[發明專利]在陶瓷基質復合材料中產生內腔室的方法及用于其的心軸

有效

• 申請號: 201310149615.6
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN103373862B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: P.E.格雷;H.C.羅伯茨三世;G.C.塔克薩赫
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C04B41/91
• 分類號: C04B41/91
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;嚴志軍

本發明涉及一種在陶瓷基質復合材料中產生內腔室的方法及用于其的心軸。用于在CMC制品中產生內腔室的過程及與其一起使用的心軸。該過程需要并入由在預成型件的熱處理期間被大致吸收以形成CMC制品的材料制成的心軸。心軸材料優選為在熱處理期間與CMC預成型件的一種或更多種組分反應。材料優選為硅或硅合金。

本申請要求2012年4月27日提交的美國臨時申請No.61/639,617的權益，該申請的內容通過參考并入本文中。

本發明在能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42643下利用政府支持完成。政府具有本發明中的某些權利。

技術領域

本發明大體涉及陶瓷基質復合材料(CMC)制品及其生產過程。

背景技術

當尋找較高操作溫度以提高渦輪機的效率時，渦輪機中的使用已經變得特別感興趣的是CMC材料。CMC材料和特別地提出用于燃氣渦輪發動機應用的這些CMC材料典型地包括嵌入在陶瓷基質材料中的陶瓷纖維增強材料。增強材料用作CMC的承載組分，并且陶瓷基質保護增強材料，保持其纖維的方位，并且用于使負載散開至增強材料。

高溫應用特別感興趣的是硅基復合材料，諸如作為基質材料和/或增強材料的碳化硅(SiC)。在共同轉讓的美國專利No.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，以及共同轉讓的美國專利申請公開No.2004/0067316中公開SiC/Si-SiC(纖維/基質)CMC材料和過程的值得注意的實例。一種這種過程被稱為預浸料坯(prepreg)熔滲(MI)，其大體上需要使用多個預浸料坯層(每個呈包括期望的增強材料的帶狀結構的形式)、CMC基質材料的前體(precursor)、粘合劑和其它可能的成分來制造CMC。預浸料坯必須經歷加工(包括固化，也被稱為焚燒)，以使前體轉變成期望的陶瓷。多個預浸料坯板層(ply)被堆疊和壓實以形成層壓預成型件，該過程被稱為鋪層。在鋪層之后，層壓預成型件將典型地經歷壓實和固化，同時經受施加的壓力和升高的溫度，諸如在高壓釜中。熔滲過程大體需要在真空或惰性氣氛中加熱層壓預成型件，以分解(燒盡)粘合劑并且產生多孔預成型件以備熔滲，在此之后，可利用例如從外部供應至預成型件的熔融的硅熔滲預成型件。熔融的硅滲透到孔隙中，并且優選為與基質內的組分(例如，碳源)反應以形成硅基陶瓷(例如，碳化硅)，其填充孔隙以產生期望的CMC構件。

對于一些應用，具有內腔室的CMC制品為合乎需要或必要的，該內腔室包括但不受限于限定翼型構件內的冷卻槽/孔和復雜的冷卻通路的腔室，以及意圖大體實現減輕重量的腔室。可通過圍繞心軸形成層壓預成型件而在CMC制品中產生內腔室。然而，在熔滲之前必須移除心軸。在燒制(burnout)期間保持固體的心軸必須被物理地移除，如果期望的腔室具有扭曲或為錐形，則這可為不可能的。圖1示意性地示出了實例，其中，常規鋼心軸30意圖在層壓預成型件10的區段20中形成隨后的腔室。鋼心軸30由于其被在預成型件10的一個端部處由板層限定的肩部22捕獲而不可從預成型件10移除。為了解決該問題，已經提出了由易變樹脂形成的聚合物心軸。在本說明書的背景下，易變聚合樹脂典型地為基于碳氫化合物的固體，其在加熱到足夠高的溫度(典型地為400℃至800℃)之后揮發，從而留下很少的碳殘渣或不留下碳殘渣。易變樹脂的值得注意實例包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。然而，這些樹脂具有可比CMC預成型件的材料大五倍至十倍的熱膨脹系數。易變樹脂的較高膨脹系數可在加熱以分解粘合劑樹脂期間引起CMC預成型件扭曲。在燒制期間，易變樹脂熔化，并且熔融樹脂必須從CMC制品的內部內的產生的腔室移除。熔融樹脂中的一些可在腔室內側形成含碳涂層，在隨后的熔滲期間與硅反應時，該含碳涂層可改變腔室尺寸。當與較大大小的CMC構件一起使用易變樹脂時，在聚合物心軸分解時必須從或通過預成型件逸出的氣體的量還增大。這使使用較慢的高溫分解循環成為必需，這延長用于CMC構件的加工循環時間。

因此，存在對能夠在CMC制品內形成內腔室的改進方法的需要。

發明內容