用于由CMC材料制成的部件的多孔陶瓷结构及获得其方法技术

本发明专利技术涉及一种多孔陶瓷结构(21)，旨在形成陶瓷基复合材料部件的增强，该结构具有由内表面(25)界定的连接的孔隙，该内表面包括多个第一点(A1，A2)，每个第一点与第二点(B1，B2)相关联，该第二点沿着在该第一点处所取的该内表面的法线(N1，N2)与这个第一点对准，该结构可被分成小于或等于5mm3的多个单位体积(20)，在每个单位体积中：特征孔长度小于或等于0.5mm，该特征孔长度对应于将每个第一点(A1，A2)与其相关联的第二点(B1，B2)分开的距离(L1，L2)的最大值；并且，孔隙率大于或等于50％。本发明专利技术还涉及一种用于制造这种结构的方法，以及一种用于制造CMC材料的部件的方法。于制造CMC材料的部件的方法。于制造CMC材料的部件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由CMC材料制成的部件的多孔陶瓷结构及获得其方法


[0001]本专利技术涉及用于陶瓷基质复合部件的增强的领域，并且涉及用于制造此类部件的方法。更具体地，本专利技术涉及旨在形成用于陶瓷基质复合部件的增强的多孔结构。

技术介绍

[0002]已知的陶瓷基质复合材料(CMC)是常规金属部件的可行的替代方案，由于它们的良好的机械特性，使得它们适合用于结构元件和用于在高温下保持这些特性。它们比它们的金属对应物具有更轻的质量和更好的耐热性，使得它们成为解决提高效率和减少来自飞行器的发动机的污染物排放的问题的选择的部件。
[0003]CMC部件可以包括编织的织物形式的通常连续的纤维增强，该编织的织物被陶瓷基质致密化。因此，纤维增强包括连续的长纤维，该连续的长纤维的定向可以适配于在使用期间部件上的应力的主要方向。使用合适的织机，从连续的纤维编织到部件的尺寸编织旨在形成纤维增强的预成型件(例如，通过二维或三维编织)。编织步骤是耗时且昂贵的方法。然后，编织坯件必须例如，通过成形机成形，和/或坯件必须在致密化之前被固结，这进一步增加了待实施的步骤的数量，并且因此增加了成本。后面的步骤还导致CMC部件制造方法的可重复性的变化。
[0004]因此，存在对陶瓷基质复合部件的制造方法的需要，该陶瓷基质复合部件制造方法更容易实施，并且对于制造CMC部件而言成本更低。

技术实现思路

[0005]为此，根据第一方面，本专利技术提出了一种旨在形成陶瓷基质复合部件的增强的多孔陶瓷结构，该结构具有由内表面界定的连接的孔隙，该内表面包括多个第一点，每个第一点与第二点相关联，该第二点沿着在该第一点处所取的内表面的法线与这个第一点对准，该结构可分成尺寸小于或等于5mm3的多个单位体积，在这些单位体积中的每个中：
[0006]‑
特征孔长度小于或等于0.5mm，对应于将每个第一点与其相关联的第二点分开的距离的最大值，；以及
[0007]‑
孔隙率大于或等于50％。
[0008]根据本专利技术的多孔结构是可以与常规用于制造CMC部件的纤维增强区别的结构。在由CMC制成的部件中增强的功能可以被看作为了形成足够小的孔网络，以避免威布尔(Weibull)统计，该威布尔统计控制固体陶瓷的脆性。特别地，该统计教导了固体陶瓷的脆性(或破坏概率)与其尺寸成比例。利用根据本专利技术的多孔结构，可以提供特别地适用于获得CMC部件的增强，所述CMC部件具有在部件中变化很小的特性，以及由最大特征孔长度所限定的连接的孔隙，所述最大特征孔长度确保材料对破坏的更大的抗性，即，降低材料的脆性。
[0009]特征孔长度是多孔结构中的孔尺寸的特征参数。如上所述，限制孔尺寸增加了CMC部件的抗性。
[0010]破坏概率模拟表明，从几立方毫米的固体陶瓷到具有高于50％的孔隙度的具有连接的孔隙结构的CMC部件作为增强，并且其中该孔的特征为小于或等于0.5mm的特征长度，这增加了该部件的抗性至少两倍。
[0011]利用常规的编织的纤维增强，将多孔结构分成具有明确定义的特性，特别地关于特征孔长度和其孔隙率的多个单位体积的可分性是不可能的。这种可分性确保了多孔结构的某种均匀性，这在CMC部件中是有利的。
[0012]因为根据本专利技术的多孔结构可以直接地成型为被直接地致密的，所以不再需要使用石墨构象异构体。根据本专利技术的多孔结构可以有利地通过增材制造获得，该增材制造给出了制造多种多样的不同多孔结构的可能性，这取决于所设想的应用。
[0013]在示例性实施方式中，该结构可以包括限定连接的孔隙的多个互连结构元件。“连接的”应理解为是指它们至少成对地彼此连结或者连接。结构元件可具有各种形状，诸如平行六面体、梁、球体、椭圆体等。结构元件可以是实心的或中空的。结构元件可以进一步被布置成栅格。
[0014]在示例性实施方式中，在每个单位体积中，对应于将两个结构元件彼此连接的表面的总和与结构元件的自由表面的总和之间的比率的表面桥接比率可以小于或等于15％。优选地，该比率可以小于10％。这种表面桥接比率的特征在于以下事实：一起将构成CMC部件的增强的结构元件实质上彼此连接。该比率还表示将被CMC部件中的陶瓷基质“润湿”的增强表面的比例。小于15％的表面桥接比率减小了增强在两个结构元件之间断裂所需的力，并且允许它们相对于彼此滑动，响应于高应力，而不是分裂。通过在结构元件之间的滑动比通过断裂结构元件更好地耗散能量。最后，在CMC的增强中，比元件的脆性破坏，更优选在结构元件之间的滑动。
[0015]在示例性实施方式中，该结构元件可以是梁。例如梁可以具有圆形、椭圆形、正方形或矩形的截面。
[0016]在示例性实施方式中，该梁可以被布置成形成4D结构，其中，这些梁被定向在由立方体的对角线给出的四个方向上。然后，该梁可以形成栅格。这种结构有利于获得坚固且具有各向同性特性的CMC部件。
[0017]在示例性实施方式中，该结构可以被烧结，即，例如通过烧结陶瓷粉末的步骤获得。
[0018]在示例性实施方式中，每个单位体积可以具有小于或等于1mm3的尺寸。
[0019]在示例性实施方式中，特征长度可以小于或等于0.2mm。
[0020]在示范性实施方式中，每个单位体积的孔隙率可以在60％和80％之间。
[0021]在示例性实施方式中，该结构中单位体积的特征长度的分布的标准偏差可以小于该结构中所述分布的平均值的10％，并且该结构中单位体积的孔隙率的分布的标准偏差可以小于该结构中所述分布的平均值的10％。该特征确保多孔结构的与CMC部件的机械强度相关的特性(特征孔长度和孔隙率)在该结构中是均匀的。这种均匀性不能例如，利用编织的纤维增强获得。
[0022]根据第二方面，本专利技术还涉及一种用于制造如以上呈现的多孔结构的方法，该方法包括通过增材制造来制造该结构。“增材制造”应理解为是指其中由各种形式的材料(粉末的、与粘合剂混合的、熔融的等)的沉积逐层制造部件的任何方法。特别地，根据本专利技术的
多孔结构可以通过使用能量束(激光或电子)在粉末床上的选择性烧结方法而获得，其特别适合于陶瓷部件的制造。还可以使用粘合剂喷射型的方法，其中，将粘合剂投射到粉末的材料的层上，以便选择性地粘合一部分颗粒，形成层，在几个层上重复该操作，直到获得坯件，然后整体被脱粘合剂并且被烧结。可替代的方案，可使用线材沉积方法，其中将包含粘合剂和粉末的线材沉积成多层，以形成坯件，然后将组件脱粘合剂并且烧结。也可以使用诸如立体光刻的其他方法。
[0023]根据第二方面，本专利技术进一步涉及一种用于制造陶瓷基质复合部件的方法，该陶瓷基质复合部件包括基质致密的多孔增强，该方法包括通过如上所述的方法制造多孔结构，并且在该多孔结构的孔隙中形成陶瓷基质。
[0024]在示例性实施方式中，该陶瓷基质的形成可以通过化学气相渗透(CVI)来实现。
[0025]在示范性实施方式中，多孔结构可以包含碳化硅，并且陶瓷基质的形成可以包括将碳粉末和/或碳化硅粉末引入到多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多孔陶瓷结构(11；21)，旨在形成陶瓷基质复合部件的增强，所述结构具有由内表面(14；25)所界定的连接的孔隙，所述内表面包括多个第一点(A1，A2)，每个第一点与第二点(B1，B2)相关联，所述第二点沿着在所述第一点处所取的所述内表面的法线(N1，N2)与该第一点对准，所述结构可分成多个尺寸小于或等于5mm3的单位体积(10；20)，在每个单位体积中：
‑
特征孔长度(LC)小于或等于0.5mm，对应于将每个第一点(A1，A2)与其相关联的第二点(B1，B2)分开的距离(L1，L2)的最大值；以及
‑
孔隙率大于或等于50％；以及包括多个互连的结构元件(22)，这些结构元件限定了连接的孔隙，其中在每个单位体积(20)中，表面桥接比率小于或等于15％，该表面桥接比率对应于将两个结构元件(22)彼此连接的表面的总和与所述结构元件的自由表面的总和之间的比率。2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述结构元件(22)是梁。3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述梁(22)被布置为形成4D结构，其中，所述梁定向在由立方体的对角线给定的四个方向上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其中所述结构体被烧结。5.根据权利要求1至4中任一项所述的结构，其中，每个单位体积(10；20)具有小于或等于1mm3的尺寸。6.根据权利要求1至5中任一项所述的结构，其中所述特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明，
申请(专利权)人：赛峰集团陶瓷，
类型：发明
国别省市：