[发明专利]制造包括陶瓷基质的复合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及部分由强化的复合材料制成的零件的制造。

具体地，本发明涉及制造由陶瓷基质复合材料制成的零件的方法。

背景技术

由陶瓷基质复合材料(也称为CMC材料)制成的零件特征在于显著的机械特性，尤其是在硬度、韧性、耐磨性以及对机械和热冲击的耐性方面。

归因于这些特殊特性，由陶瓷基质复合材料制成的零件在多个应用领域例如诸如在航空(制动器的制动盘，高温时操作的反应堆的结构的零件等)、燃气涡轮(在高温操作的结构的零件)、核领域(用于SFR反应堆(换句话说，钠冷却快中子反应堆)、用于GFR反应堆(换句话说气冷式快反应堆)或代替用于PWR反应堆(换句话说压水反应堆)的包壳；用于制造控制棒的材料等)中是特别好的并且已被使用或者甚至被展望。

由陶瓷基质复合材料制成的零件是由陶瓷材料和自身也是由陶瓷材料制成的纤维构成的；通常，所述纤维是由碳或碳化硅制成的。所述纤维使得所述零件具有良好的机械强度，而作为存在于所述纤维之间的材料的基质具有将所述纤维固结在一起并且赋予所述零件粘聚力的功能。

制造由陶瓷基质复合材料制成的零件的第一个步骤为从连续或不连续的陶瓷纤维(例如由碳化硅或碳制成的纤维)的线生产多孔纤维性的预制品。所用的每条线可包含多达几百条纤维或者甚至几千条或几万条纤维。

在第一个步骤结束时获得的预制品通常要求为干的预制品；其具有很好的柔性和高孔隙率

纤维性预制品是具有所述形状并且具有有待生产的零件的尺寸的纤维加强件。这一预制品(以及，因此，有待生产的零件)可具有所有类型的形状。

例如，在生产板式的物体/零件的范围内，编织技术通常被用于生产预制品。之后获得如图1中所示的预制品1，其中线2是编结的。

为了生产管，例如使用编辫技术或替代的纤维缠绕的技术是可以的，其非常好地适用于具有旋转轴的物体。之后获得如图1b中所示的预制件1。

为了使得最终的零件坚硬并且给予其令人感兴趣的机械表征，之后必须进行已知为致密化的步骤，其通常为用一种或多种致密的陶瓷相（碳、碳化硅等）填充干的预制品的孔隙并且形成所述复合物的基质。

这一致密化步骤可通过不同技术进行，最常见的是CVI(化学气相浸渗)和PIP(聚合物浸渗和热解)。

无论用何种技术进行致密化，必须使用用作预制品的支承元件的工具，以便控制期望获得的复合零件的机械表征和最终的几何形状。这些工具必须在这些方法所需要高温（1000℃或以上）与纤维性预制品和所用的制品（气体和/或液体）相容。

作为实例，对于制造板式的零件或物体来说，以受控的方式将干的预制品保留在之后会被移走的两个石墨板之间（被规则间隔的孔穿过以使得预制品可以接近前体气体或液体）。

在制造具有旋转轴的零件，例如管，的范围内，可在石墨芯轴上进行对干的预制品的编辫或任何其他适合的成型技术

所用的工具通常由石墨制成，因为除了具有最适度的成本之外，石墨在致密化方法所需要的高温时具有与大多数陶瓷纤维性加强件（碳、碳化硅等）的良好的相容性。

然而，石墨也有一些缺点。

石墨的一个缺点是它的低刚性（20和30Gpa之间的弹性模量E），这使得其难以用于成型具有长的长度但直径小的零件例如管。这是为什么在编辫或获得线的其他技术操作期间需要芯轴作为支承元件的原因，避免使用石墨芯轴是所期望的。

而且，石墨是易碎的，这使得其难以在长的长度上遵守零件的尺寸和公差。

最后，石墨具有在通常所用的纤维性加强件的致密化步骤（CVI、PIP等）之后需要特别小心移除的缺点。

事实上，致密化步骤之后，石墨在大部分时间保持与由此形成的陶瓷复合材料的强力结合。于是必须通过借助于在400℃和500℃之间的石墨的受控氧化来移除石墨工具。

然而，这一氧化是长时间的步骤，昂贵并且其可导致复合材料的降解。而且氧化通常使得不能获得所述工具的彻底移除。

建议使用加工技术获得所述工具的彻底移除；然而，这些加工技术可导致所述复合物的改变，而无法保证与所述工具接触的零件的表面（界面）上对尺寸和严格公差的遵守。

因此应当理解的是使用石墨工具可能适于制造对与工具接触的零件的表面的机械表征的保证和几何形状的遵守不是根本性的零件（例如诸如具有旋转轴的零件的内表面）；然而不能预期将其用于制造要求对这些参数严格限制的零件

因此发明人自己设定了设计不具有现有技术缺点的制造方法的目标。