèi)腔室的方法。用于在CMC制品中產(chǎn)生內(nèi)腔室的過程及與其一起使用的心軸。該過程需要并入由可熔材料制成的心軸，該可熔材料在CMC預(yù)成型件的熱處理期間被熔化和排出，以形成CMC制品。心軸材料優(yōu)選為在熱處理期間不潤濕CMC預(yù)成型件的任何組分并且與CMC預(yù)成型件的任何組分不反應(yīng)。心軸優(yōu)選為錫或錫合金。
【專利說明】在陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料中產(chǎn)生內(nèi)腔室的方法
[0001]本申請要求2012年4月27日提交的美國臨時(shí)申請N0.61/639，617的權(quán)益，該申請的內(nèi)容通過參考并入本文中。
[0002]本發(fā)明在能源部授予的合同N0.DE-FC26-05NT42643下利用政府支持完成。政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體涉及陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)制品及其生產(chǎn)過程。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)尋找較高操作溫度以提高渦輪機(jī)的效率時(shí)，渦輪機(jī)中的使用已經(jīng)變得特別感興趣的是CMC材料。CMC材料和特別地提出用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的這些CMC材料典型地包括嵌入在陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料用作CMC的承載組分，并且陶瓷基質(zhì)保護(hù)增強(qiáng)材料，保持其纖維的方位，并且用于使負(fù)載散開至增強(qiáng)材料。
[0005]高溫應(yīng)用特別感興趣的是硅基復(fù)合材料，諸如作為基質(zhì)材料和/或增強(qiáng)材料的碳化硅(SiC)。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利 N0.5，015，540,5, 330，854,5, 336，350,5, 628，938、6，024，898,6, 258，737,6, 403，158和6，503，441，以及共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請公開N0.2004/0067316中公開SiC/Si_SiC (纖維/基質(zhì))CMC材料和過程的值得注意的實(shí)例。一種這種過程被稱為〃預(yù)浸料坯(pr印reg) 〃熔滲(MI)，其大體上需要使用多個(gè)預(yù)浸料坯層(每個(gè)呈包括期望的增強(qiáng)材料的帶狀結(jié)構(gòu)的形式)、CMC基質(zhì)材料的前體(precursor)、粘合劑和其它可能的成分來制造CMC。預(yù)浸料坯必須經(jīng)歷加工(包括固化，也被稱為焚燒)，以使前體轉(zhuǎn)變成期望的陶瓷。多個(gè)預(yù)浸料坯板層(Ply)被堆疊和壓實(shí)以形成層壓預(yù)成型件，該過程被稱為"鋪層〃。在鋪層之后，層壓預(yù)成型件將典型地經(jīng)歷壓實(shí)和固化，同時(shí)經(jīng)受施加的壓力和升高的溫度，諸如 在高壓釜中。熔滲過程大體需要在真空或惰性氣氛中加熱層壓預(yù)成型件，以分解(燒盡)粘合劑并且產(chǎn)生多孔預(yù)成型件以備熔滲，在此之后，可利用例如從外部供應(yīng)至預(yù)成型件的熔融的硅熔滲預(yù)成型件。熔融的硅滲透到孔隙中，并且優(yōu)選為與基質(zhì)內(nèi)的組分(例如，碳源)反應(yīng)以形成硅基陶瓷(例如，碳化硅)，其填充孔隙以產(chǎn)生期望的CMC構(gòu)件。
[0006]對于一些應(yīng)用，具有內(nèi)腔室的CMC制品為合乎需要或必要的，該內(nèi)腔室包括但不受限于限定翼型構(gòu)件內(nèi)的冷卻槽/孔和復(fù)雜的冷卻通路的腔室，以及意圖大體實(shí)現(xiàn)減輕重量的腔室?？赏ㄟ^圍繞心軸形成層壓預(yù)成型件而在CMC制品中產(chǎn)生內(nèi)腔室。然而，在熔滲之前必須移除心軸。在燒制(burnout)期間保持固體的心軸必須被物理地移除，如果期望的腔室具有扭曲或?yàn)殄F形，則這可為不可能的。圖1示意性地示出了實(shí)例，其中，常規(guī)鋼心軸30意圖在層壓預(yù)成型件10的區(qū)段20中形成隨后的腔室。鋼心軸30由于其被在預(yù)成型件10的一個(gè)端部處由板層限定的肩部22捕獲而不可從預(yù)成型件10移除。為了解決該問題，已經(jīng)提出了由易變樹脂形成的聚合物心軸。在本說明書的背景下，易變聚合樹脂典型地為基于碳?xì)浠衔锏墓腆w，其在加熱到足夠高的溫度(典型地為400°C至800°C)之后揮發(fā)，從而留下很少的碳?xì)堅(jiān)虿涣粝绿細(xì)堅(jiān)?。易變樹脂的值得注意?shí)例包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。然而，這些樹脂具有可比CMC預(yù)成型件的材料大五倍至十倍的熱膨脹系數(shù)。易變樹脂的較高膨脹系數(shù)可在加熱以分解粘合劑樹脂期間引起CMC預(yù)成型件扭曲。在燒制期間，易變樹脂熔化，并且熔融樹脂必須從CMC制品的內(nèi)部內(nèi)的產(chǎn)生的腔室移除。熔融樹脂中的一些可在腔室內(nèi)側(cè)形成含碳涂層，在隨后的熔滲期間與硅反應(yīng)時(shí)，該含碳涂層可改變腔室尺寸。當(dāng)與較大大小的CMC構(gòu)件一起使用易變樹脂時(shí)，在聚合物心軸分解時(shí)必須從或通過預(yù)成型件逸出的氣體的量還增大。這使使用較慢的高溫分解循環(huán)成為必需，這延長用于CMC構(gòu)件的加工循環(huán)時(shí)間。
[0007]因此，存在對能夠在CMC制品內(nèi)形成內(nèi)腔室的改進(jìn)方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種能夠通過使用可溶的心軸而在CMC制品內(nèi)形成內(nèi)腔室的方法。
[0009]本發(fā)明的第一方面為一種通過使用心軸而在CMC制品中形成內(nèi)腔室以實(shí)現(xiàn)CMC制品中的腔室的方法。心軸材料在CMC預(yù)成型件的熱處理期間熔化，并且產(chǎn)生的熔融材料不潤濕CMC預(yù)成型件的組分或者不與CMC預(yù)成型件的組分反應(yīng)，并且被排走，從而留下內(nèi)腔室。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可熔的心軸由元素錫或錫合金制成，并且在CMC預(yù)成型件的燒制操作期間允許心軸熔化和從預(yù)成型件排出，從而在CMC預(yù)成型件內(nèi)留下中空內(nèi)部。
[0010]本發(fā)明的第二方面為通過使用由在CMC預(yù)成型件的燒制過程期間熔化的材料制成的心軸的方法而形成具有期望的內(nèi)腔室的CMC制品。產(chǎn)生的熔融材料不潤濕CMC預(yù)成型件的任何組分并且不與CMC預(yù)成型件的任何組分反應(yīng)，并且被排走，從而在CMC預(yù)成型件中留下內(nèi)腔室，接著，該CMC預(yù)成型件被熔滲，從而形成具有內(nèi)腔室的CMC制品。
[0011]一種形成具有至少一個(gè)內(nèi)腔室的CMC制品的方法，該方法包括:將至少一個(gè)心軸并入到CMC預(yù)成型件中；以及使CMC預(yù)成型件經(jīng)受熱處理，其中，至少一個(gè)心軸熔化以形成熔融材料，其從CMC預(yù)成型件排出以在CMC預(yù)成型件內(nèi)留下至少一個(gè)內(nèi)腔室。
[0012]優(yōu)選地，心軸由錫或錫合金構(gòu)成。
[0013]優(yōu)選地，熱處理為燒制過程。
[0014]優(yōu)選地，至少一個(gè)內(nèi)腔室包括多個(gè)腔室，并且至少一個(gè)心軸包括多個(gè)心軸。
[0015]優(yōu)選地，至少一個(gè)心軸不具有潤濕CMC預(yù)成型件的組分并且/或者與CMC預(yù)成型件的組分反應(yīng)的材料。
[0016]優(yōu)選地，該方法還包括回收熔融材料和由熔融材料形成另一個(gè)心軸。
[0017]優(yōu)選地，該方法還包括利用包括陶瓷材料的漿料涂覆至少一個(gè)內(nèi)腔室。
[0018]優(yōu)選地，陶瓷材料為氮化硼。
[0019] 優(yōu)選地，碳化硼的平均顆粒大小為大約0.5微米至1.0微米。
[0020]一種形成具有至少一個(gè)內(nèi)腔室的CMC制品的方法，該方法包括:將至少一個(gè)心軸并入到CMC預(yù)成型件中，至少一個(gè)心軸由不潤濕CMC預(yù)成型件的任何組分并且與CMC預(yù)成型件的任何組分不反應(yīng)的材料構(gòu)成；使CMC預(yù)成型件經(jīng)受燒制過程，其中，至少一個(gè)心軸熔化以形成熔融材料，其不潤濕CMC預(yù)成型件，并且不與CMC預(yù)成型件的組分反應(yīng)，并且從CMC預(yù)成型件排出以在CMC預(yù)成型件中留下至少一個(gè)內(nèi)腔室；以及利用浸滲劑熔滲CMC預(yù)成型件以形成具有至少一個(gè)內(nèi)腔室的CMC制品。[0021]優(yōu)選地，至少一個(gè)心軸的材料為元素錫。
[0022]優(yōu)選地，至少一個(gè)心軸的材料為錫合金。
[0023]優(yōu)選地，至少一個(gè)內(nèi)腔室包括多個(gè)腔室，并且至少一個(gè)心軸包括多個(gè)心軸。
[0024]優(yōu)選地，該方法還包括在熔滲步驟之前利用陶瓷材料的漿料涂覆至少一個(gè)內(nèi)腔室，陶瓷材料不能夠被浸滲劑潤濕。
[0025]優(yōu)選地，陶瓷材料為氮化硼。
[0026]優(yōu)選地，氮化硼的平均顆粒大小為大約0.5微米至1.0微米。
[0027]優(yōu)選地，至少一個(gè)內(nèi)腔室為冷卻槽或孔。 [0028]優(yōu)選地，CMC制品為翼型構(gòu)件。
[0029]優(yōu)選地，CMC制品基于至少一種娃化合物。
[0030]優(yōu)選地，浸滲劑為硅，并且至少一種硅化合物為SiC。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)效果為，可在用于生產(chǎn)制品的CMC預(yù)成型件沒有不期望的扭曲或變形的情況下產(chǎn)生CMC制品中的內(nèi)腔室。此外，可消除易變聚合物用于產(chǎn)生腔室時(shí)典型地需要的長加工時(shí)間。
[0032]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)效果為，可出于減輕重量和/或冷卻的目的，在沒有典型地與移除常規(guī)金屬心軸相關(guān)的困難或與除去在非反應(yīng)性心軸中使用的易變樹脂相關(guān)的問題的情況下，在CMC制品中實(shí)現(xiàn)期望且復(fù)雜的形狀的腔室。
[0033]將從下列詳細(xì)描述進(jìn)一步認(rèn)識到本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1示意性地示出具有常規(guī)金屬心軸的CMC預(yù)成型件的截面。
[0035]圖2示意性地示出具有心軸的CMC預(yù)成型件的截面，該心軸由不潤濕CMC預(yù)成型件的組分并與CMC預(yù)成型件的組分不反應(yīng)的可熔材料制成。
[0036]圖3示意性地示出具有腔室的CMC制品的截面，該腔室通過排出和回收由可熔材料制成的心軸而實(shí)現(xiàn)，該可熔材料不潤濕形成制品的CMC預(yù)成型件的組分并且與該組分不反應(yīng)。
[0037]部件列表
10、110預(yù)成型件 20,120區(qū)段 22,122肩部 30、130心軸 40、140心軸 50、150腔室 100、1100 制品。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明涉及在CMC制品內(nèi)形成內(nèi)腔室，例如以形成冷卻通道，實(shí)現(xiàn)減輕重量和/或任何其它期望的目的。形成這種腔室的常規(guī)過程利用由諸如易變樹脂或非反應(yīng)性金屬的材料形成的心軸。這些方法兩者具有如先前描述的若干限制和缺點(diǎn)。本發(fā)明通過如下方法解決現(xiàn)有技術(shù)的困難和缺點(diǎn)，該方法利用由可熔材料制成的心軸，該可熔材料可在CMC預(yù)成型件的燒制過程期間和在CMC制品的制造中的熔滲階段之前被熔化和排走。特別地，用于與本發(fā)明一起使用的心軸的優(yōu)選材料在預(yù)成型件的熱處理溫度下熔化，例如，在于層壓預(yù)成型件上執(zhí)行以形成多孔預(yù)成型件的固化(焚燒)步驟期間。
[0039]可有利地從CMC預(yù)成型件除去的心軸材料的優(yōu)選特性包括不潤濕CMC預(yù)成型件、與CMC預(yù)成型件的組分的低反應(yīng)性或無反應(yīng)性，以及在于CMC預(yù)成型件上執(zhí)行的熱處理的溫度下完全可熔且可排出。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可熔的心軸包括元素錫或錫合金，或者由元素錫或錫合金構(gòu)成。這種心軸可鑄造成期望的內(nèi)腔室的形狀并且并入到CMC預(yù)成型件中。由諸如錫或其合金的低熔點(diǎn)金屬或合金制成的該心軸可在CMC預(yù)成型件的燒制操作期間熔化并且被允許從預(yù)成型件排出，從而在CMC預(yù)成型件中留下中空腔室。[0040]本發(fā)明的心軸可完全由元素錫或錫合金形成。本發(fā)明的心軸可鑄造成用于CMC制品的內(nèi)腔室的期望形狀，并且預(yù)浸料坯帶可直接放置在心軸上。低熔點(diǎn)的錫或合金在CMC預(yù)成型件的燒制階段熔化，并且被允許從預(yù)成型件排出，從而留下期望形狀的中空腔室。已經(jīng)證實(shí)錫及其合金擁有不潤濕CMC預(yù)成型件并與CMC預(yù)成型件不反應(yīng)的可熔材料的期望特性。此外，可在燒制過程期間在沒有與將易變聚合物用作心軸材料大體相關(guān)的熱膨脹問題的情況下，移除由這種可熔且可回收的材料制成的心軸。
[0041]由于用于心軸的錫或錫合金在并入到CMC預(yù)成型件中時(shí)為固體，并且隨后被熔化，同時(shí)不潤濕CMC預(yù)成型件并與CMC預(yù)成型件不反應(yīng)，故隨后形成的內(nèi)腔室的尺寸與可熔心軸的尺寸大致匹配。圖2示意性地示出并入到層壓預(yù)成型件10的區(qū)段20中的可熔心軸40的截面。在CMC預(yù)成型件燒制過程期間，由錫或錫合金制成的可熔心軸熔化，不潤濕CMC預(yù)成型件10的組分或者不與該組分反應(yīng)，并且遠(yuǎn)離CMC預(yù)成型件10排出。在隨后的操作(例如，熔滲)中，CMC制品可由預(yù)成型件10形成。圖3示意性地示出完全滲透的CMC預(yù)成型件10的區(qū)段20中形成的腔室50，該完全滲透的CMC預(yù)成型件10在圖3中表示為最終CMC制品100?？赡艿氖牵趸a可在可熔心軸熔化時(shí)的燒制過程期間形成；然而，形成的任何氧化錫將在用于形成CMC制品的隨后的過程(諸如例如熔滲)中完全地消失。
[0042]在形成基于硅化合物(諸如例如SiC)的CMC制品的一些過程中，熔滲可用于將熔融的硅用作浸滲劑。在這種情況下，在內(nèi)腔室形成在CMC預(yù)成型件中之后，可通過以漿料涂覆內(nèi)腔室的表面而防止或至少抑制浸滲劑在熔滲期間進(jìn)入到內(nèi)腔室中，該漿料包括陶瓷材料的粉末(其為不可潤濕的或者至少呈現(xiàn)對浸滲劑的低可潤濕性)，例如，氮化硼(NB)(如果浸滲劑為硅)。氮化硼漿料可為水基的，并且干燥步驟可用于實(shí)現(xiàn)涂覆。陶瓷材料粉末的顆粒應(yīng)當(dāng)大到足以不穿過多孔預(yù)成型件中的開口，并且小到足以制成可導(dǎo)致均勻涂履的漿料。預(yù)成型件開口典型地在0.1微米至0.2微米的范圍內(nèi)。因此，在浸滲劑為硅時(shí)在漿料中用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔室的陶瓷涂層的氮化硼粉末的優(yōu)選平均顆粒大小為大約0.5微米至1.0微米。該涂層在形成CMC制品時(shí)的熔滲步驟期間有利地防止內(nèi)腔室的表面被浸滲劑潤濕，并且因此防止硅形成在CMC制品的內(nèi)腔室中。
[0043]可預(yù)見的是，可使用其它可熔材料，其在燒制過程期間不潤濕CMC預(yù)成型件或者不與CMC預(yù)成型件反應(yīng)，并且能夠在CMC預(yù)成型件的燒制溫度下完全移除。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例為利用任何低熔點(diǎn)材料，使得不形成除意圖在常規(guī)CMC制造過程(諸如，形成例如SiC的熔滲過程)中形成的這些材料之外的材料。本發(fā)明的另一個(gè)特征為，可在CMC預(yù)成型件的熱處理期間被熔化和排走以在層壓預(yù)成型件中形成內(nèi)腔室的可熔材料可回收，以形成另一個(gè)心軸來用于在另一個(gè)CMC制品中形成內(nèi)腔室。因此，本發(fā)明可描述為使用可回收的心軸來在CMC預(yù)成型件或最終CMC制品中形成內(nèi)腔室的方法。
[0044]鑒于上文，可看到，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于其解決了與在CMC制品內(nèi)形成中空內(nèi)腔室相關(guān)的問題，而不必在使CMC預(yù)成型件固化之后從產(chǎn)生的內(nèi)腔室物理地移除心軸，并且不將潛在有害的材料引入到最終CMC制品中。
[0045]可利用多個(gè)心軸和遵循本文中描述的方法在CMC預(yù)成型件中形成多個(gè)腔室。形成在CMC制品中的單個(gè)腔室或多個(gè)腔室可出于減輕重量和/或作為冷卻槽/孔或多個(gè)冷卻槽/孔的目的而利用。
[0046]雖然已經(jīng)按照特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見的是，其它形式可被本領(lǐng)域技術(shù)人員采用。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受限于具體公開的實(shí)施例。還應(yīng)當(dāng)理解，以上使用的措詞和用語出于公開本發(fā)明和實(shí)施例的目的，并且不必用作對本發(fā)明的范圍的限制。因此，本發(fā)明的范圍將僅由下列權(quán)利要求限制。
【權(quán)利要求】
1.一種形成具有至少一個(gè)內(nèi)腔室的CMC制品的方法，所述方法包括: 將至少一個(gè)心軸并入到CMC預(yù)成型件中；以及 使所述CMC預(yù)成型件經(jīng)受熱處理，其中，所述至少一個(gè)心軸熔化以形成熔融材料，其從所述CMC預(yù)成型件排出以在所述CMC預(yù)成型件內(nèi)留下至少一個(gè)內(nèi)腔室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述心軸由錫或錫合金構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理為燒制過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)內(nèi)腔室包括多個(gè)腔室，并且所述至少一個(gè)心軸包括多個(gè)心軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)心軸不具有潤濕所述CMC預(yù)成型件的組分并且/或者與所述CMC預(yù)成型件的組分反應(yīng)的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括回收所述熔融材料和由所述熔融材料形成另一個(gè)心軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用包括陶瓷材料的漿料涂覆所述至少一個(gè)內(nèi)腔室 。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料為氮化硼。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳化硼的平均顆粒大小為大約0.5微米至1.0微米。
10.一種形成具有至少一個(gè)內(nèi)腔室的CMC制品的方法，所述方法包括: 將至少一個(gè)心軸并入到CMC預(yù)成型件中，所述至少一個(gè)心軸由不潤濕所述CMC預(yù)成型件的任何組分并且與所述CMC預(yù)成型件的任何組分不反應(yīng)的材料構(gòu)成； 使所述CMC預(yù)成型件經(jīng)受燒制過程，其中，所述至少一個(gè)心軸熔化以形成熔融材料，其不潤濕所述CMC預(yù)成型件，并且不與所述CMC預(yù)成型件的組分反應(yīng)，并且從所述CMC預(yù)成型件排出以在所述CMC預(yù)成型件中留下至少一個(gè)內(nèi)腔室；以及 利用浸滲劑熔滲所述CMC預(yù)成型件以形成具有所述至少一個(gè)內(nèi)腔室的所述CMC制品。
【文檔編號】C04B35/583GK103539458SQ201310149114
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月27日
【發(fā)明者】P.E.格雷, H.C.羅伯茨三世, G.C.塔克薩赫, S.K.F.沃卡 申請人:通用電氣公司