[发明专利]具有陶瓷基体的复合材料部件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有陶瓷基体的复合材料部件，特别地但不排他地涉及用于航空发动机或火箭发动机的部件。

背景技术

陶瓷基体复合材料(CMC)由通过陶瓷基体致密化的纤维增强件(碳纤维或陶瓷纤维)组成。陶瓷基体复合材料的机械性质和耐温性使其适合用于在使用过程中暴露于高温的结构部件。

然而，在热机械应力的作用下，常常在CMC的制备时，CMC易于裂化。为了避免纤维增强件的纤维由于裂纹通过基体传播而导致的破碎，并且为了避免由此导致的机械性质的迅速恶化，公知的是在纤维和基体之间设置脆化缓解界面(interphase de défragilisation)。这种界面通常具有层状结构或质地的材料制成，当裂纹到达界面时，所述材料能够通过局部剥离(déliaison)而耗散裂化能量，从而使裂纹在界面内偏离。脆化缓解界面的组成材料特别为具有层状结构的热解碳PyC和氮化硼BN。可参照文献US 4 752 503和US 5 026 604。可使用其他材料，例如，如掺硼碳BC和硅碳化钛(carbosiliciure de titane)Ti₃SiC₂。

在腐蚀环境(氧化或潮湿介质)内使用的情况中，当纤维或界面由对这种腐蚀环境敏感的材料(如碳)制成时，有利的是避免经由裂化而到达增强件的纤维或到达纤维/基体界面的便利通道。

为此目的，已经提出至少部分通过自愈合(auto-cicatrisante)陶瓷相来制备基体，所述自愈合陶瓷相由这样的材料制成，所述材料能够在氧的存在下形成玻璃，所述玻璃能通过在CMC材料的使用温度下变成流体状态而导致裂纹的堵塞或愈合。愈合陶瓷相例如包含能够形成硼硅酸盐玻璃的元素Si、B和C。可参照例如文献US 5 965 266。

还提出在裂纹到达纤维/基体界面之前，通过由数个陶瓷层形成基体并同时在两个相邻的基体层之间设置裂纹-转向(déviatrice de fissures)界面，从而在所述基体内耗散裂化能量，所述基体相也能够自愈合。可参照例如文献US 5 074 039和US 6 068 930。

然而，自愈合基体相的效力局限于特定温度范围。如在本领域中提出的在基体相之间引入裂纹-转向界面也具有随时间的有限效力，通过裂纹在界面中的传播而产生的剥离能够导致CMC材料随时间的剥落(écaillage)。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种CMC部件，其在腐蚀环境中在高达至少1000℃，甚至高达至少1200℃的高温下具有更长的使用寿命。

该目的由包含通过基体进行致密化的纤维增强件的CMC部件实现，所述基体由多个陶瓷层组成，所述多个陶瓷层具有位于两个相邻的陶瓷基体层之间的裂纹-转向基体界面，其中所述界面包含：

第一相，所述第一相由能够促进根据在横向方向上的第一传播模式通过与所述界面相邻的两个陶瓷基体层之一到达所述界面的裂纹的转向的材料制成，从而使得所述裂纹的传播根据第二传播模式沿着所述界面继续，和

第二相，所述第二相由离散的接触垫组成，所述接触垫分布于所述界面内，并能够促进根据所述第二传播模式沿着所述界面传播的裂纹的转向，从而使得所述裂纹的传播被转向，并根据所述第一传播模式通过与所述界面相邻的另一陶瓷基体层继续。

在包含具有在两个相邻基体层之间的界面的数个基体层的CMC材料中，本文中本申请人区别在所述基体层中在横向方向上的第一裂纹传播模式(或模式I)，和在界面中或在所述界面与相邻的基体层之间的分界面处沿着所述界面的第二纵向传播模式(模式II)。

本发明的显著之处在于，界面能够通过从第一传播模式变化至第二传播模式以确保使到达界面的裂纹偏离相邻的基体相，继而通过从第二传播模式变化回第一传播模式而将裂纹重定向至另一相邻的基体相。以此方式，通过限制在界面层内的剥离程度而降低了剥落的风险，并且通过在延伸路径(周围的介质通过所述路径可潜在地接近纤维增强件的纤维或纤维/基体界面)的裂纹上施加扭曲的路程而增强了对腐蚀环境的抗性。

在一个实施方案中，组成所述第二相的离散的接触垫在所述两个陶瓷基体层之间进行局部桥连。然后所述离散的接触垫通过在与所述界面相邻的基体层之间进行机械连接功能而形成又一连结相。所述离散的接触垫可由陶瓷(例如碳化硅SiC)、另一结构碳化物或结构氮化物制成，并可与所述两个相邻的陶瓷基体层之一整体形成。

优选地，所述离散的接触垫占据的所述界面的表面分数为20％和80％之间。