用于涂覆陶瓷纤维的系统和方法技术方案

一种用在制造陶瓷基质复合材料(CMC)制品中的涂覆陶瓷纤维的系统，包括具有多个框架构件的框架，多个框架构件布置成在其间形成空隙。框架构件中的至少一个包括中空本体和限定在中空本体中的至少一个穿孔。因此，陶瓷纤维能够固定在框架的相应端并延伸穿过空隙。框架还包括与穿孔流体连通的入口，以便允许涂层材料流入并通过中空本体，并在陶瓷纤维之一的至少一部分的位置处流出穿孔。这样，涂层材料被构造为使陶瓷纤维之一的部分与框架分离，使得该部分被均匀地涂覆有涂层材料。该部分被均匀地涂覆有涂层材料。该部分被均匀地涂覆有涂层材料。

【技术实现步骤摘要】
用于涂覆陶瓷纤维的系统和方法


[0001]本公开大体上涉及用于加工陶瓷纤维的系统和方法，并且更具体地涉及用在制造陶瓷基质复合材料(CMC)制品中的涂覆和/或加工陶瓷纤维的系统和方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基质复合材料(CMC)通常包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。增强材料可以是随机分散在基质材料中的不连续短纤维或定向在基质材料内的连续纤维或纤维束。在基质破裂的情况下，增强材料充当CMC的承载成分。反过来，陶瓷基质保护增强材料，保持其纤维的取向，并用于分散对增强材料的负载。硅基CMC，例如作为基质和/或增强材料的碳化硅(SiC)，由于它们的高温性能，而在高温应用中变得特别受关注，例如用于燃气涡轮的部件，包括飞行器燃气涡轮发动机和陆基燃气涡轮发动机。SiC纤维也被用作各种其他陶瓷基质材料的增强材料，包括TiC、Si
3 N4和Al2O3。
[0003]连续纤维增强陶瓷复合材料(CFCC)是一种特殊类型的CMC，它为各种高温承载应用提供轻质、高强度和高刚度，例如在护罩、燃烧器衬里、轮叶(喷嘴)、叶片(动叶(bucket))和燃气涡轮的其他高温部件中。由通用电气公司开发的名为的CFCC材料的一个显著示例是在SiC和元素硅或硅合金的基质中包含连续的SiC纤维。
[0004]在CMC的制造中可以采用各种技术，包括化学气相渗透(CVI)、湿式滚筒缠绕、铺层、层压、热解和熔体渗透(MI)。这些制造技术已与工具或模具结合使用，以通过包括在各个加工阶段应用热和化学工艺的工艺来生产近净形制品。此类工艺的示例，特别是对于SiC/Si
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SiC(纤维/基质)CFCC材料的示例，在美国专利号为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以及美国专利申请公开号为2004/0067316中公开。
[0005]制造CMC的一种工艺需要使用CMC预浸料，其通常是片状结构，包括用含有基质材料的前体和一种或多种有机粘合剂的浆料浸渍的增强纤维。预浸料必须经过加工(例如，烧制)以将前体转化为所需的陶瓷基质材料。用于CFCC材料的预浸料通常包括二维纤维阵列，该二维纤维阵列包括单层对齐的丝束(单独的长丝组成的束)，浸渍有基质前体以形成通常的二维薄层。然后将所得预浸料的多层堆叠并压实(debulk)以形成层压预成型件，该过程称为“铺层”。预浸料通常但并非必须排列成使得相邻预浸料的丝束彼此横向(例如，垂直)定向，从而在预成型件的薄层平面(对应于最终CMC制品的主要(承载)方向)中提供更大的强度。作为一个示例，图1表示包括多个薄层12的CMC制品10的表面区域，每个薄层是单独的预浸料带或片材的结果。也如图1所示，每个薄层12包含由单向对齐的纤维17构成的陶瓷增强物，该纤维17被包裹在陶瓷基质14中，该陶瓷基质14通过陶瓷基质前体的转化(例如，在烧制之后)形成。
[0006]如图2所示，用于制造预浸料CMC预成型件的工艺包括缠绕技术以将纤维20(单独的长丝或丝束)形成单向预浸料带，然后将其用于复合预成型件的铺层。如图2所示，一些缠绕技术涉及对纤维20进行涂覆。纤维20被涂覆用于多种目的，例如在复合加工过程中保护
它们、改变纤维
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基质界面强度以及促进或防止纤维和基质的机械和/或化学结合。已经开发了许多不同的技术来将涂层应用于陶瓷纤维，例如浆料浸渍、溶胶
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凝胶、溅射和化学气相沉积(CVD)。在这些技术中，CVD可以被认为是最成功地生产具有均匀厚度和受控成分的不渗透涂层。在典型的CVD工艺中，纤维和反应物被加热到高温，涂层前体在高温下分解并沉积为涂层。
[0007]对于通过缠绕技术加工的复合材料，连续纤维涂覆工艺是优选的。在连续涂覆工艺中，如图2所示，纤维20连续通过含有涂层前体24的CVD反应器22以形成涂层纤维26。也如图2所示，连续纤维涂覆工艺可涉及一次使单根纤维丝束或长丝通过CVD反应器22。涂覆可以在低压下进行，并且纤维20可以低速传送通过反应器22，以确保涂层纤维26上的均匀涂覆。这种CVD涂覆工艺在纤维丝束被涂覆时会遭受大量断裂纤维和“松散”的纤维(即“绒毛(fuzz)”)，这会降低工艺的生产量或产量。尽管这种纤维涂覆工艺可以提供有效的涂层纤维26，但仍需要进一步改进CVD涂层纤维，以获得更高生产率。
[0008]如图2所示，缠绕技术还可以通过用基质前体浸渍涂层纤维26而将涂层纤维26(长丝或丝束)形成为单向预浸料带。例如，用于浸渍涂层陶瓷纤维26的湿式滚筒缠绕工艺可能需要拉动陶瓷纤维26通过包括合适的基质前体材料、有机粘合剂和溶剂的基质前体浆料混合物的浆料27，如图2所示。然后将所得的浸渍前体的纤维28缠绕在滚筒29周围以形成平面单向预浸料带。在接触滚筒29之前，浸渍前体的纤维28通常被拉动通过孔口以控制拾取的浆料的量。通过转位滚筒29(和/或浆料27和孔口)，浸渍前体的纤维28以恒定节距铺设以产生连续的、平面的单向预浸料带。在缠绕浸渍前体的纤维28之前，可以用释放片材包裹滚筒29，从而可以更容易地将所得预浸料带从滚筒29上取下。当在滚筒29上时，可以允许预浸料带通过让溶剂蒸发来风干。或者，可以将带从滚筒29上切下，平放，然后允许风干。
[0009]通过这种湿式滚筒缠绕工艺生产的预浸料带可具有与滚筒29上的纤维28的节距相对应的表面粗糙度或波纹度。纤维和基质在带上的分布也可能因为节距而发生变化。此外，因为纤维在缠绕过程中处于张力下，浸渍的纤维28可能倾向于被拉到滚筒表面上，从而产生在接触滚筒29的带的表面处成比例地具有更多纤维并且在背对滚筒29的带的表面成处比例地具有更多的基质前体的预浸料带。
[0010]当使用丝束时，这种湿式滚筒缠绕工艺还可能遭受大量断裂纤维和松散粘附的纤维20(即，“绒毛”)，这可能断裂并导致孔口堵塞。因此，滚筒缠绕操作可能需要操作员持续监督，以便在发生此类堵塞时将其清除。
[0011]滚筒缠绕工艺的另一个复杂性可能围绕在缠绕过程中用浆料27完全浸渍(即，润湿)纤维20的必要性，这需要纤维16花费足够的时间浸没在浆料27中。该浸没时间(对于某些工艺而言可能约为5秒)可能会限制纤维16拉拔通过浆料27浴的速度。因此，滚筒缠绕100米纤维20丝束所需的时间可能相对较长。
[0012]因此，在2017年10月5日提交并转让给通用电气公司的美国专利号为10,370,292、名称为“用于处理陶瓷纤维的设备和方法”中阐述了对纤维涂覆工艺的改进。特别地，'292专利描述了一种陶瓷纤维处理设备，例如图3中所示的设备32。此外，如图所示，设备32包括框架40，框架40具有延伸到第二部分44的第一部分42。此外，如图所示，框架40包括第一间隔构件46和/或第二间隔构件48，它们在第一部分42和第二部分44之间延伸以限定空隙50。因此，如图所示，单向陶瓷纤维30延伸穿过由框架40限定的空隙50以形成平面阵列34。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用在制造陶瓷基质复合材料(CMC)制品中的涂覆陶瓷纤维的系统，其特征在于，所述系统包括：框架，所述框架包括布置成在其间形成空隙的多个框架构件，所述多个框架构件中的至少一个框架构件包括中空本体和限定在所述中空本体中的至少一个穿孔，其中，所述陶瓷纤维能够固定在所述框架的相应端以延伸穿过所述空隙；涂层材料；和入口，所述入口与所述至少一个穿孔流体连通，以允许涂层材料流入并通过所述中空本体并在所述陶瓷纤维之一的至少一部分的位置处流出所述至少一个穿孔，其中，所述至少一个穿孔被构造为使所述陶瓷纤维之一的所述部分与所述框架分离，使得所述部分被均匀地涂覆有所述涂层材料。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述多个框架构件中的每一个框架构件包括中空本体。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述中空本体中的每一个中空本体包括多个穿孔。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述多个框架构件中的至少一个框架构件的所述多个穿孔围绕所述框架构件的圆周延伸或者在所述框架构件上成行或成列布置。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述多个框架构件进一步包括至少第一框架构件、第二框架构件和至少一个附加框架构件...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：