ДЕТАЛЬ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С КЕРАМИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B32B18/00 B32B5/22 C04B35/80 C04B41/87 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к деталям из композиционного материала с керамической матрицей, в частности, но не исключительно к деталям авиационных или ракетных двигателей.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Композиционные материалы с керамической матрицей (CMC - от франц. "materiaux composites a matrice ceramique") образованы волокнистым каркасом из углеродных или керамических волокон, уплотненным керамической матрицей. Механическая прочность и температурная стойкость этих материалов делают их пригодными для использования в качестве материала для конструктивных деталей, подвергающихся при эксплуатации воздействию высоких температур.

Однако композиционные материалы с керамической матрицей подвержены растрескиванию под действием термомеханических напряжений, причем часто уже при их изготовлении. Для предотвращения разрыва волокон волокнистого каркаса при распространении трещин через матрицу и, в результате этого, быстрого ухудшения механических свойств хорошо известен способ включения между волокнами и матрицей межфазного слоя, снижающего хрупкость. В характерном случае такой межфазный слой образован из материала слоистой структуры или текстуры. Когда трещина доходит до межфазного слоя, он способен рассеивать энергию растрескивания путем локального расслаивания, так что трещина отклоняется внутрь межфазного слоя. Определяющими материалами межфазного слоя являются, в частности, пиролитический углерод РуС и нитрид бора BN, имеющие слоистую структуру. В этом отношении можно сделать ссылку на патентные документы US 4752503 и US 5026604. Могут использоваться также другие материалы, такие как легированный бором углерод ВС и силикокарбид титана Ti₃SiC₂.

В случае использования в коррозионной среде (окислительная или влажная среда) желательно избежать облегченного доступа через трещины к волокнам каркаса или к межфазному слою между волокнами и матрицей, когда волокна или межфазный слой образованы таким материалом, как углерод, чувствительный к коррозионной среде.

Для этого было предложено выполнять матрицу, по меньшей мере, частично содержащей самовосстанавливающуюся керамическую фазу из материала, способного в присутствии кислорода образовывать стекловидную массу, которая за счет перехода в текучее состояние при температурах использования композиционного материала с керамической матрицей может вызывать заполнение или закупоривание трещин. Самовосстанавливающаяся керамическая фаза содержит, например, элементы Si, В и С, способные образовывать боросиликатную стекловидную массу. В этом отношении можно сделать ссылку на патентный документ US 5965266.

Было также предложено рассеивать энергию растрескивания в глубине матрицы до того, как трещины достигнут межфазной области волокна/матрица путем формирования матрицы из множества слоев керамики с включением межфазного слоя отклонения трещин между двумя смежными слоями матрицы, при этом дополнительно фазы матрицы могут быть самовосстанавливающимися. В этом отношении можно сделать ссылку на патентные документы US 5074039 и US 6068930.

Однако эффективность самовосстанавливающихся фаз матрицы ограничена определенным диапазоном температур. Предложенное в решениях предшествующего уровня техники включение межфазных слоев отклонения трещин между фазами матрицы имеет также ограниченную по времени эффективность, а расслоение, вызываемое распространением трещин в межфазных слоях, со временем может приводить к отслаиванию композиционного материала с керамической матрицей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение получения детали из композиционного материала с керамической матрицей, имеющей увеличенный срок службы при высокой температуре, по меньшей мере, до 1000°С и даже, по меньшей мере, до 1200°С в коррозионной среде.

Решение поставленной задачи достигается в детали из композиционного материала с керамической матрицей, содержащей волокнистый каркас, уплотненный матрицей, образованной из множества слоев из керамики с включением матричного межфазного слоя, отклоняющего трещины между двумя смежными керамическими слоями матрицы, при этом межфазный слой включает:

- первую фазу из материала, способного содействовать отклонению трещины, которая достигла межфазного слоя согласно первому виду распространения в поперечном направлении через один из двух керамических слоев матрицы, смежных с межфазным слоем, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно второму виду распространения вдоль межфазного слоя, и

- вторую фазу, образованную дискретными контактными участками, распределенными в межфазном слое и способными содействовать отклонению трещины, которая распространяется вдоль межфазного слоя согласно второму виду распространения, таким образом, что распространение трещины отклоняется и продолжается согласно первому виду распространения поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный с межфазным слоем.

В композиционном материале с керамической матрицей, которая содержит множество слоев матрицы с межфазным слоем, включенным между двумя смежными слоями матрицы, здесь различаются первый вид распространения трещины (или вид I) в поперечном направлении в слоях матрицы и второй вид продольного распространения (или вид II) вдоль межфазного слоя в его толще или на уровне границы между межфазным слоем и смежным слоем матрицы.

Характерная особенность изобретения заключается в способности межфазного слоя обеспечивать отклонение трещины, которая достигла межфазного слоя от смежного слоя матрицы, с переходом от первого ко второму виду распространения, а затем перенаправление трещины к следующей смежной фазе матрицы с переходом от второго вида распространения вновь к первому виду распространения. При этом снижается риск отслаивания за счет ограничения протяженности разделения внутри межфазного слоя и увеличивается прочность в коррозионной среде за счет придания трещинам извилистой траектории, удлиняющей путь, по которому окружающая среда может проникать к волокнам волокнистого каркаса или к межфазному слою волокна/матрица.

В одном примере осуществления дискретные контактные участки, определяющие вторую фазу, образуют локальные мостики между двумя керамическими слоями матрицы. Таким образом, дискретные контактные участки определяют вторую связующую фазу, обеспечивая механическую функцию связи между слоями матрицы, смежными с межфазным слоем. Дискретные контактные участки могут быть керамическими, например, из карбида кремния SiC, из другого карбида или структурного нитрида, и могут быть сформированы заодно с одним из двух смежных керамических слоев матрицы.

Предпочтительно дискретные контактные участки занимают долю площади межфазного слоя от 20 до 80%.

Материал первой фазы межфазного слоя может быть выбран их группы, содержащей пиролитический углерод РуС, нитрид бора BN, легированный бором углерод ВС и силикокарбид титана Ti₃SiC₂.

Предпочтительно межфазный слой имеет толщину от 0,01 до 2 мкм.

Согласно другому аспекту задачей изобретения является также создание способа изготовления детали из композиционного материала с керамической матрицей в соответствии с данным выше определением.

Решение задачи достигается в способе, включающем изготовление волокнистой преформы и уплотнение волокнистой преформы матрицей, образованной из множества слоев из керамики с включением межфазного слоя, отклоняющего трещины между двумя смежными керамическими слоями матрицы, при этом межфазный слой выполняют из:

- первой фазы из материала, способного содействовать отклонению трещины, которая достигла межфазного слоя согласно первому виду распространения в поперечном направлении через один из двух керамических слоев матрицы, смежных с межфазным слоем, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно второму виду распространения вдоль межфазного слоя, и

- второй фазы, образованной дискретными контактными участками, распределенными в межфазном слое и способными содействовать отклонению трещины, которая распространяется вдоль межфазного слоя согласно второму виду распространения, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно первому виду распространения поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный с межфазным слоем.

Согласно первому предпочтительному примеру осуществления способа межфазный слой выполняют путем совместного отложения первой фазы и второй фазы способом химической инфильтрации из газовой фазы.

Согласно второму предпочтительному примеру осуществления способа межфазный слой выполняют путем отложения способом химической инфильтрации из газовой фазы с отложением на керамическом слое матрицы непрерывного слоя материала первой фазы, локального удаления материала отложенного слоя для формирования прерывистого слоя и заполнения образованных промежуточных пространств посредством отложения материала, составляющего вторую фазу. Заполнение промежуточных пространств может выполняться путем отложения керамического материала в ходе формирования следующего керамического слоя матрицы.

Согласно третьему предпочтительному примеру осуществления способа межфазный слой выполняют путем прерывистого отложения на керамическом слое матрицы материала или предшественника материала первой фазы для формирования отстоящих друг от друга изолированных участков и заполнения промежуточных пространств между изолированными участками посредством отложения материала, составляющего вторую фазу. Заполнение промежуточных пространств может выполняться путем отложения керамического материала в ходе формирования следующего керамического слоя матрицы.

В этом третьем примере осуществления можно выполнять прерывистое отложение путем образования в жидком носителе суспензии частиц материала или предшественника материала первой фазы, пропитки керамического слоя матрицы суспензией и удаления жидкого носителя для получения частиц, распределенных на поверхности керамического слоя матрицы.

Когда прерывистое отложение формируют из предшественника материала первой фазы, преобразование предшественника может осуществляться посредством химической реакции с газовой фазой в ходе формирования следующего керамического слоя матрицы.

В четвертом предпочтительном примере осуществления способа межфазный слой выполняют путем формирования на керамическом слое матрицы вкраплений, определяющих дискретные контактные участки второй фазы, и отложения слоя материала, определяющего вторую фазу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее изобретение будет описано на имеющих иллюстративный, но не ограничительный характер примерах выполнения со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:

на фиг.1 очень схематично показано распространение трещины в матрице из композиционного материала с керамической матрицей, включающей несколько керамических фаз матрицы, разделенных межфазными слоями отклонения трещин, в соответствии с решениями уровня техники,

на фиг.2 очень схематично показано распространение трещины в матрице из композиционного материала с керамической матрицей, включающей множество керамических фаз матрицы, разделенных межфазными слоями, в соответствии с изобретением,

на фиг.3 очень схематично показан пример межфазного слоя согласно изобретению,

на фиг.4А схематично показан другой пример межфазного слоя, а на фиг.4В показано распространение трещины с перенаправлением в этом межфазном слое,

на фиг.5А-5С показаны последовательные этапы примера формирования межфазного слоя по фиг.4А,

на фиг.6А и 6В показаны последовательные этапы другого примера формирования межфазного слоя по фиг.4А,

на фиг.7А-7С показаны последовательные этапы следующего примера формирования межфазного слоя по изобретению,

на фиг.8 показан снимок со сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующий совместное отложение C+SiC,

на фиг.9-11 показаны снимки со сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующие виды распространения трещин,

на фиг.12 показан снимок со сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующий вкрапления, образованные на поверхности керамической фазы,

на фиг.13 показан снимок со сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующий межфазный слой по изобретению между двумя слоями керамики.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 очень схематично показана часть известного композиционного материала с керамической матрицей, содержащей множество керамических слоев или фаз M₁, М₂, М₃, М₄ матрицы с включением межфазного слоя I₁₂, I₂₃, I₃₄ отклонения трещин между двумя смежными слоями матрицы. Межфазные слои выполнены из отклоняющего трещины материала, например, из РуС, BN, ВС или Ti₃SiC₂, таким образом, что трещина F, дошедшая до межфазного слоя I₃₄ в ходе поперечного распространения в слое М₄ матрицы (вид I распространения трещины), отклоняется для продолжения своего распространения вдоль межфазного слоя I₃₄ посредством расслоения внутри него или в межфазной области между межфазным слоем и смежным слоем М₄ или М₃ матрицы (вид II распространения трещины).

Таким образом устраняется или замедляется распространение трещины через всю матрицу до достижения ею волокон композиционного материала с керамической матрицей. Однако расслоение, соответствующее распространению вида II, связано с риском отслаивания композиционного материала с керамической матрицей.

На фиг.2 очень схематично показана часть композиционного материала с керамической матрицей в соответствии с изобретением, содержащей множество керамических слоев или фаз M₁, М₂, М₃, М₄ матрицы с включением смешанного межфазного слоя I₁₂, I₂₃, I₃₄ между двумя смежными слоями матрицы. Каждая смешанная матрица образована наложением двух фаз:

- первой разделительной фазы из отклоняющего трещину материала, способствующей отклонению вида II трещины, дошедшей до межфазного слоя по виду I, и

- второй фазы, образованной отдельными контактными вкраплениями (на фиг.2 не показаны), которые способствуют перенаправлению в вид I трещины, распространяющейся по виду II вдоль межфазного слоя.

Таким образом, трещина, которая доходит до межфазного слоя, распространяясь по виду I поперечно через керамический слой матрицы, отклоняется для распространения по виду II вдоль межфазного слоя на ограниченное расстояние перед тем, как вновь отклониться для продолжения распространения по виду I поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный межфазному слою.

При этом риск отслаивания устраняется или, по меньшей мере, значительно снижается. Кроме того, извилистая траектория трещин делает менее легким доступ коррозионных веществ вглубь материала.

Смешанный межфазный слой может иметь относительно малую толщину, например, от 0,01 до 2 мкм.

Смешанный межфазный слой, обладающий двойной способностью отклонять вид I в вид II и перенаправлять вид II в вид I, может быть получен различными путями.

Изготовление детали из композиционного материала с керамической матрицей, включающей множество слоев матрицы, разделенных межфазными слоями, известным образом включает следующие этапы:

(a) изготовление волокнистой преформы, которая имеет форму, соответствующую форме подлежащей изготовлению детали, причем преформа образована из углеродных или керамических волокон,

(b) формирование на волокнах межфазного слоя волокна/матрица, снижающего хрупкость, при этом межфазный слой может быть сформирован перед изготовлением волокнистой преформы,

(c) формирование керамического слоя матрицы,

(d) формирование межфазного слоя на керамическом слое матрицы,

(e) формирование керамического слоя матрицы,

(f) возможное повторение этапов от (с) до (е) один раз или больше.

Волокнистая преформа может быть получена, например, приданием формы волокнистым структурам, возможно, в виде наложенных друг на друга слоев, таких как холсты нитей, классические двухмерные ткани или трехмерные или многослойные ткани.

В том случае, когда подлежащая изготовлению деталь имеет относительно сложную форму, может быть выполнено упрочнение волокнистой преформы для ее закрепления в желаемой форме. Упрочнение может выполняться жидким способом путем пропитки жидкой упрочняющей композицией, содержащей полимер - предшественник углерода или керамики, и затем сшивания и пиролиза полимера. Способ упрочнения жидким способом преформ, предназначенных для изготовления деталей из композиционного материала с керамической матрицей, описан в заявке на патент Франции №0854937, принадлежащей тому же заявителю, что и заявка на настоящее изобретение.

Межфазный слой волокна/матрица, межфазные слои между керамическими слоями матрицы, как и керамические слои матрицы могут быть получены способом химической инфильтрации из газовой фазы (chemical vapor infiltration - CVI). Для этого при необходимости упрочненную волокнистую преформу помещают в печь и подают в печь реакционноспособную газовую фазу, содержащую один или больше предшественников подлежащего отложению материала. Условия процесса, а именно давление и температуру, выбирают такими, чтобы обеспечить возможность диффузии газовой фазы вглубь волокнистой преформы и сформировать желаемое отложение посредством разложения компонента газовой фазы или реакции между несколькими компонентами. После этого композицию реакционноспособной газовой фазы и при необходимости условия процесса химической инфильтрации из газовой фазы (температуру, давление, содержание предшественника в газовой фазе, время нахождения газовой фазы в печи и другие) изменяют при переходе от отложения слоя матрицы из данного материала к межфазному слою из другого материала (или наоборот). Можно сделать ссылку на указанные во вводной части описания документы в отношении изготовления способом химической инфильтрации из газовой фазы межфазных слоев, снижающих хрупкость, или керамических слоев матрицы.

Как будет указано дальше, межфазный слой может быть получен, по меньшей мере, частично другим способом, отличным от процесса химической инфильтрации из газовой фазы.

На фиг.3 очень схематично показан первый пример выполнения в соответствии с изобретением смешанного межфазного слоя 10 между двумя керамическими слоями 20 и 30 матрицы.

Межфазный слой 10 включает первую разделительную фазу 12 из материала, который способен вызывать отклонение трещины к виду II распространения путем разделения, и вторую фазу 14, образованную отдельными крупицами или вкраплениями, способными вызывать перенаправление трещины от вида II к виду I. Крупицы или вкрапления фазы 14 осуществляют связь путем образования локальных мостиков перекрытия между керамическими слоями 20 и 30 матрицы.

Разделительная фаза 12 может быть образована, например, из пиролитического углерода РуС, из нитрида бора BN, легированного бором углерода ВС (с содержанием от 5 до 20% атомной массы В и остальное С) или из фазы MAX, такой как Ti₃SiC₂. Определяющие связующую фазу 14 крупицы или вкрапления могут быть получены из керамики, например, карбида кремния SiC или из другого структурного карбида или нитрида.

Межфазный слой 10 может быть получен совместным отложением фаз 12 и 14 на керамический слой 20 матрицы. Так например, совместное отложение способом химической инфильтрации из газовой фазы фазы 12 из РуС и фазы 14 из SiC может быть выполнено при использовании реакционноспособной газовой фазы, образованной из метилтрихлоросилана (MTS) и водорода Н₂ с очень низким соотношением а между расходом Н₂ и MTS, например, α<1.

После формирования межфазного слоя 10 формируют следующий керамический слой 30. Таким образом последовательно формируют слои матрицы и межфазные слои.

На фиг.4А-4В очень схематично показан первый пример выполнения по изобретению смешанного межфазного слоя 110 между двумя керамическими слоями 120 и 130 матрицы.

Межфазный слой включает первую разделительную фазу 112 из материала, который способен отклонять трещину к виду II распространения, и вторую фазу 114, образованную дискретными контактными участками, которые осуществляют связь путем образования локальных мостиков перекрытия между керамическими слоями матрицы, будучи сформированными вместе с одним из слоев матрицы.

Первая разделительная фаза 112 может быть образована, например, РуС, BN, ВС или быть фазой МАХ, такой как Ti₃SiC₂.

Способ формирования межфазного слоя 110 показан на фиг.5А-5С.

После выполнения слоя 120 матрицы непрерывный слой 111 из материала разделительной фазы формируют способом химической инфильтрации из газовой фазы на слое 120 матрицы (фиг.5А).

Слой 111 убирают локально, оставляя изолированные участки 112, отделенные друг от друга (фиг.5 В). Локальное устранение слоя 111 может выполняться химическим или физическим травлением.

Далее способом химической инфильтрации из газовой фазы формируют слой 130 из керамического материала, который занимает промежуточные пространства между изолированными участками 112 для формирования контактных участков 114.

Другой пример формирования межфазного слоя 110 показан на фиг.6А и 6В.

После выполнения керамического слоя 120 матрицы изолированные участки 112а из материала разделительной фазы или из материала-предшественника материала разделительной фазы формируют на слое 120 (фиг.6А). Изолированные участки 112а отделены друг от друга.

Формирование изолированных участков 112а можно производить следующим образом:

- приготовление в жидком носителе суспензии частиц материала разделительной фазы или материала-предшественника материала разделительной фазы,

- пропитка слоя 120 матрицы суспензией и

устранение жидкого носителя, чтобы оставить изолированные частицы, распределенные на поверхности слоя 120 матрицы, закрепившиеся в порах поверхности слоя 120, в котором всегда имеется остаточная пористость, при этом частицы имеют размеры, выбранные таким образом, чтобы не превышать толщину подлежащего формированию межфазного слоя.

Изолированные участки 112а могут формировать разделительную фазу 112 либо непосредственно, либо посредством химической реакции с газовой фазой, подаваемой перед отложением следующего слоя 130 матрицы, или посредством химической реакции в ходе отложения этого слоя матрицы.

При этом можно формировать изолированные участки 112а из титана в качестве предшественника, который образует изолированные участки 112 из Ti₃SiC₂ посредством реакции с газовой фазой-предшественником SiC, используемой для формирования слоя 130 матрицы.

Керамический материал слоя 130 матрицы, который откладывается способом химической инфильтрации из газовой фазы, занимает промежуточные пространства между изолированными участками 112а для формирования контактных участков 114 (фиг.6В).

На фиг.7А-7С очень схематично показан еще один пример выполнения смешанного межфазного слоя в соответствии с изобретением.

Вкрапления 214, предназначенные для образования дискретных контактных участков второй фазы подлежащего формированию межфазного слоя, расположены на керамическом слое 220 матрицы (фиг.7А).

Вкрапления 214 могут быть получены способом химической инфильтрации из газовой фазы при выборе условий отложения, которые дают прерывистое отложение, образованное отдельными вкраплениями, а не непрерывный слой. Так например, вкрапления SiC или SiC+Si могут быть получены при использовании газовой фазы, включающей смесь MTS (метилтрихлоросилан), Н₂ и соляную кислоту HCl с соотношением α между расходом Н₂ и MTS и соотношением δ между расходом HCl и MTS, выбранными такими, что α предпочтительно составляет от 5 до 25, а δ предпочтительно составляет от 0,05 до 2.

Затем способом химической инфильтрации из газовой фазы формируют непрерывный слой 211 разделительной фазы на фазе 220 матрицы и вкраплениях 214 (фиг.7В). Разделительная фаза может быть образована, например, РуС, BN, ВС или быть фазой МАХ, такой как Ti₃SiC₂. При этом получают матричный межфазный слой 210, включающий вкрапления 214 и слой 211.

Далее на разделительной фазе 211 формируют следующий слой 230 матрицы.

Фазы 220 и 230 матрицы предпочтительно формируют способом химической инфильтрации из газовой фазы, при этом выполнение вкраплений 214 способом химического осаждения из газовой фазы позволяет последовательно выполнять этапы формирования фаз матрицы и межфазных слоев в одной печи при модификации композиции реакционноспособной газовой фазы.

Отложение на слое 220 матрицы твердых частиц, определяющих вторую фазу межфазного слоя, может производиться также путем образования суспензии твердых частиц малых размеров из керамики, например, SiC, в жидком носителе, пропитки слоя 220 матрицы суспензией и удаления жидкого носителя, чтобы оставить керамические частицы, распределенные на поверхности слоя матрицы, закрепившиеся в порах поверхности.

Далее будут описаны примеры изготовления межфазных слоев. В примерах межфазные слои были образованы на монолитных подложках, а не на композиционных подложках волокнистого каркаса, поскольку целью опытов было показать осуществимость и эффективность межфазных слоев.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1

На подложке из кремния формировали комплекс:

Sic/межфазный слой Sic+PyC/SiC/межфазный слой SiC+PyC/SiC, в котором:

- слои SiC являются стехиометрическими слоями, полученными известным образом способом химической инфильтрации из газовой фазы MTS+H₂ при температуре примерно 1000°С и под давлением примерно 5 кПа, при этом соотношение α между расходом Н₂ и MTS было равным примерно 6,

- межфазные слои SiC+PyC получены способом химической инфильтрации из газовой фазы MTS+H₂, что дало первую разделительную фазу РуС слоистой структуры и вторую фазу, образованную кристаллитами РуС, при этом условия были те же, что и при получении стехиометрического SiC за исключением соотношения α, которое было выбрано меньше 1.

За счет выбора для формирования каждого межфазного слоя соотношения α, равного примерно 0,1, и продолжительности 1,5 мин был получен межфазный слой толщиной примерно 30 нм, содержащий 80% атомной массы РуС и остальную массу, образованную кристаллитами SiC.

На фиг.8 показан полученный межфазный слой, а на фиг.9 показана траектория трещины, образованной ударом под нагрузкой. На фиг.9 кружками обозначены зоны изменения направления трещины (переход от вида I к виду II распространения).

Пример 2

Процедура была такой же, как в примере 1, но при выполнении каждого межфазного слоя соотношение α составляло 0,25, а продолжительность 5 мин. Был получен межфазный слой SiC+PyC толщиной примерно 0,3 мкм, содержащий 70% атомной массы РуС и остальную массу, образованную кристаллитами SiC.

На фиг.10 показана траектория трещины, образованной ударом под нагрузкой. Замечено отсутствие перехода от вида I к виду II во втором межфазном слое, такой переход с перенаправлением в вид I распространения произошел в первом межфазном слое.

Пример 3

Процедура была такой же, как в примере 1, но при выполнении каждого межфазного слоя соотношение α составляло 0,5, а продолжительность 5 мин. Был получен межфазный слой SiC+PyC толщиной примерно 0,2 мкм, содержащий 60% атомной массы РуС и остальную массу, образованную кристаллитами SiC.

На фиг.11 показана траектория трещины, образованной ударом под нагрузкой. Замечено отсутствие перехода от вида I к виду II распространения в двух межфазных слоях вследствие недостаточного присутствия разделительной фазы.

Пример 4

Вкрапления SiC+Si (SiC не стехиометрический, насыщенный Si) были сформированы на подложке SiC способом химического осаждения из газовой фазы с использованием газовой фазы MTS+H₂+HCl, при температуре примерно 1000°С и под давлением примерно 5 кПа, при этом соотношения α и δ составили соответственно примерно 8 и примерно 0,5, а продолжительность отложения составила примерно 30 мин.

На фиг.12 показаны полученные вкрапления SiC+Si. Они имеют средний диаметр, примерно равный 300 нм, среднюю высоту, равную примерно 100 нм, и среднее расстояние между вкраплениями, примерно равное 5 мкм.

Пример 5

На подложке из кремния формировали комплекс: Sic/межфазный слой (SiC+Si)+PyC/SiC, в котором:

- слои SiC являются стехиометрическими слоями, полученными известным образом способом химической инфильтрации, как в примере 1,

- межфазный слой (SiC+Si)+PyC получен способом химического осаждения из газовой фазы дискретных вкраплений SiC+Si и затем отложением непрерывного слоя РуС способом химической инфильтрации из газовой фазы.

Отложение способом химического осаждения из газовой фазы дискретных вкраплений SiC+Si (SiC не стехиометрический, насыщенный Si) было получено с использованием газовой фазы MTS+H₂+HCl, при температуре примерно 1000°С и под давлением примерно 5 кПа, при этом соотношения α и δ составили соответственно примерно 20 и примерно 0,5, а продолжительность отложения составила примерно 30 мин.

Отложение непрерывного слоя РуС было получено при использовании содержащей метан газовой фазы при температуре примерно 1000°С и под давлением примерно 5 кПа, продолжительность отложения составила примерно 2,5 мин.

На фиг.13 показан полученный межфазный слой средней толщины примерно 50 нм.

Изобретение относится к производству конструктивных деталей, подвергающихся при эксплуатации воздействию высоких температур, и касается детали из композиционного материала с керамической матрицей и способа ее изготовления. Содержит волокнистый каркас, уплотненный матрицей, образованной из множества слоев из керамики с включением матричного межфазного слоя, отклоняющего трещины между двумя смежными керамическими слоями матрицы. Межфазный слой включает первую фазу из материала, способного содействовать отклонению трещины, которая достигла межфазного слоя согласно первому виду распространения в поперечном направлении через один из двух керамических слоев матрицы, смежных с межфазным слоем, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно второму виду распространения вдоль межфазного слоя, и вторую фазу, образованную дискретными контактными участками, распределенными в межфазном слое и способными содействовать отклонению трещины, которая распространяется вдоль межфазного слоя согласно второму виду распространения, таким образом, что распространение трещины отклоняется и продолжается согласно первому виду распространения поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный с межфазным слоем. Изобретение обеспечивает создание детали из композиционного материала с керамической матрицей, имеющей увеличенный срок службы при высоких температурах в коррозионной среде. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 19 ил., 2 пр.

1. Деталь из композиционного материала с керамической матрицей, содержащая волокнистый каркас, уплотненный матрицей, образованной из множества керамических слоев с включением матричного межфазного слоя, отклоняющего трещины, расположенного между двумя смежными керамическими слоями матрицы, отличающаяся тем, что межфазный слой (10; 110; 210) включает:
- первую фазу (12; 112; 211) из материала, способного содействовать отклонению трещины, которая достигла межфазного слоя согласно первому виду распространения в поперечном направлении через один из двух керамических слоев матрицы, смежных с межфазным слоем, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно второму виду распространения вдоль межфазного слоя, и
- вторую фазу, образованную дискретными контактными участками (14; 114; 214), распределенными в межфазном слое и способными содействовать отклонению трещины, которая распространяется вдоль межфазного слоя согласно второму виду распространения, таким образом, что распространение трещины отклоняется и продолжается согласно первому виду распространения поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный с межфазным слоем.

2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что дискретные контактные участки, определяющие вторую фазу, образуют локальные мостики между двумя керамическими слоями матрицы.

3. Деталь по п.2, отличающаяся тем, что дискретные контактные участки выполнены из керамики.

4. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что дискретные контактные участки образованы заодно с одним из двух смежных керамических слоев матрицы.

5. Деталь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что дискретные контактные участки занимают долю площади межфазного слоя от 20 до 80%.

6. Деталь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что материал первой фазы межфазного слоя выбран из группы, содержащей пиролитический углерод РуС, нитрид бора BN, легированный бором углерод ВС и МАХ фазу, в частности, силикокарбид титана Ti₃SiC₂.

7. Деталь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что межфазный слой имеет толщину от 0,01 до 2 мкм.

8. Способ изготовления детали из композиционного материала с керамической матрицей, включающий изготовление волокнистой преформы и уплотнение волокнистой преформы матрицей, образованной из множества керамических слоев с включением межфазного слоя, отклоняющего трещины, расположенного между двумя смежными керамическими слоями матрицы, отличающийся тем, что межфазный слой выполняют из:
- первой фазы из материала, способного содействовать отклонению трещины, которая достигла межфазного слоя согласно первому виду распространения в поперечном направлении через один из двух керамических слоев матрицы, смежных с межфазным слоем, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно второму виду распространения вдоль межфазного слоя, и
- второй фазы, образованной дискретными контактными участками, распределенными в межфазном слое и способными содействовать отклонению трещины, которая распространяется вдоль межфазного слоя согласно второму виду распространения, таким образом, что распространение трещины продолжается согласно первому виду распространения поперечно через другой керамический слой матрицы, смежный с межфазным слоем.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что межфазный слой выполняют путем совместного отложения первой фазы и второй фазы способом химической инфильтрации из газовой фазы.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что межфазный слой выполняют путем отложения способом химической инфильтрации из газовой фазы с отложением на керамическом слое матрицы непрерывного слоя материала первой фазы, локального удаления материала отложенного слоя для формирования прерывистого слоя и заполнения образованных промежуточных пространств посредством отложения материала, составляющего вторую фазу.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что межфазный слой выполняют путем прерывистого отложения на керамическом слое матрицы материала или предшественника материала первой фазы для формирования отстоящих друг от друга изолированных участков и заполнения промежуточных пространств между изолированными участками посредством отложения материала, составляющего вторую фазу.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что прерывистое отложение выполняют путем образования в жидком носителе суспензии частиц материала или предшественника материала первой фазы, пропитки керамического слоя матрицы суспензией и удаления жидкого носителя для получения частиц, распределенных на поверхности керамического слоя матрицы.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что прерывистое отложение формируют из предшественника материала первой фазы, а преобразование предшественника осуществляется посредством химической реакции с газовой фазой в ходе формирования следующего керамического слоя матрицы.

14. Способ по любому из пп.10-13, отличающийся тем, что заполнение промежуточных пространств выполняют посредством отложения керамического материала в ходе формирования следующего керамического слоя матрицы.

15. Способ по п.8, отличающийся тем, что межфазный слой выполняют путем формирования на керамическом слое матрицы вкраплений, образующих дискретные контактные участки второй фазы, и отложения слоя материала, образующего вторую фазу.