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

背景技術：

1、現有技術尤其包括文獻us-a1-2016/107940、us-a1-2014/363663、us-a1-2016/159702、us-b2-8039053和ep-a1-3957619。

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

3、在航空領域中，例如在飛機渦輪機中使用cmc材料代替金屬材料是有利的。實際上，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的任何其他非氧化物陶瓷纖維增強物。

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

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

7、(a)生產纖維增強物2，其包括碳化硅纖維20，

8、(b)用中間層3覆蓋纖維增強物的纖維20，

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

10、(e)將碳化硅粉末摻入纖維預制件1的孔中，

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

12、因此，在步驟(c)中形成的纖維預制件1包括：

13、纖維增強物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優化了纖維20與由cmc材料制造的部件的基體6之間的結合。實際上，該中間層3提供了足夠的結合以確保由cmc材料制成的部件所經受的機械應力被傳遞到纖維增強物。因此，中間層3使基體6內產生的裂紋偏轉。

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

18、碳化硅粉末5的摻入限制了預致密化層4上的液態硅在步驟(f)期間的反應性。粉末混合物5還使得能夠對纖維預制件1的孔隙率進行分級(fractionate)，以促進纖維預制件1中的液態硅在步驟(f)期間的毛細上升(capillary?rise)。

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

20、盡管液態硅與預致密化層4之間的化學相互作用受到限制(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，在預致密化層上也可以隨機觀察到液態硅對預致密化層4的腐蝕。這種腐蝕主要在預致密化層的晶界處觀察到，并沿著晶界傳播。由于預致密化層的柱狀微結構和沿晶界的優先傳播，腐蝕可導致形成沿纖維徑向延伸的裂紋，即從預致密化層的自由表面延伸到纖維增強物的纖維。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。它們解釋了預致密化層直到中間層的深度劣化。液態硅可以滲透在預致密化層的柱之間。因此，在中間層上沉積預致密化層在保護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硅相對于由cvi沉積的碳化硅的反應性來優化cmc材料的部件的制造。

技術實現思路

1、針對現有技術的上述缺點，本發明提供了簡單、有效和經濟的解決方案。

2、為此，本發明涉及用于生產由陶瓷基體復合材料制成的部件的纖維預制件，纖維預制件包括：

3、纖維增強物，該纖維增強物包括基于碳化硅的纖維，

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

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

6、根據本發明，纖維預制件還包括位于所述預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、纖維預制件是用于生產由cmc材料制成的部件的中間部件。這種纖維預制件可以說是“預致密化的”，因為它具有第一級致密化。實際上，纖維預制件包括通過cvi沉積的碳化硅的預致密化相而預致密化的層。

8、根據本發明的纖維預制件的主要優點是，它顯著增強了在纖維預制件的生產過程中對預致密化層、中間層和纖維增強物的保護，防止其受到液態硅的侵蝕。

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

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

11、特別地，犧牲層的碳化硅晶粒尺寸小于預致密化層的柱狀微結構的尺寸。與預致密化層的柱狀微結構相比，這允許形成犧牲層的細晶粒微結構。因此，(與預致密化層相比)犧牲層富含碳。實際上，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硅反應，并且因此犧牲層保護下層(即預致密化層)免受液態硅反應的影響。此外，犧牲層中碳化硅的細晶粒微結構產生曲折性(即，曲折/蜿蜒、迷宮狀路徑)，以限制液態硅向犧牲層下方的層的滲透和傳播。因此，根據本發明的纖維預制件對液態硅的化學反應性具有非常好的抵抗力，并且改善了由該纖維預制件制成的cmc材料部件的機械性能。

12、犧牲層與預致密化層可通過碳化硅晶粒的形狀和/或平均尺寸區分開來。實際上，預致密化層具有柱狀微結構(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/或細或扁平形狀的粒狀微結構的sic晶粒，每個sic晶粒的最大尺寸小于或等于0.5μm)。結果，犧牲層的晶粒尺寸小于預致密化層的柱狀晶粒尺寸。

13、纖維預制件可包括一個或多個單獨或彼此組合的以下特征：

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

15、所述至少一個犧牲層具有1μm和4μm之間的厚度；

16、多個犧牲層彼此疊加并在所述預致密化層上延伸，這些犧牲層的數量為至多五個；

17、預致密化層的柱狀微結構具有圓柱形的sic晶粒，優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、預致密化層的柱狀微結構具有柱狀形式(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、預致密化層的柱狀微結構的碳化硅晶粒的形狀因子嚴格大于犧牲層的碳化硅晶粒的形狀因子；

20、預致密化層的sic晶粒的形狀因子大于或等于10，優選大于或等于20；

21、犧牲層的sic晶粒的形狀因子小于或等于5，優選小于或等于2；

22、預致密化層的厚度在10μm和20μm之間；

23、犧牲層的厚度為預致密化層的厚度的5％至20％；

24、中間層的厚度為100nm至700nm，優選250nm至500nm；

25、sic晶粒的尺寸可以是晶粒直徑；

26、中間層、預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、預致密化層和犧牲層中sic晶粒的晶體取向和一般結構(或結構差異)通過透射電子顯微鏡或拉曼光譜來測定；

29、預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、本發明還涉及陶瓷基體復合材料部件，其包括根據前述權利要求中任一項所述的纖維預制件和致密化陶瓷基體，所述陶瓷基體優選基于碳化硅。

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

33、本發明還涉及用于制造根據本發明特征之一的纖維預制件的方法。該纖維預制件用于制造根據本發明的陶瓷基體復合材料部件。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物，

35、(b)在基于碳化硅的纖維的每個表面上形成中間層，

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

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

38、如前所述，封裝纖維預制件的預致密化層的犧牲層防止液態硅對預致密化層的劣化。為了實現這一點，cvi碳化硅沉積的一個或多個參數可以從預致密化層中的碳化硅晶粒的柱狀微結構改變為犧牲層中的碳化硅晶粒的結晶微結構。特別地，通過改變cvi沉積的持續時間、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、循環次數和每次循環的持續時間中的至少一個參數來改變sic晶粒的形狀、尺寸和/或密度。目的是與預致密化層中的碳水平相比，在犧牲層中產生過量的碳。因此，用于獲得本發明的纖維預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有cvi沉積步驟的參數來實現上述目的。

39、在步驟(c)和步驟(d)結束時，纖維預制件可被稱為“預致密化”，因為通過cvi沉積的碳化硅實現了第一級致密化或預致密化。

40、制造纖維預制件的方法可包括一個或多個單獨或彼此組合的以下特征：

41、步驟(c)的化學氣相滲透在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行10小時至30小時的第一時間，其中氫氣與甲基三氯硅烷的體積比為5至15(即相應地，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行30分鐘至3小時的第二持續時間；

43、步驟(c)包括單個循環；

44、步驟(d)包括至少兩次連續循環，優選2至10次循環，每次循環具有3分鐘至18分鐘的持續時間；

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)，優選甲基三氯硅烷(mts或ch3cl3si)和氫氣(h2)的體積比例按體積計為70/30至85/15，并且其中第一預定壓力和第二預定壓力是相同的；

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

47、本發明還涉及用于制造由根據本發明具有陶瓷基體的復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制件致密化，以形成由具有陶瓷基體的復合材料制成的所述部件。

48、優選地，陶瓷基體基于液態硅。

49、在步驟(f)結束時，纖維預制件可稱為被陶瓷基體“致密化”，因為硅的第二級致密化通過mi滲透實現。