專利名稱：用于使由cmc材料制備的部件的表面平滑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基體復(fù)合材料部件。更特別地，本發(fā)明涉及改進該部件的表面狀態(tài)。
背景技術(shù)：
在航空發(fā)動機中，且特別是在該發(fā)動機的燃氣渦輪或渦輪機中，通常通過鑄造和局部機械加工(local machining)的方法用金屬合金制備呈航空動力學(xué)形狀的部件(如葉片)。對降低航空發(fā)動機中的比燃料消耗、消除污染等的現(xiàn)在和未來的需求正導(dǎo)致其重量的顯著增加，特別是渦輪的低壓段重量的顯著增加。葉片構(gòu)成低壓段重量的重要部分。為了顯著減輕重量并適應(yīng)現(xiàn)在的金屬合金可承受的操作溫度以上的溫度，一種解決方案是使用陶瓷基體復(fù)合材料來制備葉片。陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)是所謂特別的“熱結(jié)構(gòu)”復(fù)合材料，即具有優(yōu)良的機械性能以及在高溫下保持那些性能的能力的復(fù)合材料。此外，與使用普通金屬合金制備的部件相比，由CMC制備的部件(如葉片)呈現(xiàn)出顯著的重量節(jié)約。在熟知的方法中，通過由耐火纖維(碳纖維或陶瓷纖維)制備的纖維增強體形成 CMC部件，通過陶瓷基體(特別是碳化物、氮化物、耐火氧化物的基體)將該增強體致密化。 CMC材料的典型例子為C-SiC材料(碳纖維增強體和碳化硅基體)、SiC-SiC材料以及C-C/ SiC材料(包含碳和碳化硅的混合物的基體)。CMC復(fù)合材料部件的制造是熟知的?？墒褂靡后w技術(shù)(用陶瓷基體前體樹脂浸漬，并通過固化和熱解將該樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾桑撨^程可被重復(fù)進行)或者通過氣體技術(shù)(化學(xué)氣相滲透)而使纖維增強體致密化。盡管如此，CMC部件呈現(xiàn)起伏的且相對粗糙的表面外觀，可發(fā)現(xiàn)該表面外觀與部件如葉片所需要的空氣動力學(xué)性能不相容。表面起伏是由纖維增強體造成的，而粗糙度與“封閉層(seal-coat) ”陶瓷基體(特別是在通過化學(xué)氣相滲透(CVI)沉積該基體時)相關(guān)。相反，由金屬合金和相關(guān)方法制備的部件呈現(xiàn)平滑的表面外觀，其粗糙度非常小 (1微米(μπι)的等級)。一種改進CMC部件表面狀態(tài)的解決方案在于，將液體組合物涂覆于部件表面，該組合物包含陶瓷前體聚合物(例如碳化硅前體)以及以顆粒形式的耐火固體填料，以形成陶瓷涂層。陶瓷涂層用于平整部件表面存在的起伏。繼該步驟后通過持續(xù)時間近似為約30 小時(h)的化學(xué)氣相滲透進行陶瓷(例如SiC)沉積，從而使耐火填料的顆粒結(jié)合到一起。 此CMC部件的表面處理方法在文件US 2006/0141154中描述。雖然該方法使得有可能通過消除起伏和通過降低表面粗糙度值至40微米以下而顯著地改進CMC部件的表面狀態(tài)，但是對在陶瓷涂層形成之后的額外的化學(xué)氣相滲透的需要導(dǎo)致了該部件的成本及其制造時間的可觀的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供獲得具有受控的表面狀態(tài)的CMC部件但不存在上述缺陷的方法，并且特別提供了獲得具有與需要航空動力學(xué)性能的應(yīng)用相容的表面狀態(tài)的部件的方法。為此，本發(fā)明提供了使由陶瓷基體復(fù)合材料制備的呈現(xiàn)起伏和粗糙的表面的部件表面平滑的方法，該方法包括，在部件表面上形成陶瓷涂層，該涂層通過將液體組合物涂覆于該部件表面而制備，該組合物包含陶瓷前體聚合物和耐火固體填料，固化該聚合物，并通過熱處理將經(jīng)固化的聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾?，在該方法中，根?jù)本發(fā)明，用液體金屬組合物浸漬該陶瓷涂層。因此，通過用液體金屬組合物浸漬陶瓷涂層，該方法使得有可能顯著地改進CMC 部件的表面狀態(tài)，并且該改進是通過比化學(xué)氣相滲透快得多且更便宜的處理而進行的。用金屬組合物浸漬也使得有可能通過將固體填料的顆粒和/或陶瓷涂層的顆粒結(jié)合到一起而穩(wěn)定和增強陶瓷涂層。本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明的方法改進其表面狀態(tài)的CMC部件，該CMC部件還具有包含陶瓷相和固體填料的陶瓷涂層，在該陶瓷涂層可及表面(accessible surface)上還存在金屬組合物。該部件可特別為渦輪機的葉片。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點通過對本發(fā)明的具體實施方式
(作為非限制性實施例給出)的以下描述，并參照附圖而顯現(xiàn)，其中圖1是顯示未經(jīng)額外表面處理的部分CMC部件的表面狀態(tài)的三維視圖；圖2是顯示在圖1中的部分部件中測定的尺寸偏差的曲線；圖3是顯示在用于制備航空發(fā)動機中的葉片的金屬材料表面測定的尺寸偏差的曲線；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式中的連續(xù)步驟的流程圖；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的CMC材料的顯微照片；和圖6是渦輪機葉片的透視視圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供使呈現(xiàn)起伏和粗糙的表面的陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)部件的表面平滑的方法。從提供纖維結(jié)構(gòu)開始制造CMC部件，纖維預(yù)成型體由該纖維結(jié)構(gòu)形成，從而具有與待制造部件的形狀接近的形狀。該纖維結(jié)構(gòu)可為多種形式，如二維 QD)織物；通過3D織造或通過多層織造而獲得的三維(3D)織物；編織物；針織物；氈；和紗或絲束的單向(UD)片材，或者通過在不同方向上疊加多個UD片材并將該UD片
4材結(jié)合在一起(例如通過縫合、通過化學(xué)粘合劑或通過針刺)而獲得的多向(nD)片材。還可能使用由多個疊加的機織物、編織物、針織物、氈、片材等的層制成的纖維結(jié)構(gòu)，其中的層相互結(jié)合(例如通過縫合、通過植入紗或剛性元件或通過針刺)。組成纖維結(jié)構(gòu)的纖維為耐火纖維，即陶瓷纖維(例如碳化硅(SiC)纖維，特別是例如來自供貨商Nippon Carbon Co. Ltd.的Nicalon SiC纖維或來自供貨商COI Ceramics Inc.的Sylramic SiC纖維)、碳纖維或者實際上為耐火氧化物(例如氧化鋁(Al2O3))的纖維。纖維結(jié)構(gòu)一旦構(gòu)成，就通過用包含陶瓷前體固結(jié)樹脂的液體組合物浸漬而使其固結(jié)。為此目的，將纖維結(jié)構(gòu)浸沒在包含樹脂并通常包含該樹脂的溶劑的浴中。浙干后，在窯中進行干燥。干燥可伴隨樹脂的預(yù)固化或部分固化。由于該預(yù)固化提供了額外的剛度，在其進行時，必須限制預(yù)固化以保持在其上已形成第一界面層的纖維結(jié)構(gòu)的足夠的可塑性?？墒褂闷渌阎慕n技術(shù)，如通過使纖維結(jié)構(gòu)連續(xù)地經(jīng)過浸漬機、浸劑浸漬 (infusion impregnation)或?qū)嶋H上通過樹脂傳遞成型(RTM)浸漬而制備預(yù)浸漬結(jié)構(gòu)。選擇固結(jié)樹脂以使得其在熱解后留下的陶瓷殘渣足以提供后續(xù)制備的纖維預(yù)成型體的固結(jié)。例如，陶瓷前體樹脂可以是作為碳化硅(SiC)的前體的聚碳硅烷樹脂、或作為 SiCO的前體的聚硅氧烷樹脂、或作為SiCNB的前體的聚硼碳硅氧烷樹脂或者實際上為SiCN 的前體的聚硅氮烷樹脂。在浸漬后，通過使用支撐(supporting)模具成型纖維結(jié)構(gòu)來成型用于組成待制備部件的纖維增強件的纖維預(yù)成型體，并且該纖維預(yù)成型體具有實質(zhì)上與所述部件的形狀相符的形狀。優(yōu)選地，纖維預(yù)成型體的成型伴隨著壓緊該纖維結(jié)構(gòu)，以增加纖維在待制備部件的復(fù)合材料中的體積比。在預(yù)成型體已成型后，將樹脂固化，或如果已進行預(yù)固化的則將固化完成，其中該預(yù)成型體置于模具中。此后，通過用于熱解樹脂的熱處理完成固結(jié)。例如，在大約900°C至1000°C的溫度下進行熱解。也可通過化學(xué)氣相滲透(CVI)進行固結(jié)。在此固結(jié)之后，繼而用陶瓷基體使纖維預(yù)成型體致密化。有利地，通過化學(xué)氣相滲透(CVI)進行致密化，CVI過程的參數(shù)和反應(yīng)氣體的性質(zhì)與待形成的基體的性質(zhì)相適應(yīng)。因此，有可能在相同的烘箱中相繼進行熱解固結(jié)樹脂和致密化的操作。通過CVI形成的陶瓷基體可為SiC基體、基于硅如氮化硅(Si3N4)的基體、或至少部分自復(fù)原的基體(如硅-硼-碳(Si-B-C)基體)、或碳化硼(B4C)基體、或?qū)嶋H上具有交替的非復(fù)原陶瓷和復(fù)原陶瓷基體相的序列(sequenced)基體。可特別參照下列文件FR 2 401 888、US 5 246 736、US 5 965 266、US 6 068 930 和 US 6 291 058?？稍诙鄠€連續(xù)的滲透循環(huán)中沉積陶瓷基體，其中每個循環(huán)之間的機械加工操作用于重新打開材料表面的孔，并促進在纖維增強體中的基體沉積。圖1顯示了使用上述方法成型并致密化由三維織造的SiC纖維(Guipex ，八股緞紋織法(8 harness satin weave))的固結(jié)的多層纖維結(jié)構(gòu)制備的部分CMC部件的表面狀態(tài)。如圖2中所測定的，該部件呈現(xiàn)出具有大于200微米傾角(attitude)的起伏和數(shù)十微米水平的粗糙度的表面。如上文所述，該表面的不規(guī)則性意味著不大可能將該部件用于動力學(xué)應(yīng)用。作為對比，圖3顯示了對航空發(fā)動機低壓段的葉片的表面狀態(tài)的測定，該葉片由金屬材料制成。 可見，該葉片并不具有任何表面起伏，并且其呈現(xiàn)的粗糙度的平均水平為1微米等級。參照圖4，為了使CMC部件的表面平滑，根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方式包括以下步
馬聚ο制備陶瓷涂層組合物(步驟10)，該組合物包含以粉末形式(特別是以陶瓷形式) 的耐火固體填料、陶瓷前體聚合物和任選該聚合物的溶劑。例如，該粉末為SiC粉末。選擇足夠細的顆粒尺寸以使粉末中的顆粒能夠滲透入 CMC復(fù)合材料中需要被填充的表面孔中。優(yōu)選地，選擇平均尺寸小于100微米的顆粒，例如 5微米至50微米。也有可能使用不同顆粒尺寸的粉末。例如，有可能使用具有5微米至15 微米的平均尺寸的顆粒聯(lián)合具有25微米至50微米的平均尺寸的顆粒，例如平均尺寸較大的顆粒的重量比例不少于平均尺寸較小的顆粒的重量比例。也有可能使用其它粉末，特別是陶瓷粉末和實質(zhì)上具有相同顆粒尺寸的粉末。例如，該粉末可選自碳化物粉末(除SiC)、氮化物粉末或硼化物粉末，有可能將不同種類的粉末混合。陶瓷前體聚合物作為所需涂層的性質(zhì)的函數(shù)來選擇。對于SiC涂層，聚合物可選自例如聚碳硅烷(PCQ和聚鈦碳硅烷(PTCS)。可使用其它陶瓷前體聚合物，例如作為SiC (或SiC+C，具有過量的碳)的前體的硅膠、聚硅氮烷(在氣相中熱解，用于獲得基于Si3N4和/或SiC的殘渣)和聚硼氮烷(BN的前體)。應(yīng)注意到，在同類陶瓷中，組成固體填料的陶瓷以及聚合物為前體的陶瓷是優(yōu)選的，但并非必需的。溶劑作為所用陶瓷前體聚合物的函數(shù)來確定。例如，對于PCS，溶劑可為二甲苯。 對于其它聚合物可使用其它溶劑，例如對于硅膠可使用庚烷、己烷、甲基乙基酮(MEK)或乙與陶瓷前體聚合物的量相比，選擇固體填料的量以確保熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的表面的孔以令人滿意的方式填充，同時仍使該組合物滲透至一定的深度。因此，固體填料的以重量計的量優(yōu)選為陶瓷前體聚合物的以重量計的量的約0. 4倍至4倍。此范圍也使得有可能調(diào)節(jié)陶瓷前體聚合物在其轉(zhuǎn)變過程中的收縮率。選擇所使用的溶劑的量以賦予液體組合物適合的粘度，從而使其能夠被涂覆于部件的表面。例如，用作形成SiC涂層的組合物的典型組合物可選自如下的范圍· SiC粉末(平均顆粒尺寸為5微米至50微米)2重量份(pbw)至7plw ；· PCS (SiC 前體)Ipbw 至 3pbw ；禾口 二甲苯(PCS 溶劑):2pbw 至 5pbw。將液體組合物涂覆于待處理的部件的表面(步驟20)。
該應(yīng)用可僅僅通過使用刷子或漆刷來進行?？墒褂闷渌椒?，例如噴漆槍。在干燥(例如使用熱空氣)(步驟30)后，為了清除溶劑的目的，將陶瓷前體聚合物固化(步驟40)。該固化可通過熱處理而進行。例如，對于PCS，將溫度逐漸升高至約 350 °C的平臺。為了陶瓷化的目的，將固化的聚合物送至熱處理(步驟50)。對于PCS，通過將其溫度逐漸升高至約900°C的平臺而將其轉(zhuǎn)變至SiC?？赏扛惨后w組合物的數(shù)個連續(xù)的層。在涂覆了每一層之后，優(yōu)選至少干燥組合物并固化陶瓷前體聚合物?？赏瑫r對所有的層進行陶瓷化。自然地，使用其它陶瓷前體時，固化和陶瓷化的條件可不同，這些條件在任何方面都不獨特。隨后獲得包含源自陶瓷前體和固體填料的陶瓷化的相的陶瓷涂層。此涂層填充部件表面中的起伏和凹穴。盡管如此，需要在結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定以此方法形成的陶瓷涂層。特別地，由于陶瓷前體樹脂在其轉(zhuǎn)變時的收縮，必需確保固體填料顆粒之間的結(jié)合。在以陶瓷化為目的的熱處理中， 陶瓷前體材料收縮，從而使陶瓷破裂和粉碎。而顆粒不再全部相互結(jié)合在連續(xù)的陶瓷塊內(nèi)。為此目的，并根據(jù)本發(fā)明的實施方式，用液體金屬組合物浸漬陶瓷涂層的可及表面(步驟60)。術(shù)語“可及表面”用于指陶瓷涂層通常的外表面，以及具有外部通道的涂層內(nèi)表面，即陶瓷化熱處理收縮后，使其從外部可及的表面(經(jīng)過向外敞開的裂縫而觸及此內(nèi)表面)。如下文的詳細描述，用液體金屬組合物浸漬的正是此可及表面，從而穩(wěn)定了陶瓷涂層(將顆粒結(jié)合到一起)并在其表面上形成了呈現(xiàn)平滑表面狀態(tài)的層。選擇熱相容(thermally compatible)的金屬組合物，即具有與部件材料的熱膨脹系數(shù)接近的熱膨脹系數(shù)的組合物，熱膨脹系數(shù)優(yōu)選4X10_6/°C至5X10_6/°C (近似地，CMC 材料具有4X 10_6/°C至4. 5 X 10-6/oC的熱膨脹系數(shù))。也可選擇與部件的CMC材料化學(xué)相容的金屬組合物。此外，金屬組合物優(yōu)選地呈現(xiàn)低于CMC材料穩(wěn)定溫度的熔化溫度，特別地低于該材料的纖維的穩(wěn)定溫度(其中穩(wěn)定溫度是材料的機械性能在超過該溫度時開始降低的溫度)。例如，可用包含(以重量百分數(shù)計)90%的鍺和10%的硅的硅-鍺組合物來浸漬攜帶上述類型的陶瓷涂層的C/SiC復(fù)合材料部件(具有碳纖維增強體和SiC基體的部件)。 此組合物呈現(xiàn)約1150°c的熔化溫度。圖5顯示了以此方法獲得的表面涂層?？墒褂玫慕饘俳M合物的另一個例子是包含(以重量百分數(shù)計)50%的硅和50%的鎳的硅-鎳組合物。此組合物具有約1100°c的熔化溫度。對于其中的纖維增強體的SiC纖維所呈現(xiàn)的穩(wěn)定溫度低于或接近于所使用的金屬組合物的熔化溫度的部件，應(yīng)限制為了熔化金屬組合物和浸漬陶瓷涂層而應(yīng)用的熱處理的持續(xù)時間。例如，由Cerasep 制備的部件(即SiC/SiC復(fù)合材料(增強纖維和基體均由SiC制備))，包含在高至約1100°C熱穩(wěn)定的Nicalon 纖維。在該情況下，如果使用例如呈現(xiàn)約1150°C的熔化溫度的包含硅和鍺的合金(SiGe)的金屬組合物，則此溫度下的熱處理的持續(xù)時間應(yīng)不多于30分鐘(min)。對于在1250°C下進行的熱處理，則持續(xù)時間應(yīng)限制在20分鐘。
7
以抵消陶瓷涂層上的表面不規(guī)則性的方法而形成的金屬組合物的層，其中金屬組合物的量作為待抵消的不規(guī)則性的函數(shù)來選擇。以此方法形成的層用于使陶瓷涂層的表面平滑，從而使部件的表面平滑。通過陶瓷涂層的滲透，用金屬組合物的浸漬也用于將涂層的粒和/或顆粒結(jié)合到一起。該浸漬也用于提高CMC部件的抗磨損強度(在均勻摩擦的條件下)。本發(fā)明可應(yīng)用于各種類型的渦輪機葉片，特別是不同的燃氣渦輪軸(spool)的壓縮機葉片和渦輪葉片，例如低壓(LP)渦輪的轉(zhuǎn)子葉片(如圖6中所示的)。以熟知方法，圖6的葉片10包含翼片20，由厚度更大的部分(例如呈燈泡形截面) 形成的由柄32延長的根部30，位于柄32和翼片20之間的內(nèi)平臺40，以及與葉片的自由端相鄰的外平臺50。
權(quán)利要求
1.一種使由陶瓷基體復(fù)合材料制備的呈現(xiàn)起伏且粗糙的表面的部件的表面平滑的方法，該方法包括，在所述部件的所述表面上形成陶瓷涂層，所述涂層通過將液體組合物涂覆于所述部件的所述表面而制備，所述組合物包含陶瓷前體聚合物和耐火固體填料，固化所述聚合物，并通過熱處理使所述經(jīng)固化的聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾桑摲椒ǖ奶卣髟谟谄溥M一步包括用液體金屬組合物浸漬所述陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述部件包含通過碳化硅基體致密化的碳纖維增強體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述部件包含通過基于硅的基體致密化的碳纖維增強體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述部件包含通過碳化硅基體致密化的碳化硅纖維增強體，并且其中所述液體金屬組合物為基于硅-鍺合金或硅-鎳合金的組合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于所述陶瓷基體復(fù)合材料的部件為燃氣渦輪的葉片。
6.一種由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備的包含通過陶瓷基體致密化的耐火纖維增強體的部件， 該部件還具有包含陶瓷相和固體填料的陶瓷涂層，該部件的特征在于其進一步包含在所述陶瓷涂層的可及表面上形成的金屬組合物的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的部件，該部件構(gòu)成燃氣渦輪的葉片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片裝配的或根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法制造的渦輪機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使由陶瓷基體復(fù)合材料制備的部件的起皺、粗糙的表面平滑的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過如下步驟的方法在該部件的表面形成陶瓷涂層，即在該部件的表面上涂覆(20)液體組合物，所述組合物包含陶瓷前體聚合物和固體耐火填料；交聯(lián)(40)該聚合物；以及通過熱處理的方法將該經(jīng)交聯(lián)的聚合物轉(zhuǎn)化(50)為陶瓷。該方法還包括用液體金屬組合物浸漬該陶瓷涂層(60)。
文檔編號C04B41/90GK102239129SQ200980148559
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者E·布永, N·埃貝林-富, S·沙泰涅 申請人:斯奈克瑪公司, 斯奈克瑪動力部件公司