本發(fā)明涉及制造由具有陶瓷基體、特別是基于碳化硅的復(fù)合材料制成的部件的通用領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)由具有陶瓷基體的復(fù)合材料制成的部件的纖維預(yù)制件。本發(fā)明還涉及制造這種纖維預(yù)制件的方法和制造由具有陶瓷基體的復(fù)合材料制成的部件的方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有技術(shù)尤其包括文獻(xiàn)us-a1-2016/107940、us-a1-2014/363663、us-a1-2016/159702、us-b2-8039053和ep-a1-3957619。

2、陶瓷基體復(fù)合材料(cmc)具有良好的熱結(jié)構(gòu)性能，即高機(jī)械能能，使其適用于結(jié)構(gòu)部件，以及在高溫(特別是高達(dá)1200℃且甚至更高)和氧化環(huán)境中保持這些性能的能力。

3、在航空領(lǐng)域中，例如在飛機(jī)渦輪機(jī)中使用cmc材料代替金屬材料是有利的。實(shí)際上，與金屬材料相比，這些cmc材料相對較輕，并且相較于金屬材料，其適合在更高的溫度下使用。

4、一般而言，cmc材料是其中嵌入了陶瓷纖維(或長絲)的陶瓷基體。cmc材料可基于碳化物，例如可以采用碳化硅基體增強(qiáng)的碳化硅(sic)纖維或碳(c)纖維，或者用非氧化物陶瓷基體增強(qiáng)的任何其他非氧化物陶瓷纖維增強(qiáng)物。

5、一種用于制造cmc材料，特別是用碳化硅基纖維增強(qiáng)的cmc材料的方法，包括生產(chǎn)形狀接近待制造部件的形狀的纖維預(yù)制件，隨后通過基體使該纖維預(yù)制件致密化。

6、圖1示出了用于制造cmc材料部件的方法的示例。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該方法包括以下步驟：

7、(a)生產(chǎn)纖維增強(qiáng)物2，其包括碳化硅纖維20，

8、(b)用中間層3覆蓋纖維增強(qiáng)物的纖維20，

9、(c)通過化學(xué)氣相滲透(chemical?vapour?infiltration，cvi)在中間層3上形成所謂的碳化硅預(yù)致密化層4，以形成纖維預(yù)制件1，

10、(e)將碳化硅粉末摻入纖維預(yù)制件1的孔中，

11、(f)特別是用液態(tài)硅，通過熔融滲透(mi)陶瓷基體6，使步驟(e)中獲得的纖維預(yù)制件1致密化，以形成由cmc材料制成的部件。

12、因此，在步驟(c)中形成的纖維預(yù)制件1包括：

13、纖維增強(qiáng)物2，其包括基于碳化硅的纖維20，

14、圍繞纖維20的表面22的中間層3，

15、預(yù)致密化層4，其至少部分地包封中間層3。

16、中間層3可基于氮化硼(bn)。覆蓋纖維20的中間層3優(yōu)化了纖維20與由cmc材料制造的部件的基體6之間的結(jié)合。實(shí)際上，該中間層3提供了足夠的結(jié)合以確保由cmc材料制成的部件所經(jīng)受的機(jī)械應(yīng)力被傳遞到纖維增強(qiáng)物。因此，中間層3使基體6內(nèi)產(chǎn)生的裂紋偏轉(zhuǎn)。

17、預(yù)致密化層4中的碳化硅具有由顆粒(garin)構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)，該顆粒在cvi沉積期間沿優(yōu)選方向生長以形成碳化硅的柱狀微結(jié)構(gòu)。在這種柱狀微結(jié)構(gòu)中，顆粒的最大尺寸是它們的徑向尺寸，即在纖維20和預(yù)致密化層4的外表面之間延伸的尺寸。預(yù)致密化層4還通過第一級致密化使纖維20和中間層3固結(jié)成預(yù)定形狀來保護(hù)纖維20和中間層3。

18、碳化硅粉末5的摻入限制了預(yù)致密化層4上的液態(tài)硅在步驟(f)期間的反應(yīng)性。粉末混合物5還使得能夠?qū)w維預(yù)制件1的孔隙率進(jìn)行分級(fractionate)，以促進(jìn)纖維預(yù)制件1中的液態(tài)硅在步驟(f)期間的毛細(xì)上升(capillary?rise)。

19、最后，熔體滲透技術(shù)提供第二級致密化以填埋纖維預(yù)制件1的孔隙。步驟(f)允許致密化且形成由cmc材料制成的部件，同時(shí)還保護(hù)纖維20和基體6。

20、盡管液態(tài)硅與預(yù)致密化層4之間的化學(xué)相互作用受到限制(特別是通過步驟(c)和步驟(e))，但上述方法并不完全令人滿意。即使在碳化硅粉末5的存在下，在預(yù)致密化層上也可以隨機(jī)觀察到液態(tài)硅對預(yù)致密化層4的腐蝕。這種腐蝕主要在預(yù)致密化層的晶界處觀察到，并沿著晶界傳播。由于預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)和沿晶界的優(yōu)先傳播，腐蝕可導(dǎo)致形成沿纖維徑向延伸的裂紋，即從預(yù)致密化層的自由表面延伸到纖維增強(qiáng)物的纖維。這種裂縫的存在會不利地影響由cmc材料制成的部件的機(jī)械性能和使用壽命。

21、這些裂縫在圖2中用箭頭表示。它們解釋了預(yù)致密化層直到中間層的深度劣化。液態(tài)硅可以滲透在預(yù)致密化層的柱之間。因此，在中間層上沉積預(yù)致密化層在保護(hù)中間層免受液體或熔融硅的滲透方面的效果可能是有限的。

22、因此，需要通過在采用mi致密化操作之前限制液態(tài)硅相對于由cvi沉積的碳化硅的反應(yīng)性來優(yōu)化cmc材料的部件的制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了簡單、有效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。

2、為此，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)由陶瓷基體復(fù)合材料制成的部件的纖維預(yù)制件，纖維預(yù)制件包括：

3、纖維增強(qiáng)物，該纖維增強(qiáng)物包括基于碳化硅的纖維，

4、中間層，該中間層圍繞每個(gè)所述基于碳化硅的纖維的表面延伸，優(yōu)選地，中間層基于氮化硼，

5、預(yù)致密化層，該預(yù)致密化層包括碳化硅，位于中間層上且具有柱狀微結(jié)構(gòu)，所述預(yù)致密化層具有在3μm和20μm之間的厚度。

6、根據(jù)本發(fā)明，纖維預(yù)制件還包括位于所述預(yù)致密化層上的犧牲層，所述犧牲層包括具有平均尺寸在0.1μm和0.5μm之間的晶粒的碳化硅。

7、纖維預(yù)制件是用于生產(chǎn)由cmc材料制成的部件的中間部件。這種纖維預(yù)制件可以說是“預(yù)致密化的”，因?yàn)樗哂械谝患壷旅芑?。?shí)際上，纖維預(yù)制件包括通過cvi沉積的碳化硅的預(yù)致密化相而預(yù)致密化的層。

8、根據(jù)本發(fā)明的纖維預(yù)制件的主要優(yōu)點(diǎn)是，它顯著增強(qiáng)了在纖維預(yù)制件的生產(chǎn)過程中對預(yù)致密化層、中間層和纖維增強(qiáng)物的保護(hù)，防止其受到液態(tài)硅的侵蝕。

9、為此，纖維預(yù)制件包括在預(yù)致密化層上的碳化硅犧牲層，從而形成纖維預(yù)制件的外表面的犧牲層阻止液態(tài)硅對預(yù)致密化層(以及中間層和纖維)的劣化。

10、術(shù)語“犧牲”是指該犧牲層的部分(或區(qū)域)是非功能性的，并且因此被配置為首先被液態(tài)硅劣化。

11、特別地，犧牲層的碳化硅晶粒尺寸小于預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)的尺寸。與預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)相比，這允許形成犧牲層的細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)。因此，(與預(yù)致密化層相比)犧牲層富含碳。實(shí)際上，犧牲層的小晶粒尺寸使得能夠增加犧牲層中的晶粒邊界表面，其中的碳可以與液態(tài)硅反應(yīng)，并且因此犧牲層保護(hù)下層(即預(yù)致密化層)免受液態(tài)硅反應(yīng)的影響。此外，犧牲層中碳化硅的細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生曲折性(即，曲折/蜿蜒、迷宮狀路徑)，以限制液態(tài)硅向犧牲層下方的層的滲透和傳播。因此，根據(jù)本發(fā)明的纖維預(yù)制件對液態(tài)硅的化學(xué)反應(yīng)性具有非常好的抵抗力，并且改善了由該纖維預(yù)制件制成的cmc材料部件的機(jī)械性能。

12、犧牲層與預(yù)致密化層可通過碳化硅晶粒的形狀和/或平均尺寸區(qū)分開來。實(shí)際上，預(yù)致密化層具有柱狀微結(jié)構(gòu)(即，具有柱狀形狀，例如基本上為圓柱形或截頭圓錐形的sic晶粒)，每個(gè)sic晶粒的最大尺寸大于或等于3μm，而犧牲層的晶粒尺寸在0.1和0.5μm之間(即，具有或多或少球形和/或細(xì)或扁平形狀的粒狀微結(jié)構(gòu)的sic晶粒，每個(gè)sic晶粒的最大尺寸小于或等于0.5μm)。結(jié)果，犧牲層的晶粒尺寸小于預(yù)致密化層的柱狀晶粒尺寸。

13、纖維預(yù)制件可包括一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)或彼此組合的以下特征：

14、所述至少一個(gè)犧牲層具有的晶粒密度比預(yù)致密化層的晶粒密度大20倍至40倍；

15、所述至少一個(gè)犧牲層具有1μm和4μm之間的厚度；

16、多個(gè)犧牲層彼此疊加并在所述預(yù)致密化層上延伸，這些犧牲層的數(shù)量為至多五個(gè)；

17、預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)具有圓柱形的sic晶粒，優(yōu)選地具有大于或等于3μm的高度和/或在0.2μm和1μm之間的寬度；

18、預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)具有柱狀形式(例如圓柱形、截頭圓錐形或梯形等)的sic晶粒，優(yōu)選地具有大于或等于3μm的高度和/或在0.2μm和1μm之間的寬度；

19、預(yù)致密化層的柱狀微結(jié)構(gòu)的碳化硅晶粒的形狀因子嚴(yán)格大于犧牲層的碳化硅晶粒的形狀因子；

20、預(yù)致密化層的sic晶粒的形狀因子大于或等于10，優(yōu)選大于或等于20；

21、犧牲層的sic晶粒的形狀因子小于或等于5，優(yōu)選小于或等于2；

22、預(yù)致密化層的厚度在10μm和20μm之間；

23、犧牲層的厚度為預(yù)致密化層的厚度的5％至20％；

24、中間層的厚度為100nm至700nm，優(yōu)選250nm至500nm；

25、sic晶粒的尺寸可以是晶粒直徑；

26、中間層、預(yù)致密化層和犧牲層的厚度通過透射電鏡或掃描電鏡來測量；

27、預(yù)致密化層和犧牲層的sic晶粒的尺寸通過透射電子顯微鏡來測量；

28、預(yù)致密化層和犧牲層中sic晶粒的晶體取向和一般結(jié)構(gòu)(或結(jié)構(gòu)差異)通過透射電子顯微鏡或拉曼光譜來測定；

29、預(yù)致密化層和犧牲層的sic晶粒的密度通過透射電子顯微鏡tem或拉曼光譜來測量。

30、碳化硅晶粒的形狀因子是其最大尺寸與其最小尺寸的比值。

31、本發(fā)明還涉及陶瓷基體復(fù)合材料部件，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維預(yù)制件和致密化陶瓷基體，所述陶瓷基體優(yōu)選基于碳化硅。

32、由cmc材料制成的部件可以是渦輪機(jī)的部件，特別是飛行器的部件。舉例來說，該渦輪機(jī)部件是渦輪機(jī)的渦輪或壓縮機(jī)的葉片、渦輪機(jī)的燃燒室的環(huán)形壁等。

33、本發(fā)明還涉及用于制造根據(jù)本發(fā)明特征之一的纖維預(yù)制件的方法。該纖維預(yù)制件用于制造根據(jù)本發(fā)明的陶瓷基體復(fù)合材料部件。該方法包括以下步驟：

34、(a)獲得包括基于碳化硅的纖維的纖維增強(qiáng)物，

35、(b)在基于碳化硅的纖維的每個(gè)表面上形成中間層，

36、(c)通過化學(xué)氣相滲透(cvi)在所述中間層上形成預(yù)致密化層，以獲得所述纖維預(yù)制件，以及

37、(d)通過化學(xué)氣相滲透(cvi)在步驟(c)中獲得的所述預(yù)致密化層上沉積至少一個(gè)基于碳化硅的犧牲層。

38、如前所述，封裝纖維預(yù)制件的預(yù)致密化層的犧牲層防止液態(tài)硅對預(yù)致密化層的劣化。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，cvi碳化硅沉積的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)可以從預(yù)致密化層中的碳化硅晶粒的柱狀微結(jié)構(gòu)改變?yōu)闋奚鼘又械奶蓟杈Я５慕Y(jié)晶微結(jié)構(gòu)。特別地，通過改變cvi沉積的持續(xù)時(shí)間、氣體混合物中甲基三氯硅烷(mts)和氫氣(h2)的體積比例、壓力、溫度、循環(huán)次數(shù)和每次循環(huán)的持續(xù)時(shí)間中的至少一個(gè)參數(shù)來改變sic晶粒的形狀、尺寸和/或密度。目的是與預(yù)致密化層中的碳水平相比，在犧牲層中產(chǎn)生過量的碳。因此，用于獲得本發(fā)明的纖維預(yù)制件的方法使得能夠通過改動用于制造cmc材料部件的方法中的現(xiàn)有cvi沉積步驟的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)上述目的。

39、在步驟(c)和步驟(d)結(jié)束時(shí)，纖維預(yù)制件可被稱為“預(yù)致密化”，因?yàn)橥ㄟ^cvi沉積的碳化硅實(shí)現(xiàn)了第一級致密化或預(yù)致密化。

40、制造纖維預(yù)制件的方法可包括一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)或彼此組合的以下特征：

41、步驟(c)的化學(xué)氣相滲透在70毫巴至150毫巴之間的第一壓力下，用含甲基三氯硅烷(mts)和氫氣(h2)的第一氣體混合物來進(jìn)行10小時(shí)至30小時(shí)的第一時(shí)間，其中氫氣與甲基三氯硅烷的體積比為5至15(即相應(yīng)地，h2的體積比例為83％至94％，mts的體積比例為17％至6％)，以及

42、步驟(d)的化學(xué)氣相滲透在與第一壓力相同的第二壓力下，用含甲基三氯硅烷(mts)和氫氣(h2)的第二氣體混合物來進(jìn)行30分鐘至3小時(shí)的第二持續(xù)時(shí)間；

43、步驟(c)包括單個(gè)循環(huán)；

44、步驟(d)包括至少兩次連續(xù)循環(huán)，優(yōu)選2至10次循環(huán)，每次循環(huán)具有3分鐘至18分鐘的持續(xù)時(shí)間；

45、在步驟(d)中，第二氣體混合物包括比氫氣(h2)更高比例的甲基三氯硅烷(mts)，優(yōu)選甲基三氯硅烷(mts或ch3cl3si)和氫氣(h2)的體積比例按體積計(jì)為70/30至85/15，并且其中第一預(yù)定壓力和第二預(yù)定壓力是相同的；

46、該方法包括：步驟(e)，將陶瓷粉末、優(yōu)選碳化硅的混合物摻入步驟(d)中獲得的所述纖維預(yù)制件中。

47、本發(fā)明還涉及用于制造由根據(jù)本發(fā)明具有陶瓷基體的復(fù)合材料制成的部件的方法。該方法包括用于制造上述纖維預(yù)制件的方法的步驟(a)至步驟(e)，以及步驟(f)，該步驟(f)為通過滲透熔融陶瓷基體，使在步驟(e)中獲得的所述纖維預(yù)制件致密化，以形成由具有陶瓷基體的復(fù)合材料制成的所述部件。

48、優(yōu)選地，陶瓷基體基于液態(tài)硅。

49、在步驟(f)結(jié)束時(shí)，纖維預(yù)制件可稱為被陶瓷基體“致密化”，因?yàn)楣璧牡诙壷旅芑ㄟ^mi滲透實(shí)現(xiàn)。