一种用陶瓷基质复合材料制造部件的方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用陶瓷基质复合材料制造部件的方法
技术介绍
本专利技术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。本专利技术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，应理解本专利技术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EP1391442，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。
技术实现思路
为此，在第一方面，本专利技术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。在本专利技术中，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，本专利技术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，专利技术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。在一种实施方式中，在渗透之前，纤维预制件可以呈现包括碳化硅的固结相，粉末中的碳化硅微晶的平均尺寸小于固结相中的碳化硅微晶的平均尺寸。以类似于上面关于SiC纤维详细描述的方式，粉末中呈现的SiC微晶的平均尺寸小于在固结相SiC微晶的平均尺寸的事实有利地减少或甚至避免固结相在渗透过程中被熔融组合物侵蚀，从而改善了所得部件的机械性能。在一种实施方式中，粉末中碳化硅微晶的平均尺寸可小于或等于纤维中碳化硅微晶的平均尺寸的80％。特别地，粉末中碳化硅微晶的平均尺寸可小于或等于纤维中碳化硅微晶的平均尺寸的一半。这些实施方案有利地有助于进一步减少SiC纤维与熔融组合物之间的相互作用，从而进一步改善所得部件的机械性能。以相同的方式，当形成包括SiC的固结相时，粉末中的SiC微晶的平均尺寸可以小于或等于固结相中SiC微晶的平均尺寸的80％。特别是在这种情况下，粉末中SiC微晶的平均尺寸可小于或等于固结相中SiC微晶的平均尺寸的一半。在一种实施方式中，可以在渗透步骤之前在纤维上形成界面。特别地，界面可以由至少一层以下材料形成：热解碳(PyC)，掺硼碳(BC)或氮化硼(BN)。在一种实施方式中，首先形成纤维预制件，然后将碳化硅粉末引入所述预制件的孔中，然后进行上述渗透。在一个变型中，将填充有碳化硅粉末的多个材质组装在一起，以便获得填充有所述粉末的纤维预制件，然后进行上述渗透。纤维预制件可以通过三维编织制成单件，或者它可以由多个二维纤维层制成。举例来说，由上述方法制成的部件可以是涡轮发动机部件。举例来说，该部件可以是涡轮环或涡轮环扇区、动叶片、静叶片或喷嘴。附图说明本专利技术的其他特征和优点从以下描述中显现，该描述以非限制性方式并参考附图给出，其中：图1是本专利技术方法的一个实施例的流程图；图2是通过执行本专利技术方法的实施例获得的部件的照片；图3是通过执行非本专利技术的方法获得的部件的照片；以及图4比较了在牵引试验期间获得的结果，取决于被评估的部件是否是通过执行本专利技术的方法获得的。具体实施方式图1中示出了本专利技术方法的一个实施例的各个步骤。首先，形成包括碳化硅纤维的纤维预制件(步骤10)。纤维预制件用于形成要获得的部件的纤维增强件。所用的纤维可以是日本供应商NipponCarbon以“Nicalon”，“Hi-Nicalon”或“Hi-Nicalon-S”的名称提供的碳化硅(SiC)纤维，或者供应商UBE以名称为“TyrannoSA3”的碳化硅(SiC)纤维。纤维预制件可以通过在多层经纱和多层纬纱之间进行三维编织而获得。可以使用“互锁”编织来执行三维编织，即，每层纬纱与多层经纱相互连接的编织，同一纬纱中的所有纱线列在编织平面中具有相同的运动。文献WO2006/136755中描述了各种合适的编织技术。纤维预制件也可以通过将多个纤维材质组装在一起而获得。在这种情况下，纤维材质可以连接在一起，例如，通过缝合或针刺。具体地，每个纤维材质可以从以下的一层或多个层的堆叠中获得：·一维(UG)织物；·二维(2D)织物；·编织物(braid)；·针编织(knit)；·毛毡；或者·纱线或丝束(tow)的片其是单向(UD)或多向(nD)的，通过在不同方向上叠置多个UD片并将UD片连接在一起而获得，例如通过缝合、化学粘合剂或针刺。对于多层的堆叠，它们可以例如通过缝合、植入纱线或刚性元件或针刺连接在一起。一旦形成预制件，就可以在预制件的纤维上形成脆化释放界面(reliefinterphase)(步骤20)。以已知的方式，优选在形成界面之前对纤维进行表面处理，以消除施胶(sizing)和存在于纤维上的氧化物如二氧化硅SiO2的表面层。界面可以由CVI形成。界面可包括一层或多层。界面可包括一层或多层热解碳(PyC)、氮化硼(BN)，或写成BC的掺硼碳，(其中掺硼碳表示硼的原子含量在5％至20％范围内，其余为碳)。界面的厚度可以大于或等于10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.18 FR 16513271.一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。2.根据权利要求1所述的方法，其中在渗透之前，该纤维预制件呈现包括碳化硅的固结相，粉末中的碳化硅微晶的平均尺寸小于固...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃米莉·门德斯，杰罗姆·罗杰，扬·莱贝蒂科尔普斯，
申请(专利权)人：赛峰集团陶瓷，国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR