本发明专利技术涉及一种在陶瓷基质复合材料中产生内腔室的方法。用于在CMC制品中产生内腔室的过程及与其一起使用的心轴。该过程需要并入由可熔材料制成的心轴，该可熔材料在CMC预成型件的热处理期间被熔化和排出，以形成CMC制品。心轴材料优选为在热处理期间不润湿CMC预成型件的任何组分并且与CMC预成型件的任何组分不反应。心轴优选为锡或锡合金。
Method for producing an intracavity chamber in a ceramic matrix composite
The invention relates to a method for producing an intracavity chamber in a ceramic matrix composite. Process for producing an intracavity chamber in a CMC article and a mandrel used therewith. The process needs to be incorporated into a mandrel made of fusible material that is melted and discharged during the heat treatment of the CMC preform to form a CMC product. The mandrel material is preferably free of any of the components of the CMC preform during heat treatment and does not react with any component of the CMC preform. The mandrel is preferably tin or tin alloy.
【技术实现步骤摘要】
本申请要求2012年4月27日提交的美国临时申请N0.61/639，617的权益，该申请的内容通过参考并入本文中。本专利技术在能源部授予的合同N0.DE-FC26-05NT42643下利用政府支持完成。政府具有本专利技术中的某些权利。
本专利技术大体涉及陶瓷基质复合材料(CMC)制品及其生产过程。
技术介绍
当寻找较高操作温度以提高涡轮机的效率时，涡轮机中的使用已经变得特别感兴趣的是CMC材料。CMC材料和特别地提出用于燃气涡轮发动机应用的这些CMC材料典型地包括嵌入在陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。增强材料用作CMC的承载组分，并且陶瓷基质保护增强材料，保持其纤维的方位，并且用于使负载散开至增强材料。高温应用特别感兴趣的是硅基复合材料，诸如作为基质材料和/或增强材料的碳化硅(SiC)。在共同转让的美国专利 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，以及共同转让的美国专利申请公开N0.2004/0067316中公开SiC/Si_SiC (纤维/基质)CMC材料和过程的值得注意的实例。一种这种过程被称为〃预浸料坯(pr印reg) 〃熔渗(MI)，其大体上需要使用多个预浸料坯层(每个呈包括期望的增强材料的带状结构的形式)、CMC基质材料的前体(precursor)、粘合剂和其它可能的成分来制造CMC。预浸料坯必须经历加工(包括固化，也被称为焚烧)，以使前体转变成期望的陶瓷。多个预浸料坯板层(Ply)被堆叠和压实以形成层压预成型件，该过程被称为铺层〃。在铺层之后，层压预成型件将典型地经历压实和固化，同时经受施加的压力和升高的温度，诸如 在高压釜中。熔渗过程大体需要在真空或惰性气氛中加热层压预成型件，以分解(烧尽)粘合剂并且产生多孔预成型件以备熔渗，在此之后，可利用例如从外部供应至预成型件的熔融的硅熔渗预成型件。熔融的硅渗透到孔隙中，并且优选为与基质内的组分(例如，碳源)反应以形成硅基陶瓷(例如，碳化硅)，其填充孔隙以产生期望的CMC构件。对于一些应用，具有内腔室的CMC制品为合乎需要或必要的，该内腔室包括但不受限于限定翼型构件内的冷却槽/孔和复杂的冷却通路的腔室，以及意图大体实现减轻重量的腔室。可通过围绕心轴形成层压预成型件而在CMC制品中产生内腔室。然而，在熔渗之前必须移除心轴。在烧制(burnout)期间保持固体的心轴必须被物理地移除，如果期望的腔室具有扭曲或为锥形，则这可为不可能的。图1示意性地示出了实例，其中，常规钢心轴30意图在层压预成型件10的区段20中形成随后的腔室。钢心轴30由于其被在预成型件10的一个端部处由板层限定的肩部22捕获而不可从预成型件10移除。为了解决该问题，已经提出了由易变树脂形成的聚合物心轴。在本说明书的背景下，易变聚合树脂典型地为基于碳氢化合物的固体，其在加热到足够高的温度(典型地为400°C至800°C)之后挥发，从而留下很少的碳残渣或不留下碳残渣。易变树脂的值得注意实例包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。然而，这些树脂具有可比CMC预成型件的材料大五倍至十倍的热膨胀系数。易变树脂的较高膨胀系数可在加热以分解粘合剂树脂期间引起CMC预成型件扭曲。在烧制期间，易变树脂熔化，并且熔融树脂必须从CMC制品的内部内的产生的腔室移除。熔融树脂中的一些可在腔室内侧形成含碳涂层，在随后的熔渗期间与硅反应时，该含碳涂层可改变腔室尺寸。当与较大大小的CMC构件一起使用易变树脂时，在聚合物心轴分解时必须从或通过预成型件逸出的气体的量还增大。这使使用较慢的高温分解循环成为必需，这延长用于CMC构件的加工循环时间。因此，存在对能够在CMC制品内形成内腔室的改进方法的需要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能够通过使用可溶的心轴而在CMC制品内形成内腔室的方法。本专利技术的第一方面为一种通过使用心轴而在CMC制品中形成内腔室以实现CMC制品中的腔室的方法。心轴材料在CMC预成型件的热处理期间熔化，并且产生的熔融材料不润湿CMC预成型件的组分或者不与CMC预成型件的组分反应，并且被排走，从而留下内腔室。在本专利技术的优选实施例中，可熔的心轴由元素锡或锡合金制成，并且在CMC预成型件的烧制操作期间允许心轴熔化和从预成型件排出，从而在CMC预成型件内留下中空内部。本专利技术的第二方面为通过使用由在CMC预成型件的烧制过程期间熔化的材料制成的心轴的方法而形成具有期望的内腔室的CMC制品。产生的熔融材料不润湿CMC预成型件的任何组分并且不与CMC预成型件的任何组分反应，并且被排走，从而在CMC预成型件中留下内腔室，接着，该CMC预成型件被熔渗，从而形成具有内腔室的CMC制品。一种形成具有至少一个内腔室的CMC制品的方法，该方法包括:将至少一个心轴并入到CMC预成型件中；以及使CMC预成型件经受热处理，其中，至少一个心轴熔化以形成熔融材料，其从CMC预成型件排出以在CMC预成型件内留下至少一个内腔室。优选地，心轴由锡或锡合金构成。优选地，热处理为烧制过程。优选地，至少一个内腔室包括多个腔室，并且至少一个心轴包括多个心轴。优选地，至少一个心轴不具有润湿CMC预成型件的组分并且/或者与CMC预成型件的组分反应的材料。优选地，该方法还包括回收熔融材料和由熔融材料形成另一个心轴。优选地，该方法还包括利用包括陶瓷材料的浆料涂覆至少一个内腔室。优选地，陶瓷材料为氮化硼。 优选地，碳化硼的平均颗粒大小为大约0.5微米至1.0微米。一种形成具有至少一个内腔室的CMC制品的方法，该方法包括:将至少一个心轴并入到CMC预成型件中，至少一个心轴由不润湿CMC预成型件的任何组分并且与CMC预成型件的任何组分不反应的材料构成；使CMC预成型件经受烧制过程，其中，至少一个心轴熔化以形成熔融材料，其不润湿CMC预成型件，并且不与CMC预成型件的组分反应，并且从CMC预成型件排出以在CMC预成型件中留下至少一个内腔室；以及利用浸渗剂熔渗CMC预成型件以形成具有至少一个内腔室的CMC制品。优选地，至少一个心轴的材料为元素锡。优选地，至少一个心轴的材料为锡合金。优选地，至少一个内腔室包括多个腔室，并且至少一个心轴包括多个心轴。优选地，该方法还包括在熔渗步骤之前利用陶瓷材料的浆料涂覆至少一个内腔室，陶瓷材料不能够被浸渗剂润湿。优选地，陶瓷材料为氮化硼。优选地，氮化硼的平均颗粒大小为大约0.5微米至1.0微米。优选地，至少一个内腔室为冷却槽或孔。 优选地，CMC制品为翼型构件。优选地，CMC制品基于至少一种娃化合物。优选地，浸渗剂为硅，并且至少一种硅化合物为SiC。本专利技术的技术效果为，可在用于生产制品的CMC预成型件没有不期望的扭曲或变形的情况下产生CMC制品中的内腔室。此外，可消除易变聚合物用于产生腔室时典型地需要的长加工时间。本专利技术的另一个技术效果为，可出于减轻重量和/或冷却的目的，在没有典型地与移除常规金属心轴相关的困难或与除去在非反应性心轴中使用的易变树脂相关的问题的情况下，在CMC制品中实现期望且复杂的形状的腔室。将从下列详细描述进一步认识到本专利技术的其它方面和优点。【附图说明】图1示意性地示出具有常规金属心轴的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种形成具有至少一个内腔室的CMC制品的方法，所述方法包括：将至少一个心轴并入到CMC预成型件中；以及使所述CMC预成型件经受热处理，其中，所述至少一个心轴熔化以形成熔融材料，其从所述CMC预成型件排出以在所述CMC预成型件内留下至少一个内腔室。
【技术特征摘要】
2012.04.27 US 61/639,617;2013.02.28 US 13/780,5841.一种形成具有至少一个内腔室的CMC制品的方法，所述方法包括: 将至少一个心轴并入到CMC预成型件中；以及 使所述CMC预成型件经受热处理，其中，所述至少一个心轴熔化以形成熔融材料，其从所述CMC预成型件排出以在所述CMC预成型件内留下至少一个内腔室。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述心轴由锡或锡合金构成。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理为烧制过程。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个内腔室包括多个腔室，并且所述至少一个心轴包括多个心轴。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个心轴不具有润湿所述CMC预成型件的组分并且/或者与所述CMC预成型件的组分反应的材料。6.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：PE格雷，HC罗伯茨三世，GC塔克萨赫，SKF沃卡，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：
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