DE4012229A1 - FIBER-REINFORCED CERAMIC BASE MATERIAL COMPONENT COMPONENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
FIBER-REINFORCED CERAMIC BASE MATERIAL COMPONENT COMPONENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft keramische Verbundstoff-Bauteile und Verfahren zur Herstellung, und, insbesondere in einer Form, durch keramische Faser verstärkte keramische Grundmaterial-Verbundstoff-Bauteile.This invention relates to ceramic composite components and process for the preparation, and, in particular in one Mold, ceramic fiber reinforced ceramic matrix composite material components.
Diese Anmeldung steht in Beziehung zu der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Verdichteter Bauteil und Verfahren und Vorform zur Herstellung" (Anmelder-Nr.: 12 662.5-13DV-09 230), für welche die Priorität der US-Anmeldung Serial No. 3 41 001 vom 14. April 1989 in Anspruch genommen wurde.This application is related to the one filed simultaneously Patent application entitled "Compressed component and Method and Preform for Production "(Applicant's abstract) 12 662.5-13DV-09 230), for which the priority of the US application Serial No. 3 41 001 of 14 April 1989 has been.
Die Verwendung von Keramik in der Form von bei hoher Temperatur in Betrieb befindlichen Artikeln, wie in Komponenten für Kraft erzeugende Vorrichtungen, einschließend Fahrzeugmotoren, Gasturbinen, etc. ist im Hinblick auf das niedrige Gewicht und die Festigkeit von bestimmten Keramiken bei hohen Temperaturen attraktiv. Eine typische Komponente ist eine Gas-Turbomotor-Verstrebung. Jedoch sind monolithische keramische Strukturen ohne Verstärkung spröde. Derartige Bauteile ohne Unterstützung durch zusätzliche inkorporierte, verstärkende Strukturen entsprechen nicht den Anforderungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit für eine derart beanspruchende Verwendung.The use of ceramic in the form of at high temperature in operation, such as in components for power generating devices, including vehicle engines, Gas turbines, etc. is in terms of low Weight and strength of certain ceramics at high Temperatures attractive. A typical component is a gas turbo engine brace. However, they are monolithic ceramic structures without reinforcement brittle. Such components without support from additional incorporated, reinforcing Structures do not meet the requirements regarding their reliability for such demanding Use.
In einem Versuch zur Überwindung dieses Mangels wurden bestimmte bruchresistente keramische Grundmaterial-Verbundstoffe erwähnt. Diese enthalten inkorporierte Fasern von verschiedener Größe und verschiedenen Typen, beispielsweise Langfasern oder Filamente, kurze oder geschnittene Fasern, Whisker, etc. Alle diese Typen werden hier der Einfachheit halber als "Fasern" bezeichnet. Manche Fasern wurden mit bestimmten Materialien beschichtet, die aufgebracht wurden, um das Auftreten von stark wirkenden Reaktionen zwischen der Verstärkung und dem Grundmaterial zu verhindern. Jedoch sind manche Überzüge aus Kohlenstoff, oder aus Kohlenstoffarten, oder aus anderem Material, das oxidieren wird, wenn es bei einer vorgegebenen erhöhten Betriebstemperatur der Luft ausgesetzt wird. Der Einschluß derartiger Fasern innerhalb des keramischen Grundmaterials wurde gemacht, um dem Sprödbruchverhalten zu widerstehen.In an attempt to overcome this deficiency became certain Break Resistant Ceramic Base Material Composites mentioned. These contain incorporated fibers of various types Size and different types, for example long fibers or filaments, short or cut fibers, whiskers, etc. All these types are here for simplicity referred to as "fibers". Some fibers were with certain Coated materials that have been applied to the occurrence strong reactions between amplification and prevent the base material. However, some are Coatings of carbon, or carbon species, or of other material that will oxidize if it is in a exposed to elevated operating temperature of the air becomes. The inclusion of such fibers within the ceramic Base material was made to brittle fracture behavior to resist.
Ein Problem bei der Verwendung von derartigen oxidierenden Fasern, wie beispielsweise Kohlenstoff, als Verstärkung in keramischen Verbundstoffen besteht darin, daß das System bei der Verwendung umweltbedingt und stabil werden kann: Risse in der keramischen Grundmasse, sogar Mikrorisse, können die oxidierbare Faser verfügbar für einen Kontakt mit Luftsauerstoff bei erhöhten Betriebstemperaturen machen, wie sie in heißen Abschnitten von Kraft erzeugenden Maschinen auftreten. Eine derartige Oxidation von verstärkenden Fasern schwächt oder zerstört die Faserstruktur oder ihre Funktion, was zu einer unwilkommenen Schwächung des Strukturbauteils führt.A problem with the use of such oxidizing Fibers, such as carbon, as reinforcement in ceramic composites is that the system at the use can become environmental and stable: cracks in the ceramic matrix, even microcracks, the Oxidizable fiber available for contact with atmospheric oxygen at elevated operating temperatures, as in hot sections of power generating machinery occur. Such oxidation of reinforcing fibers weakens or destroys the fibrous structure or its function, causing too an unwalked weakening of the structural component leads.
Eine anderes Problem betrifft die Tatsache, daß hohe Sintertemperaturen für keramische Teilchen um verstärkende Fasern herum die Art der Fasern, die verwendet werden können, einschränken. Beispielsweise verschlechtern sich viele Fasern oberhalb etwa 1000°C, beträchtlich unterhalb der für das keramische Teilchen geforderten Sintertemperaturen.Another problem concerns the fact that high sintering temperatures for ceramic particles around reinforcing fibers around the type of fibers that can be used to restrict. For example, many fibers deteriorate above about 1000 ° C, considerably below that for the ceramic Particles required sintering temperatures.
Kurz gesagt liefert die vorliegende Erfindung in einer Form ein Verfahren zur Herstellung eines in seiner umgebungsstabilen, faserverstärkten keramischen Grundmasse-Verbundstoff-Bauteils, enthaltend oxidationsstabile verstärkende Fasern, beispielsweise keramische Fasern, und eine um die Faser herum vermengte Grundmasse. Der Ausdruck "oxidationsstabil", wie er hier hinsichtlich der Fasern verwendet wird, bedeutet Fasern, welche im wesentlichen keine weitgehende Oxidation und/oder keinen umweltbedingten Abbau bei beabsichtigen Betriebsbedingungen der Temperaturen der Atmosphäre, wie beispielsweise Luft, erleiden. Die Grundmasse ist eine Mischung, welche keramische Teilchen enthält, miteinander durch eine keramische Phase verbunden.In short, the present invention provides in one form a method for producing a stable in its environment, fiber reinforced ceramic matrix composite component, containing oxidation-stable reinforcing fibers, for example, ceramic fibers, and one around the fiber mixed basic substance. The term "oxidation stable", such as as used herein in terms of fibers, means fibers, which essentially no extensive oxidation and / or no environmental degradation under intended operating conditions the temperatures of the atmosphere, such as Air, suffer. The matrix is a mixture of which contains ceramic particles, together by a ceramic Phase connected.
In der Verfahrensform liefert die vorliegende Erfindung einen keramischen Grundmassen-Precursor, welcher sich beim Erhitzen in eine keramische Phase umwandelt, gemischt in einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung in einer Aufschlämmung einer Grundmassen-Mischung von diskontinuierlichem Material, enthaltend keramische Teilchen in einer Flüssigkeit, die mit dem Precursor verträglich ist. Diese Aufschlämmung ist um die oxidationsstabilen Fasern herum als Grundmassen-Mischung verteilt, um eine Prepreg-Vorform zu schaffen, welche in einer oxidierenden Atmosphäre, wie beispielsweise in Luft erhitzt wird, bei einer Verarbeitungstemperatur, zumindest bei der für die Umwandlung des Precursors in eine keramische Phase geforderte Temperatur und niedriger als diejenige, welche zu einem Abbau der Keramik in der Vorform führen wird. Durch die vorliegende Erfindung kann eine derartige Temperatur im Bereich von etwa 600° bis 1000°C liegen. Ein derartiges Erhitzen wandelt den keramischen Precursor, wie beispielsweise durch Zersetzung, in eine keramische Phase um, von beispielsweise amorpher oder kristalliner Form, welche die keramischen Teilchen aus der Aufschlämmung in eine keramische Grundmasse um die Fasern herum bindet. Weil die Komponenten dieses verstärkten Keramikgrundmasse-Verbundstoff-Bauteils in einer oxidierenden Atmosphäre stabilisiert sind, wobei bevorzugsweise im wesentlichen alle keramischen Oxide miteinander verbunden sind, ist der Bauteil umweltstabil und von hoher Festigkeit und hoher Bruchbeständigkeit.In the process form, the present invention provides a ceramic base precursor, which on heating converted into a ceramic phase, mixed in one substantially uniform distribution in a slurry a basic mix of discontinuous material, containing ceramic particles in a liquid, which is compatible with the precursor. This slurry is around the oxidation-stable fibers around as a basic mass mixture to create a prepreg preform which in an oxidizing atmosphere, such as in Air is heated, at a processing temperature, at least when for the conversion of the precursor into a ceramic Phase required temperature and lower than that which leads to a degradation of the ceramic in the preform will lead. By the present invention, such Temperature in the range of about 600 ° to 1000 ° C lie. Such heating converts the ceramic precursor, as by decomposition, into a ceramic phase to, for example, amorphous or crystalline form, which the ceramic particles from the slurry into a ceramic matrix around the fibers binds. Because the Components of this reinforced ceramic matrix composite component stabilized in an oxidizing atmosphere are, preferably substantially all ceramic Oxides are interconnected, the component is environmentally stable and of high strength and high resistance to breakage.
Fig. 1 ist ein graphischer Vergleich der Bruchresistenz-Werte einer nichtverstärkten Grundmasse, einer anderen verstärkten Grundmasse und eines Verbundstoffs, eines verstärkten Bauteils der vorliegenden Erfindung. FIG. 1 is a graphical comparison of the fracture resistance values of a non-reinforced matrix, another reinforced matrix, and a composite, reinforced member of the present invention. FIG .
Fig. 2 ist eine fragmentarische perspektivische Schnittansicht eines Teils einer Gas-Turbomotor-Verstrebung. FIG. 2 is a fragmentary perspective sectional view of a portion of a gas turbocharged brace. FIG .
Fig. 3 ist eine fragmentarische schematische Schnittansicht von Schichten von keramischem Grundmaterial-Verbundstoff, angeordnet um formende Blöcke. Fig. 3 is a fragmentary schematic sectional view of layers of ceramic matrix composite material disposed about forming blocks.
Fig. 4 ist eine fragmentarische perspektivische Schnittansicht des Bauteils von Fig. 3, angeordnet in Anpaßformteilen. Fig. 4 is a fragmentary perspective sectional view of the component of Fig. 3 arranged in fitting fittings.
Bruchbeständige, faserverstärkte keramische Grundmaterial-Verbundstoffe bieten dem Konstrukteur von Hochtemperatur-Komponenten für krafterzeugende Maschinen, wie beispielsweise Komponenten für Automotoren, Turbomotoren, etc., eine Gelegenheit, stabile, leichtgewichtige Bauteile zu spezifizieren. Jedoch sind bestimmte derartiger Verbundstoffe umgebungsbedingt unstabil durch Auftreten von Rissen, welche oxidierbare Teile der Luft aussetzen. Außerdem führen bestimmte bekannte Bearbeitungen zu einem unerwünschten Ausmaß an Porosität in dem Produkt. Ebenso sind die Faserarten, die in den gesinterten keramischen verstärkten Verbundstoffen enthalten sein können, eingeschränkt, basierend auf den geforderten relativ hohen Sintertemperaturen und einer Faserverschlechterungstemperatur, niedriger als die geforderte Sintertemperatur.Break-resistant, fiber-reinforced ceramic base material composites provide the designer of high-temperature components for power-generating machines, such as Components for car engines, turbo engines, etc., an opportunity to specify stable, lightweight components. However, certain such composites are environmental unstable by occurrence of cracks, which oxidizable Expose parts of the air. In addition, certain known perform Machinings to an undesirable degree of porosity in the product. Likewise, the types of fibers that are sintered in the be included ceramic reinforced composites can, limited, based on the required relative high sintering temperatures and a fiber deterioration temperature, lower than the required sintering temperature.
Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zur Vermeidung derartiger bekannter Probleme und zur Herstellung eines umweltbedingt stabilen verstärkten Keramikmatrix-Verbunstoff-Bauteils von hoher Festigkeit und hoher Bruchresistens bei niedrigeren Verarbeitungstemperaturen. Eine hauptsächliche Basis für die Erfindung ist die Bereistellung von Bestandteilen, welche bei einer niedrigeren Temperatur stabilisiert werden können; und nach einem stabilisierenden Erhitzen eines Produkts, das ein Bauteil ist, welches bevorzugterweise im wesentlichen alle keramischen Oxide miteinander verbunden hat. Die Verwendung derartiger Bestandteile eliminiert die Möglichkeit einer Bauteilverschlechterung bei der Verwendung infolge von Oxidation.The present invention provides an improved method to avoid such known problems and to manufacture an environmentally stable reinforced ceramic matrix compound component high strength and high breakage resistance at lower processing temperatures. A the main basis for the invention is the provision of ingredients which are at a lower temperature can be stabilized; and after a stabilizing Heating a product which is a component which preferably substantially all ceramic oxides with each other connected. The use of such ingredients eliminates the possibility of component degradation when used as a result of oxidation.
Typische der keramischen Teilchen, wie sie für die keramischen Grundmaterialien verwendet werden, sind die Oxide von solchen Elementen wie Al, Si, Ca, Hf, B, Ti, Y und Zr, und deren Mischungen und Kombinationen. Derartige kommerziell verfügbare Materialien schließen Al₂O₃, SiO₂, CaO, ZrO₂, HfO₂, BN, TiO₂, 3Al₂O₃ · 2SiO₂, V₂O₃ CaO · Al₂O₃ und verschiedene Tone und Glasfritten ein. Keramische Teilchengrößen im Bereich zwischen etwa 75 Mikron bis 0,2 Mikron (75 µm bis 0,2 µm) im Durchmesser wurden als ein Grundmaterialbestandteil in der Bewertung der vorliegenden Erfindung untersucht. Eine Form der vorliegenden Erfindung spricht die Tatsache an, daß jede dieser Keramiken, wenn sie als eine Struktur verwendet werden, beim Brennen bis zu einer erhöhten Verdichtungstemperatur schrumpfen wird. Beispielsweise wird eine Aluminiumoxid-Form eine lineare Schrumpfung im Bereich von etwa 3 bis 4% bei 1400°C erleiden.Typical of the ceramic particles as they are for the ceramic Basic materials used are the oxides of such elements as Al, Si, Ca, Hf, B, Ti, Y and Zr, and their mixtures and combinations. Such commercial available materials include Al₂O₃, SiO₂, CaO, ZrO₂, HfO₂, BN, TiO₂, 3Al₂O₃ · 2SiO₂, V₂O₃ CaO · Al₂O₃ and various clays and glass fritters. Ceramic particle sizes in the range between about 75 microns to 0.2 microns (75 microns to 0.2 microns) in the Diameters were considered as a basic material component in the Evaluation of the present invention examined. A form The present invention addresses the fact that each of these ceramics when used as a structure when firing up to an elevated compression temperature will shrink. For example, an alumina shape a linear shrinkage in the range of about 3 to 4% at 1400 ° C.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von keramischen Precursoren bewertet, die sowohl als Grundmassen-Precursor als auch als ein Infiltrant-Precursor, wie dies später beschrieben werden wird, verwendet werden können. Die Verwendung eines derartigen Precursors als Bindemittel in Kombination mit den keramischen Teilchen ermöglicht die Entwicklung eines stabilen Verbundstoffs bei einer signifikant niedrigeren Verarbeitungstemperatur. Derartige Precursoren, welche beispielsweise durch Zersetzung beim Erhitzen in eine keramische Phase übergehen, können für die praktische Durchführung von Teilen der vorliegenden Erfindung in fester oder flüssiger Form, oder deren Mischungen, vorliegen. Im allgemeinen werden sie als organometallisch, Sol Gele oder Metallsalze klassifiziert. Eingeschlossen in die Bewertung waren die folgenden keramischen Precursoren: Polycarbosilane, Silicone, Metallsalze (einschließend vinylische Polysilane, Dimethylsiloxan und Hafniumoxychlorid), Kieselsäure und Tonerdesole, Aluminiumisopropoxid, Monoaluminiumphosphat und andere Phosphate. Die folgende Tabelle I zeigt spezifische Formen von derartigen Vorstufen. In connection with the present invention, a Variety of ceramic precursors rated both as a basic mass precursor as well as an infiltrant precursor, as will be described later can be. The use of such a precursor as a binder in combination with the ceramic particles allows the development of a stable composite at a significantly lower processing temperature. such Precursors, for example, by decomposition in the Heating in a ceramic phase can go for the Practical implementation of parts of the present invention in solid or liquid form, or mixtures thereof. In general, they are called organometallic, sol Classified gels or metal salts. Included in the Evaluation were the following ceramic precursors: polycarbosilanes, Silicones, metal salts (including vinylic Polysilanes, dimethylsiloxane and hafnium oxychloride), silica and alumina sol, aluminum isopropoxide, monoaluminum phosphate and other phosphates. The following Table I shows specific forms of such precursors.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diskontinuierliches Material, enthaltend die keramischen Teilchen, den keramischen Precursor und gegebenenfalls ein Bindemittel, in einer Flüssigkeit zur Schaffung einer Aufschlämmung einer Grundmaterial-Mischung dispergiert. Der Ausdruck "diskontinuierliches Material", wie er hier verwendet wird, soll Pulver, Teilchen, kleine Splitter, Materialflocken, Whisker, etc., bedeuten. Ein Charakteristikum der Flüssigkeit der Aufschlämmung besteht darin, daß sie verträglich mit dem keramischen Precursor und bevorzugterweise ein Lösungsmittel dafür ist, und für das Bindemittel, falls ein solches verwendet wurde. Dies erlaubt eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Precursors in der Aufschlämmung, zusammen mit den keramischen Teilchen und gegebenenfalls Bindemitteln zur Bereitstellung der Grundmaterial-Mischung. Beispielsweise kann die Flüssigkeit wässerig oder organisch sein, in Abhängigkeit von dem Precursor oder der Mischung von Precursoren und gegebenenfalls Bindemittel, sein. Der Precursor wird sich vorzugsweise, wie bereits angegeben, in der Flüssigkeit lösen, welche in diesem Falle als Lösungsmittel wirkt. Typische, als Lösungsmittel eingesetzte organische Flüssigkeiten umfassen Ethylalkohol, Trichlorethan, Methylalkohol, Toluol und Methylethylketon, welches den Bindemitteln, den Polymeren und/oder Infiltrantien ermöglichen, sich in einer Lösung aufzulösen. Die Menge an erforderlichem Lösungsmittel hängt von der Löslichkeit und der Sättigungsgrenze der Bindemittel/Polymeren und der gewünschten Viskosität der Aufschlämmung ab. Die bevorzugten Grenzen liegen im Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent Lösungsmittel. Zusätzliche Lösungsmittelmengen werden lediglich zur Verdampfung der überschüssigen Lösungsmittel verlängerte Trocknungszeiten bedingen.According to the inventive method is discontinuous Material containing the ceramic particles, the ceramic precursor and optionally a binder, in a liquid for providing a slurry Base material mixture dispersed. The term "discontinuous Material "as used herein is intended to be powder, Particles, small chips, flakes of material, whiskers, etc. mean. A characteristic of the liquid of the slurry is that they are compatible with the ceramic Precursor and preferably a solvent therefor is, and for the binder, if used has been. This allows a substantially uniform Distribution of precursor in the slurry, along with the ceramic particles and optionally binders for Provision of the base material mixture. For example the liquid may be aqueous or organic depending on from the precursor or the mixture of precursors and optionally binder. The precursor becomes preferably, as already stated, in the liquid solve, which acts as a solvent in this case. typical, used as solvent organic liquids include ethyl alcohol, trichloroethane, methyl alcohol, toluene and methyl ethyl ketone, which binders, the polymers and / or infiltrants allow themselves in a solution dissolve. The amount of solvent required depends on the solubility and saturation limit of the binder / polymers and the desired viscosity of the slurry from. The preferred limits are in the range of 20 to 30 weight percent solvent. Additional solvent amounts are only used to vaporize the excess Solvent prolonged drying times condition.
Hinsichtlich der keramischen Teilchen in der Aufschlämmung wurde festgestellt, daß derartige Teilchen im Bereich von mehr als 40 Gewichtsprozent bis zu etwa 90 Gewichtsprozent der Summe von keramischen Teilchen und Precursor enthalten sein sollten. Bei 40 Gewichtsprozent oder weniger ist unzureichend Keramik vorhanden, um in dem Verbundstoff-Bauteil ein Grundmaterial um die verstärkenden Fasern herum zu schaffen, was zu einer zu hohen Porosität führt; bei einem größeren Wert als etwa 90 Gewichtsprozent liegt eine unzureichende Bindung der keramischen Teilchen um die verstärkenden Fasern herum durch die umgewandelte Precursor-Keramikphase vor. Der bevorzugte Bereich für die Keramikteilchen in der Summe von Teilchen und Precursor beträgt 50 bis 80 Gewichtsprozent, und spezifischer etwa 70 bis 80 Gewichtsprozent.With regard to the ceramic particles in the slurry It has been found that such particles are in the range of more than 40% by weight up to about 90% by weight the sum of ceramic particles and precursor should be. At 40 weight percent or less is insufficient Ceramic present in the composite component to create a base material around the reinforcing fibers, which leads to too high a porosity; at a larger one Value as about 90% by weight is insufficient Binding of the ceramic particles to the reinforcing fibers around through the converted precursor ceramic phase. The preferred range for the ceramic particles in the sum of particles and precursors is 50 to 80 weight percent, and more specifically about 70 to 80 weight percent.
Es wurde festgestellt, daß der Keramik-Precursor in der Aufschlämmung der Grundmaterial-Mischung in einer Menge von etwa 10 bis 40 Gewichtsprozent der Summe von Precursor und Keramik-Teilchen enthalten sein sollte, vorzugsweise in einer Menge von 10 bis 30 Gewichtsprozent, um adäquaten Fluß und Bindung sicherzustellen. Weniger als etwa 10 Gewichtsprozent liefert ungenügende Keramik-Phase für Fluß und Miteinanderverbinden der Keramik-Teilchen nach der Precursor-Zersetzungserhitzung; bei einem größeren Wert als etwa 40 Gewichtsprozent führt die Zersetzung des Precursors zu überschüssiger Porosität in der Grundmaterial-Phase.It was found that the ceramic precursor in the slurry the base material mixture in an amount of about 10 to 40 weight percent of the sum of precursor and ceramic particles should be included, preferably in an amount from 10 to 30 weight percent, to adequate flow and binding sure. Less than about 10 weight percent provides insufficient ceramic phase for flow and interconnection the ceramic particles after the precursor decomposition heating; greater than about 40 weight percent the decomposition of the precursor leads to excess Porosity in the base material phase.
Der Rest der Aufschlämmung ist im allgemeinen die Flüssigkeit. Jedoch können derartige andere Materialien, wie Bindemittel und Weichmacher, hier gewöhnlich als "Bindemittel" bezeichnet, die zeitweilig zum Zusammenhalten eines ungehärteten Grundmaterials eingesetzt werden, in der Aufschlämmung enthalten sein. Bindemittel zum Zusammenhalten der Vorform vor dem Erhitzen auf die Verarbeitungstemperatur können bis zu etwa 20 Gewichtsprozent der Summe der keramischen Teilchen, des Precursors und des Bindemittels, enthalten sein. Eine größere als diese Menge wird zu einer zu hohen Porosität führen. Beispiele von solchen ausgewerteten Bindemitteln und Weichmachern (und eine Bezugsquelle) sind Prestoline Master Mix (P. B. S. Chemical), Celluloseether (Dow Chemical), Polyvinylbutyral (Monsanto), Butylbenzylphthalat (Monsanto), Polyalkylenglykol (Union Carbide) und Polyethylenglykol (Union Carbide). Ebenfalls verwendete Bindungssysteme waren Epoxyharze, beispielsweise Mehrzweck-Epoxyharze, hergestellt von Ciba-Geigy, Silicone, beispielsweise Polysiloxane (GE), RTV (GE) und Polycarbosilan (Union Carbide). Enthalten nach Bedarf waren Dispergiermittel, wie Glycerintrioleat, Marineöl, Adipatpolyester, Natriumpolyacrylat und Phosphatester. Falls Epoxyharz als Bindungssystem mit den oben bevorzugten Precursor- und Keramik-Bereich verwendet wird, betrug das Epoxy etwa 1 bis 10 Gewichtsprozent, bezüglich der Mischung von Precursor und Keramikteilchen.The remainder of the slurry is generally the liquid. However, such other materials, such as binders, may be used and plasticizer, commonly referred to herein as a "binder", the temporarily to hold together an uncured Base material can be used in the slurry be included. Binder for holding the preform before heating to the processing temperature can be up about 20 percent by weight of the sum of the ceramic particles, of the precursor and the binder. A larger than this amount becomes too high a porosity to lead. Examples of such evaluated binders and plasticizers (and a source of supply) are Prestolines Master Mix (P.B.S. Chemical), Cellulose ethers (Dow Chemical), Polyvinyl butyral (Monsanto), butyl benzyl phthalate (Monsanto), Polyalkylene glycol (Union Carbide) and polyethylene glycol (Union Carbide). Also used binding systems were Epoxy resins, for example, multipurpose epoxy resins by Ciba-Geigy, Silicones, for example polysiloxanes (GE), RTV (GE) and polycarbosilane (Union Carbide). Contain after Requirements were dispersants, such as glycerol trioleate, marine oil, Adipate polyester, sodium polyacrylate and phosphate ester. If Epoxy resin as a bonding system with the above preferred precursor and ceramic range used, the epoxy was about 1 to 10 weight percent, with respect to the mixture of Precursor and ceramic particles.
In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von Keramik-Verstärkungsfasern einschließend die in der nachfolgenden Tabelle II, zusammen mit ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) gezeigten, bewertet:In connection with the present invention have been a variety of ceramic reinforcing fibers including those in the Table II below, together with their coefficients of thermal expansion (CTE) shown, rated:
In einem in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung bewerteten Beispiel 1 enthielt die Grundmaterialmischung-Aufschlämmung Al₂O₃-Teilchen im Größenbereich von etwa 0,2 bis 50 Mikron (0,2 bis 50 µm) als Keramik-Teilchen, ein kommerziell als RTV verfügbares Silicon als den Keramik-Precursor und ein als Bisphenol auf dem Mark befindliches Epoxyharz als Bindemittel. In dieser typischen Mischung betrug der Gehalt an Al₂O₃ 70 bis 80 Gewichtsprozent, an Silicon 10 bis 30 Gewichtsprozent und an Epoxy 1 bis 10 Gewichtsprozent der Summe von Al₂O₃, Silicon und Bindemittel. Bei dieser Mischung war das Kombinationslösungsmittel Trichlorethan und Ethanol als die Flüssigkeit in einer Menge von etwa 20 bis 30 Gewichtsprozent, wobei der Rest, 70 bis 80 Gewichtsprozent, die obige Mischung an Keramik, Precursor und Bindemittel war, um die Grundmaterial-Aufschlämmung zu liefern.In a evaluated in connection with the present invention Example 1 contained the masterbatch blend slurry Al₂O₃ particles in the size range of about 0.2 to 50 microns (0.2 to 50 microns) as ceramic particles, a commercially as RTV silicone available as the ceramic precursor and as Bisphenol on the Mark located epoxy resin as a binder. In this typical mixture, the content of Al₂O₃ 70 to 80 weight percent of silicone 10 to 30 weight percent and at epoxy 1 to 10 weight percent of the sum of Al₂O₃, silicone and binder. This was the mix Combination solvent trichloroethane and ethanol as the Liquid in an amount of about 20 to 30 weight percent, the remainder, 70 to 80 percent by weight, the above mixture to ceramic, precursor and binder was to the base material slurry to deliver.
In einem Beispiel 2 war eine Kombination von Keramik-Precursoren enthalten. Eine derartige Mischung enthielt 70 bis 80 Gewichtsprozent Al₂O₃ als die Keramik-Teilchen, 5 bis 15 Gewichtsprozent Silicon und 5 bis 15 Gewichtsprozent Aluminiumisopropoxid als die Keramik-Precursoren, und, als das Bindemittel, Epoxy in einer Menge von 1 bis 10 Gewichtsprozent der Summe der keramischen Teilchen, des Precursors und des Bindemittels. Bei der Mischung war das Kombinationslösungsmittel Trichlorethan und Ethanol als die Flüssigkeit in einer Menge von etwa 20 bis 30 Gewichtsprozent, wobei der Rest, 70 bis 80 Gewichtsprozent, die Mischung an Keramik, Precursoren und Bindemittel war, um die Grundmaterial-Aufschlämmung zu liefern.In an example 2 was a combination of ceramic precursors contain. Such a mixture contained 70 to 80 Weight percent Al₂O₃ as the ceramic particles, 5 to 15 weight percent Silicone and 5 to 15 weight percent aluminum isopropoxide as the ceramic precursors, and, as the binder, Epoxy in an amount of 1 to 10 weight percent the sum of the ceramic particles, the precursor and the Binder. In the mixture was the combination solvent Trichloroethane and ethanol as the liquid in one Amount of about 20 to 30 weight percent, with the remainder, 70 up to 80% by weight, the mixture of ceramics, precursors and binder was added to the stock slurry deliver.
In einer Form des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurde jede der Grundmaterialmischung-Aufschlämmungen der obigen Beispiele 1 und 2 um verstärkende keramische Fasern herum in der Form eines Gewebes vermischt. In diesen Beispielen wurden die verstärkenden Fasern aus dem oben bezeichneten Sumitomo-Garn oder Roving gemacht, enthalten im Bereich von 20 bis 40 Volumprozent des Bauteils. In anderen Formen und Beispielen waren die verstärkenden Keramikfasern gewickeltes Filament. In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß die verstärkenden Fasern im Bereich von etwa 10 bis 50 Volumprozent des Bauteils, und vorzugsweise 30 bis 40 Volumprozent, enthalten sind. Weniger als 10 Volumprozent liefert ungenügende Verstärkungsfestigkeit, und bei mehr als etwa 50 Volumprozent sind die Fasern zu eng für die Anordnung derselben um das adäquate Grundmaterial herum unterteilt.In one form of the process of the present invention has been each of the masterbatch mix slurries of the above Examples 1 and 2 around reinforcing ceramic fibers around in the shape of a tissue is mixed. In these examples were the reinforcing fibers from the Sumitomo yarn referred to above or roving, contained in the range of 20 up to 40% by volume of the component. In other forms and examples Both the reinforcing ceramic fibers were wound filament. In the present invention, it has been recognized that the reinforcing fibers in the range of about 10 to 50 volume percent of the component, and preferably 30 to 40 vol%, are included. Less than 10 volume percent provides insufficient Reinforcement strength, and at more than about 50 volume percent the fibers are too tight for their arrangement subdivided the adequate base material around.
Nachdem man den Prepreg trocknen gelassen hatte, um die Hauptmenge des Lösungsmittels zu verdampfen, wurden die so gebildeten Prepreg-Schichten geformt und zu einem Bauteil gepreßt, wie beispielsweise unter Verwendung von Preßformen, oder eines Autoklavs, unter Anwendung von Temperatur und Druck, wie dies dem Fachmann bekannt ist und technisch praktiziert wird. Anschließend wurde das Bauteil in einem festen Vorform-Format gekühlt.After allowing the prepreg to dry to the majority To evaporate the solvent, the thus formed Molded prepreg layers and pressed into a component, such as using compression molding, or a Autoclave, using temperature and pressure as this The person skilled in the art is known and practiced technically. Subsequently the component was in a fixed preform format cooled.
Die Vorform wurde dann bei einer Verarbeitungstemperatur im Bereich von 600° bis 1000°C anstatt bei der gewöhnlich in bekannten Verfahren viel höheren Sintertemperatur, beispielsweise im Bereich von etwa 1300° bis 1650°C, erhitzt. Dieses Erhitzen wird zur Entfernung von organischen Verbindungen, wie beispielsweise des temporären Bindemittels, und zur Umwandlung des keramischen Precursors in eine keramische Bindungsphase oder -phasen durch Zersetzung durchgeführt. Durch die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung unter Einschluß eines Bindungsprecursors mit den keramischen Teilchen kann die Verarbeitungstemperatur in einem viel niedrigeren Bereich gehalten werden, als demjenigen, der zum Zusammensintern der keramischen Teilchen um die verstärkenden Fasern herum benötigt wird. Ebenso ermöglicht die Erfindung die Verwendung von Fasern, die sonst bei den bekannten höheren Sintertemperaturen abgebaut oder thermochemisch beschädigt würden. The preform was then processed at a processing temperature Range from 600 ° to 1000 ° C instead of the usual in known methods much higher sintering temperature, for example in the range of about 1300 ° to 1650 ° C, heated. This Heating is used to remove organic compounds, such as the temporary binder, and for conversion of the ceramic precursor into a ceramic bonding phase or phases carried out by decomposition. By the practice of the present invention under Inclusion of a binding precursor with the ceramic particles the processing temperature can be in a much lower Held as the area for sintering together the ceramic particles around the reinforcing fibers is needed around. Likewise, the invention allows the use of fibers otherwise known in the higher Sintered temperatures degraded or thermochemically damaged would.
In den obigen Beispielen 1 und 2 wurde das Erhitzen auf die Verarbeitungstemperatur im Bereich von etwa 600° bis 800°C durchgeführt. Ein derartiges Erhitzen resultiert in einem keramischen Grundmaterial von keramischen Teilchen, zusammen verbunden durch eine Keramikphase oder -phasen. Im allgemeinen hat das Grundmaterial eine offene Porosität im Bereich von etwa 5 bis 30 Volumprozent.In the above Examples 1 and 2, the heating was applied to the Processing temperature in the range of about 600 ° to 800 ° C. carried out. Such heating results in a ceramic base material of ceramic particles, together connected by a ceramic phase or phases. In general the base material has an open porosity in the range of about 5 to 30 volume percent.
In einer anderen Ausführungsform schließt die vorliegende Erfindung zusätzliche Stufen zur Verringerung oder Eliminierung einer derartigen Porosität ein. In einer solchen Ausführungsform wird zusätzlicher keramischer Precursor in flüssiger Form, oder gewöhnlich in hoher Konzentration in einer Flüssigkeit dispergiert, auf das oben beschriebene keramische Grundmaterial aufgebracht und in die Porosität hinein infiltriert. Beispielsweise kann das Grundmaterial in das flüssige Keramikprecursor-Infiltrationsmittel eingetaucht und ein Vakuum angelegt werden, um die Penetration des Precursors in die Poren zu erleichtern. Nach dem Trocknen wird das infiltrierte Grundmaterial, wie oben beschrieben, erhitzt, um den infiltrierte Grundmaterial, wie oben beschrieben, erhitzt, um den infiltrierten Keramikprecursor in eine Keramikphase oder -phasen zu überführen und hierdurch eine bestimmte Porosität zu eliminieren. Eine derartige Poreninfiltration und Erhitzungsüberführung kann, falls gewünscht, wiederholt werden, um die Porosität in dem Grundmaterial bis zu einem gewünschten Ausmaß zu reduzieren oder zu eliminieren.In another embodiment, the present invention concludes Invention Additional Levels of Reduction or Elimination such porosity. In such an embodiment becomes additional ceramic precursor in liquid Form, or usually in high concentration in one Liquid dispersed on the ceramic described above Applied base material and into the porosity infiltrated. For example, the base material in the dipped liquid ceramic precursor infiltrants and a vacuum applied to the penetration of the precursor to facilitate in the pores. After drying is heated the infiltrated base material as described above, heated around the infiltrated base material as described above, around the infiltrated ceramic precursor into a ceramic phase or -phasen and thereby a certain porosity to eliminate. Such a pore infiltration and Heating transfer can be repeated if desired, around the porosity in the base material to a desired one To reduce or eliminate scale.
Der zeichnerische Vergleich von Fig. 1 stellt eine Spannung-gegen-Verformung-Kurve dar, welche die Bruchresistenz und Zähigkeit des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Bauteils zeigt. Die in dieser Fig. 1 gezeigten Daten wurden durch Untersuchung bei Raumtemperatur erhalten. Die verwendeten Prüflinge waren rechteckige Prüfstäbe mit den Abmessungen 0,5″ × 6″ × 0,1″ (12,7 mm × 152,4 mm × 2,54 mm).The diagrammatic comparison of FIG. 1 illustrates a stress versus strain curve showing the resistance to breakage and toughness of the component made in accordance with the present invention. The data shown in this Figure 1 was obtained by examination at room temperature. The specimens used were rectangular test bars measuring 0.5 "x 6" x 0.1 "(12.7 mm x 152.4 mm x 2.54 mm).
Die durch die Kurve 1 wiedergegebenen Meßwerte wurde aus der Untersuchung eines Prüflings erhalten, der aus der Mischung des obigen Beispiels 1, wie beschrieben, ohne Verteilen der Aufschlämmung um die verstärkenden Fasern herum erhalten worden war. Das Material in der Kurve 1 ist eine monolithische Grundmasse von keramischen Teilchen, Keramik-Precursor und Epoxy-Bindemittel, das niedrig in seiner Festigkeit ist und katastrophal in spröder Weise versagt. Monolithische Keramiken dieses Typs sind keine entwicklungsfähigen Kandidaten für gefährdete Formen in Konstruktionsanwendungen infolge ihrer Intoleranz gegenüber Fehlstellen und nachträglicher niedriger Zähigkeit.The measured values represented by the curve 1 were obtained from the examination of a test piece obtained from the mixture of the above Example 1 as described without spreading the slurry around the reinforcing fibers. The material in the curve 1 is a monolithic matrix of ceramic particles, ceramic precursor and epoxy binder which is low in strength and catastrophically fails in a brittle manner. Monolithic ceramics of this type are not viable candidates for endangered forms in engineering applications due to their intolerance to imperfections and subsequent low toughness.
Die von der Kurve 2 der Fig. 1 gezeigten Meßergebnisse wurden durch Untersuchung eines Prüflings der gleichen Größe und Form wie demjenigen, der für die Meßergebnisse der Kurve 1 verwendet worden war, erhalten, der aus der gleichen Mischung hergestellt worden war. Jedoch war die Mischung um ein verstärkendes Fasergewebe von Sumitomo-Garn herum verteilt, das in einer Menge von etwa 30 Volumprozent des Bauteils enthalten war. Das Material in der Kurve 2 ist ein keramischer Verbundstoff, in welchem das gleiche monolithische Matrix-Material von Kurve 1 über und um die Faserverstärkungen herum inkorporiert war. Das Material hatte hohe Festigkeit, weil die Belastung nun auf die Fasern hoher Festigkeit transferiert worden war und das Material wies einen guten Bruch und Zähigkeit auf. Dieser Typ des Verbundstoff-Verhaltens erlaubt es, daß ein Teil nach dem beginnenden Einsetzen des Bruches eine verlängerte Lebensdauer hat. The measurement results shown by the curve 2 of Fig. 1 were obtained by examining a sample of the same size and shape as that used for the measurement results of the curve 1 prepared from the same mixture. However, the mixture was distributed around a reinforcing fiber fabric of Sumitomo yarn contained in an amount of about 30 volume percent of the component. The material in Curve 2 is a ceramic composite in which the same monolithic matrix material of Curve 1 was incorporated over and around the fiber reinforcements. The material had high strength because the load was now transferred to the high strength fibers and the material had good break and toughness. This type of composite behavior allows a part to have a prolonged life after incipient onset of fracture.
Wie man aus der Fig. 1 entnehmen kann, ist das verstärkte Keramik-Grundmaterial-Verbund-Bauteil der Kurve 2 signifikant fester und näher als dasjenige der Kurve 1.As can be seen from FIG. 1, the reinforced ceramic-base material composite component of curve 2 is significantly stronger and closer than that of curve 1 .
Zu Vergleichszwecken ist in Fig. 1 eine Kurve 3 angegeben, welche die Verwendung von Saphir-verstärkenden Fasern in einem Grundmaterial von Al₂O₃ und gesintert bei etwa 1450° bis 1500°C wiedergibt, beträchtlich über der Temperatur-Leistungsfähigkeit der in Tabelle II angegebenen Fasern. Kein Precursor war in einem solchen Verbundstoff enthalten, der zu 55 Volumprozent aus Aluminiumsilicat und zu 45 Volumprozent aus Saphir-Fasern bestand. Demzufolge erforderte diese Mischung die Verwendung der Sinterverfestigungstemperatur, signifikant höher als die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandte Behandlungstemperatur, im allgemeinen etwa 600° bis 1000°C. Das Material in Kurve 3 weist eine höhere Festigkeit auf als Kurve 2 mit zähem Verhalten. Diese verbesserten Eigenschaften repräsentieren die Vorteile der Verwendung einer verstärkenden Faser von höherer Festigkeit mit einem thermisch kompatiblen Grundmaterial, um es zu ermöglichen, daß die Belastung von dem Grundmaterial zu der Faser in einer wirksamen Weise überführt wird.For comparison purposes, in Fig. 1, a curve 3 is given, which represents the use of sapphire-reinforcing fibers in a base material of Al₂O₃ and sintered at about 1450 ° to 1500 ° C, considerably above the temperature performance of the fibers indicated in Table II. No precursor was included in such a composite consisting of 55% by volume of aluminum silicate and 45% by volume of sapphire fibers. Accordingly, this mixture required the use of the sintering solidification temperature, significantly higher than the treatment temperature used in the process of the invention, generally about 600 ° to 1000 ° C. The material in curve 3 has a higher strength than curve 2 with tough behavior. These improved properties represent the benefits of using a higher strength reinforcing fiber with a thermally compatible base material to allow the stress from the base material to be transferred to the fiber in an efficient manner.
Wie aus dem Vergleich der Kurve 2, welche die vorliegende Erfindung repräsentiert und der Kurve 3, die ein nach einem verschiedenartigen Verfahren hergestelltes Teil repräsentiert, zu ersehen ist, liefert die vorliegende Erfindung einen hochfesten, zähen, verstärkten keramischen Verbundstoff, hergestellt ohne ein Verdichtungsverfahren bei ultrahoher Temperatur. Dies erfolgt in der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung eines keramischen Precursors, der sich bei einer niedrigeren Temperatur zu einer keramischen Phase zersetzt, welche die keramischen Teilchen und die verstärkenden Fasern miteinander zu einem Verbundstoff-Teil verbindet.As can be seen from the comparison of Curve 2 representing the present invention and Curve 3 representing a part made by a variety of methods, the present invention provides a high strength, tough, reinforced ceramic composite made without a densification process ultra-high temperature. This is accomplished in the present invention by the use of a ceramic precursor which decomposes at a lower temperature to a ceramic phase which joins the ceramic particles and the reinforcing fibers together to form a composite part.
Typisch für Bauteile, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, ist eine flügelartig geformte Verstrebung, brauchbar in einem heißen Abschnitt eines Gas-Turbomotors, und gezeigt in der fragmentarischen perspektivischen Schnittansicht von Fig. 2. Die ganz allgemein mit 10 bezeichnete Verstrebung umfaßt einen Verstrebungskörper 12 mit einer Profilvorderkante 14 und einer Profilhinterkante 16. Die Verstrebung 10 wird manchmal wegen der Anwesenheit einer Vielzahl von Hohlräumen 18 darin, die durch Rippen 20 getrennt sind, als eine Hohlverstrebung bezeichnet.Typical of components that can be made in accordance with the present invention is a wing-like brace, useful in a hot section of a gas turbomachine, and shown in the fragmentary perspective sectional view of Fig. 2. The brace, generally indicated at 10 , includes a brace Bracing body 12 with a profile leading edge 14 and a profile trailing edge 16 . The strut 10 is sometimes referred to as a hollow strut because of the presence of a plurality of cavities 18 therein separated by fins 20 .
Die Verstrebung 10 kann hergestellt werden, indem man eine Vielzahl von Schichten, wie Lamellen, Scheiben, Bänder, etc., hergestellt wie oben beschrieben, vorsieht. Die fragmentarische Schnittansicht von Fig. 3 ist schematisch und repräsentativ für die Anordnung derartiger Schichten, identifiziert bei 22, um Formierblöcke 24 herum, wie von Aluminium, als Anfangsformation der Vorform-Konfiguration eines Teils der Verstrebung von Fig. 2 in Beziehung zu der Form der fertiggestellten Verstrebung. In Wirklichkeit wird jede Schicht für dieses Bauteil eine Dicke aufweisen, abhängig von Faser und Form, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Beispielsweise liegen typische Dickenabmessungen im Bereich von etwa 0,008 bis 0,020 inches (0,2032 bis 0,508 mm). Jedoch ist die Zahl der tatsächlich zur Herstellung einer derartigen laminierten Struktur benötigten Schichten, wie dies dem Fachmann bekannt ist, viel größer als die der Einfachheit halber in Fig. 3 gezeigten Schichten. Zusätzliche Einzelfasern 25 sind zwischen den Schichten innerhalb potentieller Zwischenräume zwischen den Schichten an den Krümmungsbereichen der Kanten der Blöcke 24 zur Verringerung von Poren angeordnet. The brace 10 can be made by providing a plurality of layers, such as sipes, discs, bands, etc., made as described above. The fragmentary sectional view of FIG. 3 is schematic and representative of the arrangement of such layers, identified at 22 , around forming blocks 24 , such as aluminum, as an initial formation of the preform configuration of a portion of the brace of FIG. 2 in relation to the shape of FIG finished brace. In reality, each layer will have a thickness for this component, depending on fiber and shape, as known to those skilled in the art. For example, typical caliper dimensions range from about 0.008 to 0.020 inches (0.2032 to 0.508 mm). However, as is known to those skilled in the art, the number of layers actually required to produce such a laminated structure is much greater than the layers shown in FIG. 3 for the sake of simplicity. Additional individual fibers 25 are interposed between the layers within potential interstices between the layers at the curvature portions of the edges of the pore reduction blocks 24 .
Nach Formierung des Bauteils von Fig. 3, zusammengesetzt um die Formierblöcke 24, wird die Anordnung innerhalb von geeignet geformten, zusammenpassenden formenden Formen 26 A und 26 B in Fig. 4 zum Zweck der Laminierung des Bauteils in eine geeignete Artikel-Vorform placiert. Typischerweise wird ein Druck, repräsentiert durch Pfeile 28, im Bereich von etwa 150 bis 1000 pounds per square inch (10,34 bis 68,95 bar) auf das Bauteil angewandt, während es erhitzt wird, beispielsweise im Bereich von 150° bis 400°F (65,56° bis 204,44°C) für eine adäquate Zeit, um das Zustandekommen einer sachgemäßen Laminierung zu ermöglichen. Eine derartige Temperatur ist nicht ausreichend, um das Zustandekommen einer Verdichtung der Konstruktionsmaterialien zu ermöglichen.After formation of the component of Fig. 3, assembled around the Formierblöcke 24, the assembly is placed for the purpose of lamination of the component in a suitable product preform within suitably shaped mating forming dies 26 A and 26 B in Fig. 4. Typically, a pressure, represented by arrows 28 , in the range of about 150 to 1000 pounds per square inch (10.34 to 68.95 bar) is applied to the component while it is being heated, for example in the range of 150 ° to 400 ° F (65.56 ° to 204.44 ° C) for an adequate time to allow proper lamination to occur. Such a temperature is not sufficient to allow the densification of the construction materials to occur.
Nach der Laminierung wird die so gebildete Vorform aus den formenden Formen entfernt und die formierenden Blöcke entfernt. Die Vorform wird dann in einen Ofen placiert und auf eine Temperatur unterhalb 1000°C in einer gesteuerten Weise erhitzt, um Bindemittel und Weichmacher zu entfernen, und dann auf eine Verarbeitungstemperatur, bei welcher kein Faserabbau erfolgt, wie beispielsweise 1000°C oder darüber, erhitzt, um die Vorform zu einem im wesentlichen dichten keramischen Grundmaterial-Verbundstoff-Gegenstand von Fig. 2 zu sintern.After lamination, the preform thus formed is removed from the forming molds and the forming blocks are removed. The preform is then placed in an oven and heated to a temperature below 1000 ° C in a controlled manner to remove binder and plasticizer and then heated to a processing temperature at which no fiber degradation occurs, such as 1000 ° C or above to sinter the preform into a substantially dense ceramic matrix composite article of FIG. 2.
Die gleichzeitig eingereichte, verwandte Patentanmeldung mit dem Titel "Verdichteter Bauteil und Verfahren und Vorform zur Herstellung" (Anmelder-Nr.: 12 662,5-13DV-09 230), auf welche hier ausdrücklich Bezug genommen wird, spricht das Problem der Schrumpfung von verdichteten keramischen Teilchen und der resultierenden Porosität an. Gemäß der Erfindung der vorstehend genannten Anmeldung wird einer derartigen Schrumpfung entgegengewirkt, indem man mit den keramischen Teilchen vor der Verdichtung Teilchen eines anorganischen Füllstoffs mischt, der eine Netto-Expansion bezüglich der keramischen Teilchen während des Erhitzens auf die Verdichtungstemperatur aufweist. Untersucht in der Bewertung dieser Erfindung sind die anorganischen Füllstoff-Materialien von lattenartiger Kristallform, die in der nachfolgenden Tabelle III identifiziert sind.The simultaneously filed, related patent application with entitled "Compressed component and method and preform for the production "(Appl. No .: 12 662.5-13DV-09 230) which is expressly referred to, speaks that Problem of shrinkage of compacted ceramic particles and the resulting porosity. According to the invention the above-mentioned application becomes such Counteracted shrinkage by mixing with the ceramic Particles before compaction particles of an inorganic Filler mixes, which has a net expansion of the ceramic particles during heating to the densification temperature having. Examined in the rating of this invention are the inorganic filler materials of pale-like crystal form, which in the following Table III are identified.
Derartige Füllstoff-Materialien können in einer Form der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um der während des Erhitzens auf die Verarbeitungstemperatur gebildeten Porosität entgegenzuwirken. Der Anteil des Füllstoffs in der obigen Mischung ist so ausgewählt, daß die Expansion des Füllstoffs einer derartigen Porosität, wie auch immer erzeugt, entgegenwirkt. Such filler materials may be in a form of the present Invention used to during the heating Porosity formed on the processing temperature counteract. The proportion of the filler in the above Mixture is chosen so that the expansion of the filler any such porosity, however generated, counteracts.
Wenn der anorganische Füllstoff der verwandten Anmeldung in der Grundmaterial-Mischung der vorliegenden Erfindung der keramischen Teilchen und des Precursors, und gegebenenfalls des Bindemittels, enthalten ist, kann ein derartiger Füllstoff in einer Menge von beispielsweise bis zu etwa 50 Gewichtsprozent der Summe der Keramik, des Precursors, des gegebenenfalls enthaltenen Bindemittels und des Füllstoffs, enthalten sein. Der Anteil ist so ausgewählt, daß die Expansion des Füllstoffs der Porosität entgegenwirkt. Eine derartige Porosität könnte von der Schrumpfung der keramischen Teilchen herrühren, jedoch tritt ein hauptsächlich bei der niedrigeren Verarbeitungstemperatur von der Überführung oder der Volumenänderung von Materialien während des Erhitzens der Vorform der vorliegenden Erfindung in einer oxidierenden Atmosphäre auf, wie dies hierin beschrieben wurde. Typischerweise wird die porositätssteuernde Mischung der Keramik-Teilchen und des Füllstoffs 50 bis 93 Gewichtsprozent keramische Teilchen und 7 bis 50 Gewichtsprozent anorganischen Füllstoff betragen, wobei die porositätssteuernde Mischung mehr als 40 Gewichtsprozent bis zu etwa 90 Gewichtsprozent der Grundmaterial-Mischung von Teilchen, Precursor und gegebenenfalls Bindemittel repräsentiert. Bevorzugt als anorganische Füllstoff-Materialien sind diejenigen, welche in der obigen Tabelle III angeführt sind und die eine lattenartige Kristallform aufweisen. Insbesondere wurde gefunden, daß Pyrophyllit und Wollastonit als Füllstoffe besonders brauchbar sind. Ebenso erhöhen verstärkende Fasern, welche relativ zu der Grundmaterial-Mischung expandieren, wie dies in der Offenbarung der ausdrücklich angezogenen verwandten Anmeldung beschrieben ist, die Fähigkeit der Verarbeitung der Vorform bei Umgebungsdruck.When the inorganic filler of the related application is in the base material blend of the present invention the ceramic particles and the precursor, and optionally of the binder, may contain such a filler in an amount of, for example, up to about 50% by weight the sum of the ceramic, the precursor, the optionally contained binder and the filler, be included. The proportion is selected so that the expansion the filler counteracts the porosity. Such Porosity could be due to the shrinkage of the ceramic Particles, but occurs mainly in the lower processing temperature of the transfer or the volume change of materials during heating the preform of the present invention in an oxidizing Atmosphere, as described herein. Typically, the porosity controlling mixture becomes the ceramic particles and the filler 50 to 93 weight percent ceramic particles and 7 to 50% by weight of inorganic Be filler, wherein the porositätssteuernde mixture more than 40% by weight up to about 90% by weight the base material mixture of particles, precursor and optionally represents binder. Preferred as inorganic filler materials are those which in the above Table III and the one lath-like Have crystal form. In particular, it has been found that pyrophyllite and wollastonite as fillers especially are usable. Likewise, reinforcing fibers increase which expand relative to the base material mixture, as stated in the disclosure of the expressly drawn related application, the ability of processing the preform at ambient pressure.
Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit typischen, obwohl nicht beschränkenden Beispielen und Ausführungsformen von deren verwandten Daten beschrieben. Jedoch ist es für einen auf diesem Gebiet einschlägigen Fachmann ohne weiteres zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche umfaßt.The present invention has been described in connection with typical, although not limiting examples and embodiments from their related data. however it is for a person skilled in the art readily recognize that the present invention a multitude of modifications and variations within the scope of the following claims.
Auf alle in der vorliegenden Beschreibung angeführten Patentschriften und Veröffentlichungen wird ausdrücklich Bezug genommen und der Offenbarungsgehalt aller dieser Veröffentlichungen durch diese Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung integriert.For all patents cited in the present specification and publications are expressly incorporated by reference and the disclosure of all these publications by this reference in its entirety in the present Registration integrated.
Claims (20)
Bereitstellen eines Keramikgrundmaterial-Precursors, der sich beim Erhitzen in eine Keramik-Phase umwandelt, einer Flüssigkeit, kompatibel mit dem Precursor und keramisches diskontinuierliches Material enthaltend Teilchen,
Zusammenmischen des Keramikgrundmaterial-Precursors, der Flüssigkeit und des diskontinuierlichen Materials in eine Grundmaterialmischung-Aufschlämmung, in welcher die keramischen Teilchen und der Precursor im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind,
Bereitstellen einer Vielzahl von oxidationsstabilen verstärkenden Fasern,
Vermischen der Grundmaterialmischung-Aufschlämmung um die Fasern herum, um eine Prepreg-Vorform vorzusehen,
Erhitzen der Vorform in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Verarbeitungstemperatur von zumindest einer zur Umwandlung des Precursors in eine keramische Phase erforderlichen Temperatur und unterhalb einer Temperatur, die zu einem Abbau der Keramik in der Vorform zur Umwandlung des Keramikgrundmaterial-Precursors in Keramik-Phase führt, welche keramische Teilchen aus der Aufschlämmung in ein keramisches Grundmaterial um die Fasern herum bindet und zur Bereitstellung eines umweltmäßig stabilen, hochfesten, in hohem Maße gegen Bruch resistenten Keramikgrundmaterialfaserverstärkten Verbundstoff-Bauteils.A process for producing a fiber-reinforced ceramic base composite component characterized in that it comprises the steps of:
Providing a ceramic base precursor that converts to a ceramic phase upon heating, a liquid compatible with the precursor and ceramic discontinuous material containing particles,
Mixing together the ceramic base precursor, the liquid and the discontinuous material into a masterbatch slurry in which the ceramic particles and the precursor are substantially evenly distributed,
Providing a plurality of oxidation-stable reinforcing fibers,
Mixing the base material mixture slurry around the fibers to provide a prepreg preform,
Heating the preform in an oxidizing atmosphere at a processing temperature of at least one temperature required to convert the precursor to a ceramic phase and below a temperature that results in degradation of the ceramic in the preform ceramic substrate precursor ceramic phase precursor bonding ceramic particles from the slurry into a ceramic matrix material around the fibers and providing an environmentally stable, high strength, high strength, crack resistant ceramic base material fiber reinforced composite component.
- a) Keramische Teilchen im Bereich von größer als 40 Gewichtsprozent bis zu etwa 90 Gewichtsprozent der Summe der keramischen Teilchen und des keramischen Precursors, und
- b) keramischen Precursor im Bereich von etwa 10 bis 40 Gewichtsprozent der erwähnten Summe, und wobei die verstärkenden Fasern etwa 10 bis 50 Volumprozent des Verbundstoff-Bauteils betragen.
- a) ceramic particles ranging from greater than 40 weight percent to about 90 weight percent of the sum of the ceramic particles and the ceramic precursor, and
- b) ceramic precursor in the range of about 10 to 40 weight percent of said sum, and wherein the reinforcing fibers are about 10 to 50 volume percent of the composite component.
70 bis 80 Gewichtsprozent der Summe der keramischen Teilchen, des keramischen Precursors und des Bindemittels, wobei die keramischen Teilchen 50 bis 80 Gewichtsprozent, der keramische Precursor 10 bis 30 Gewichtsprozent und das Bindemittel 1 bis 20 Gewichtsprozent der Summe betragen, und
20 bis 30 Gewichtsprozent der Flüssigkeit als eine organische Flüssigkeit.6. The method according to claim 5, characterized in that the base material mixture slurry contains:
70 to 80 weight percent of the sum of the ceramic particles, the ceramic precursor and the binder, wherein the ceramic particles 50 to 80 weight percent, the ceramic precursor 10 to 30 weight percent and the binder 1 to 20 weight percent of the sum, and
20 to 30 percent by weight of the liquid as an organic liquid.
- (a) keramische Teilchen im Bereich von größer als 40 Gewichtsprozent bis zu etwa 90 Gewichtsprozent der Summe der keramischen Teilchen, des keramischen Precursors, des anorganischen Bindemittels und des Füllstoffs,
- (b) keramischen Precursor im Bereich von etwa 10 bis 40 Gewichtsprozent der erwähnten Summe,
- (c) Bindemittel im Bereich von bis zu etwa 20 Gewichtsprozent der erwähnten Summe, und
- (d) anorganischen Füllstoff im Bereich von bis zu etwa 50 Gewichtsprozent der erwähnten Summe.
- (a) ceramic particles ranging from greater than 40 weight percent to about 90 weight percent of the sum of the ceramic particles, the ceramic precursor, the inorganic binder and the filler,
- (b) ceramic precursor in the range of about 10 to 40 percent by weight of said sum,
- (c) binders in the range of up to about 20% by weight of said sum, and
- (d) inorganic filler in the range of up to about 50 percent by weight of said sum.
- (a) die keramischen Teilchen im Bereich von etwa 50 bis 80 Gewichtsprozent der erwähnten Summe vorliegen,
- (b) der keramische Precursor im Bereich von etwa 10 bis 30 Gewichtsprozent der erwähnten Summe ist,
- (c) das Bindemittel im Bereich von etwa 1 bis 20 Gewichtsprozent der erwähnten Summe ist und
- (d) der anorganische Füllstoff im Bereich von etwa 7 bis 50 Gewichtsprozent der erwähnten Summe ist.
- (a) the ceramic particles are in the range of about 50 to 80 percent by weight of said sum,
- (b) the ceramic precursor is in the range of about 10 to 30 percent by weight of said sum,
- (c) the binder is in the range of about 1 to 20 percent by weight of said sum, and
- (d) the inorganic filler is in the range of about 7 to 50 percent by weight of said sum.
Eine Vielzahl von verstärkenden Fasern,
eine keramische Matrix, enthaltend um die verstärkenden Fasern herum vermischt keramische Teilchen, und
eine keramische Bindungsphase, welche die keramischen Teilchen und die verstärkenden Fasern miteinander verbindet.A fiber reinforced composite member of improved environmental resistance and improved combination of high strength and high fracture resistance, characterized in that it contains:
A variety of reinforcing fibers,
a ceramic matrix containing ceramic particles mixed around the reinforcing fibers, and
a ceramic bonding phase which bonds the ceramic particles and the reinforcing fibers together.
die keramische Bindungsphase im Bereich von etwa 1 bis 20 Gewichtsprozent der genannten Summe ist, und
die verstärkenden Fasern im Bereich von etwa 10 bis 50 Volumprozent des Bauteils sind.19. Component according to claim 14, characterized in that the ceramic particles are in the range of about 7 to 50 weight percent of the sum of the ceramic particles and the ceramic bonding phase,
the ceramic bonding phase is in the range of about 1 to 20 percent by weight of said sum, and
the reinforcing fibers are in the range of about 10 to 50 volume percent of the component.
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