(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックマトリックス（１８）複合材（ＣＭＣ）を形成する方法であって、
ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物を含むケイ素混合物を、セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォーム内に溶融含浸させることを含み、
前記ケイ素混合物は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物内にＢをさらに含む、方法。
【請求項２】
前記ケイ素混合物は、１４１４℃以下の含浸温度で前記セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォーム内に溶融含浸される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ケイ素混合物は、１４１５℃以上の含浸温度で前記セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォーム内に溶融含浸される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ケイ素混合物はＳｉＧａを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、０．１％〜２０％の原子百分率でＧａを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ケイ素混合物は、前記ケイ素混合物を前記セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォーム内に溶融含浸させた後に、７５原子％以上のＧａを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記ケイ素混合物はＳｉＩｎを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、０．１％〜２０％の原子百分率でＩｎを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ケイ素混合物は、前記ケイ素混合物を前記セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォーム内に溶融含浸させた後に、７５原子％以上のＩｎを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ケイ素混合物は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物と組み合わせてケイ素金属をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ケイ素混合物はＳｉＢＧａ、ＳｉＢＩｎ、又はそれらの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
溶融含浸後に、ＣＭＣから残留Ｇａ及び／又はＩｎを抽出すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記セラミックマトリックス（１８）複合材プリフォームは、セラミックマトリックス（１８）内に分散されたＳｉＣ繊維（１６）を含み、前記セラミックマトリックス（１８）はＳｉＣを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＳｉＣ繊維（１６）はその上にコーティングを有し、前記コーティングはＢＮを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）物品及びそれらの製造プロセスに関する。より具体的には、（例えば、ケイ素ガリウム合金及び／又はケイ素インジウム合金の）Ｇａ、Ｉｎ、及び／又はＢを含む溶浸材を使用して炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素複合材を形成する溶融含浸（ｍｅｌｔ  ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）プロセスが提供される。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、それらの効率を改良するために、より高い動作温度が絶えず求められている。高温性能の著しい進歩は、鉄系、ニッケル系、及びコバルト系超合金の配合によって達成されてきたが、代替材料が研究されてきた。ＣＭＣ材料は、それらの高温性能が冷却空気要件を大幅に低減することができるため、注目に値する例である。ＣＭＣ材料は一般に、セラミックマトリックス材料中に埋め込まれたセラミック繊維強化材料を含む。強化材料は、マトリックス材料中に分散された不連続短繊維、又はマトリックス材料内に配向された連続繊維もしくは繊維束であり得、そして、ＣＭＣの耐荷重性構成要素として働く。次に、セラミックマトリックスは補強材料を保護し、その繊維の配向を維持し、そして補強材料への荷重を消散させるのに役立つ。個々の繊維（フィラメント）は多くの場合、窒化ホウ素（ＢＮ）などの剥離剤（ｒｅｌｅａｓｅ  ａｇｅｎｔ）で被覆されて、繊維とセラミックマトリックス材料との間の滑りを制限し制御することを可能にする剥離層（ｄｅ−ｂｏｎｄ  ｌａｙｅｒ）を形成する。
【０００３】
連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）は、シュラウド、燃焼器ライナー、ベーン、ブレード、及びガスタービンエンジンの他の高温部品を含む様々な高温耐荷重用途に対して軽量、高強度、及び高剛性を提供するＣＭＣの一種である。ＣＦＣＣ材料は一般に、一方向配列の繊維を形成するように配列されるか、又は一方向配列のトウを形成するように配列されたトウに束ねられるか、又は二次元織物を形成するように織られるか、あるいは三次元織物を形成するように織られるか又は編み込まれているトウに束ねられ得る連続繊維（フィラメント）を特徴とする。三次元織物の場合、例えば、一組の一方向トウが互いに交差して織り込まれてもよい。高温用途にとって特に興味深いのは、マトリックス及び／又は強化材料としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのケイ素系複合材である。ＳｉＣ繊維はまた、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓ１３Ｎ４）、及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む様々な他のセラミックマトリックス材料のための強化材料としても使用されてきた。
【０００４】
ＣＭＣの製造は、典型的には、それぞれが所望のセラミック繊維強化材料、ＣＭＣマトリックス材料の１種以上の前駆体、及び有機樹脂バインダーを含む「テープ」の形態である複数のプリプレグ層の使用を含む。従来の実施によれば、プリプレグテープは、セラミック前駆体及びバインダーを含有するスラリーを強化材料に含浸させることによって形成することができる。前駆体のための好ましい材料は、ＣＭＣ成分のセラミックマトリックスに望まれる特定の組成、例えば、ＳｉＣ粉末及び／又は溶融Ｓｉとの反応で最終的にＳｉＣに変えられる１つ以上の炭素含有材料に依存する。他の典型的なスラリー成分は、プリプレグテープの柔軟性を促進する有機バインダー、及び繊維強化材料の含浸を可能にするためにスラリーの流動性を促進するバインダーのための溶媒を含む。
【０００５】
スラリーを部分的に乾燥させ、必要に応じてバインダーを部分的に硬化させた後（Ｂステージング）、得られたプリプレグテープを他のテープと重ね合わせ、次いでデバルクさせ、必要に応じて高圧及び高温に曝しながら硬化させて、プリフォームを製造する。次いで、プリフォームを真空又は不活性雰囲気中で加熱（焼成）してバインダーを分解し、溶媒を除去し、そして前駆体を所望のセラミックマトリックス材料に変える。バインダーの分解により、多孔質ＣＭＣ本体が得られ、これは溶融含浸（ＭＩ）を受けて気孔を充填し、そしてＣＭＣ成分を生じることができる。ＳｉＣマトリックスを製造するために使用される溶融含浸プロセスは、一般に、外部から供給される溶融ケイ素を多孔質ＣＭＣ本体に含浸させることを伴う。溶融ケイ素は気孔に含浸し、マトリックスの炭素含有量と反応して炭化ケイ素を形成し、そして気孔を充填して所望のＣＭＣ成分を生成する。
【０００６】
上述の方法で炭化ケイ素マトリックス中に炭化ケイ素繊維を含有するように製造されたＣＭＣ及びＣＦＣＣ物品は、残留ケイ素金属を含有し、これは典型的には、小さい粒径及び隣接粒子間の制限された結合性を有する炭化ケイ素粒子間に織り込まれた連続相にある。
【０００７】
このケイ素相は、約１２０４℃を超える温度で軟化して最終的に溶融し、ＭＩ  ＣＭＣの性能を制限する。さらに、たとえケイ素相が抽出プロセスによって除去されたとしても、ＣＭＣ中に得られる炭化ケイ素材料は多孔質であり、良好に結合されていないため、繊維に対して弱い相となっている。従って、加えることができる機械的荷重は、１２０４℃を超える温度ではケイ素抽出ＣＭＣに対してさえ制限されるが、なぜなら、マトリックスが効果的に割れて荷重を繊維に完全に伝達する可能性があるからである。そのような現象は、短いクリープ破断寿命をもたらす。
【０００８】
そのように、その製造方法と共に、より高温性能を有する改善されたＣＭＣが必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
態様及び利点は、以下の説明に部分的に記載されているか、又はその説明から明らかであり得るか、又は本発明の実施を通じて習得することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を形成する方法が一般に提供される。一実施形態では、本方法は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物を含むケイ素混合物をセラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸させることを含む。例えば、ケイ素混合物は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物と組み合わせて、ケイ素金属を含み得る。一実施形態では、ケイ素混合物はさらに、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物内に（例えば、ＳｉＢＧａ、ＳｉＢＩｎ、又はそれらの混合物の形態で）Ｂを含む。
【００１１】
一実施形態では、ケイ素混合物は、約１４１４℃以下の含浸温度で（例えば、約１３７５℃〜約１４１０℃の含浸温度で）セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される。代替の実施形態では、ケイ素混合物は、約１４１５℃以上（例えば、約１４２０℃〜約１５００℃）の含浸温度で、セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される。
【００１２】
本方法はさらに、溶融含浸の後、ＣＭＣからあらゆる残留Ｇａ及び／又はＩｎを抽出することを含むことができる。
【００１３】
これら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照してより良く理解されるであろう。本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、その説明と共に、本発明の特定の原理を説明するのに役立つ。
【００１４】
当業者に向けられた本発明の完全で有効な開示は、その最良の形態を含めて、添付の図面を参照して、本明細書に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】例示的なＣＦＣＣ物品の部分断面図を概略的に示す。
【図２】ＳｉＧａの相図を示し、Ｇａの相対量が増加するにつれてＳｉＧａの融点が低下することを示す。
【図３】ＳｉＩｎの相図を示し、Ｉｎの相対量が増加するにつれてＳｉＩｎの融点が低下することを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書及び図面での参照符号の繰り返しの使用は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。
【００１７】
ここで本発明の実施形態を詳細に参照し、その１つ又は複数の実施例を図面に示す。各実施例は本発明の説明として提供され、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明において様々な修正及び変形をなし得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示又は説明されている特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を生み出すことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内に入るようなそのような修正及び変形を網羅することが意図されている。
【００１８】
本明細書で使用される場合、用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある部品を別の部品と区別するために交換可能に使用され得、個々の部品の位置又は重要性を意味することを意図しない。
【００１９】
化学元素は、元素の周期表に一般的に見られるものなどの、それらの一般的な化学略語を使用して、本開示において議論される。例えば、水素はその一般的な化学略語Ｈによって表される；ヘリウムはその一般的な化学略語Ｈｅによって表される；など。
【００２０】
低融点ケイ素合金の融点（例えば、約１３５７℃）を超え、かつケイ素及びその低融点ケイ素の融点（例えば、少なくとも１４８０℃の温度まで）を超える動作温度で使用することができる、ＣＦＣＣ物品を含むＣＭＣ物品を形成する方法が一般に提供される。特定の実施形態では、ＣＭＣ材料は、強化材及び／又はマトリックス材料として炭化ケイ素を含有するＣＭＣなどのケイ素含有ＣＭＣ材料であり、その特定の例は、炭化ケイ素のマトリックス中の連続炭化ケイ素繊維である。しかしながら、窒化ケイ素のようなセラミック並びにケイ化ニオブ及びケイ化モリブデンのようなケイ化物（金属間化合物）を含む他のケイ素含有材料も、本発明の範囲内である。
【００２１】
特に、ＣＭＣ成分の形成中に使用される溶融含浸技術が一般に提供される。一実施形態では、溶融含浸技術は、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、又はそれらの混合物も含むケイ素含浸混合物を利用する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、ケイ素含浸混合物中にＧａ及び／又はＩｎを含めると、ケイ素含浸混合物の融点が（純粋ケイ素の融点約１４１４℃から）下がると考えられる。図２を参照すると、ＳｉＧａの相図が示されており、これは、Ｇａの相対量が増加するにつれてＳｉＧａの融点が低下することを示している。同様に、図３にはＳｉＩｎの相図が示されており、これは、Ｉｎの相対量が増加するにつれてＳｉＩｎの融点が低下することを示している。ＧａもＩｎも炭素と反応しないため、それらは含浸の間に溶融混合物中に拒絶されて、Ｓｉが消費されるにつれて、そして最終的には残留ケイ素に対して、さらに低い融点をもたらす。従って、残留ケイ素の除去はより容易であり、後工程としての抽出を介してより低い温度で行われ得る。また、ＧａもＩｎもＳｉＣを攻撃しないため、この溶融含浸剤を使用した繊維攻撃の危険性は最小限である。
【００２２】
Ｓｉ−Ｇａ及び／又はＳｉ−Ｉｎ合金の融点が低いため、溶融含浸は１４１４℃（すなわち、Ｓｉの融点）よりも低い含浸温度、例えば約１３７５℃〜約１４１０℃で実施することができる。そのようなより低い温度により、溶融含浸のためのより効率的で費用効果的なプロセスが可能になる。加えて、得られるマトリックスはより小さい粒径を有することができ、それはより高い引張強度をもたらすがより低い耐クリープ性をもたらす。そのような特性は、特定の成分においては望ましいことがある。あるいは、含浸温度は、マトリックスにわたってより良好な結合性を有するより大きな粒径及び／又は炭化ケイ素粒子をもたらすように、１４１４℃以上、例えば約１４１５℃以上（例えば、約１４２０℃〜約１５００℃）であってもよい。堅牢な結合点を有する、より大きくより結合された粒子は、より耐クリープ性の高い炭化ケイ素マトリックスをもたらすことができる。
【００２３】
一実施形態では、ケイ素混合物は、ケイ素混合物をプリフォーム内に溶融含浸させる前に、約０．１％〜約２０％（例えば、約０．５％〜約１０％）のＧａ及び／又はＩｎの原子百分率を含む。そして、Ｓｉが溶融含浸プロセス中に消費されるにつれて、ケイ素含浸混合物中のＧａ及び／又はＩｎの相対量は、ケイ素含浸混合物の溶融温度をさらに下げるために、Ｓｉに対して増加される。例えば、特定の実施形態において、ケイ素混合物は、ケイ素混合物をセラミックマトリックス複合材プリフォームに溶融含浸させた後に、約５０原子％以上（例えば、約７５原子％以上）のＧａ及び／又はＩｎを含み得る。
【００２４】
述べたように、ケイ素混合物は、それぞれＳｉＧａ及び／又はＳｉＩｎの形態のように、Ｇａ及び／又はＩｎと組み合わせてケイ素金属を含むことができる。ホウ素（Ｂ）のような他の材料もまた、ケイ素含浸混合物に含まれてもよい。例えば、ケイ素混合物は、ＳｉＢＧａ及び／又はＳｉＢＩｎを含むことができる。特定の理論に縛られることを望むものではないが、溶浸剤混合物内にホウ素を含めることは、プリフォーム全体への濡れ及び完全な溶融含浸に役立つと考えられる。
【００２５】
ＣＭＣ物品の以下の説明は、図１を参照しており、それは、セラミックマトリックス前駆体を含浸させた一方向に整列したトウ１４を初期に含む個々のプリプレグからそれぞれ得られた複数の薄層１２を含む、例示的なＣＦＣＣ部品１０を示す。積層されたプリプレグによって形成された積層プリフォームのデバルキング、硬化及び焼成の結果として、各薄層１２は、焼成及び溶融含浸の間のセラミックマトリックス前駆体の転換によって部分的に形成され得る炭化ケイ素相を含むマトリックス１８に包まれた、一方向に整列した繊維１６を含む。
【００２６】
ＣＦＣＣ部品１０として、トウ１４は各薄層１２において一方向に、すなわち互いに並んで平行に配向されて示されている。適切な繊維直径、トウ直径、及び中心間トウ間隔は、特定の用途、薄層１２の厚さ、及び他の要因に依存するため、図１では一定の縮尺で表されていない。トウ１４の個々の繊維１６は、特定の一実施形態では、１つ以上の剥離剤で被覆され、マトリックス１８とトウ１４とそれらの個々の繊維１６との間の制限及び制御された滑りを可能にする剥離（ｄｅ−ｂｏｎｄ）繊維コーティング（図示せず）を形成する。繊維コーティングのための適切な材料には、窒化ホウ素（ＢＮ）、ケイ素ドープＢＮ、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及びそれらの混合物が含まれる。特定の一実施形態では、繊維コーティングは、これらの化合物のうちの１つ又は複数の多層を含む。部品１０に亀裂が発生すると、亀裂を埋める繊維１６は、隣接する繊維１６及びマトリックス１８の領域に荷重を再分配するように作用し、従って亀裂のさらなる伝播を抑制又は少なくとも遅くする。
【００２７】
一実施形態では、プリプレグプロセスを使用してセラミックマトリックス複合材を製造する。このようなプロセスでは、繊維トウをドラムから巻き取り、次いで容器を通過させて、（例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによって）セラミック繊維コーティングをトウに施す。このコーティングは、複合材の加工中に繊維を保護するのに役立ち、そして低強度の繊維−マトリックス界面を提供し、それにより繊維マトリックスの剥離及び繊維の引き抜き「強化」機構を可能にする。ＣＭＣは典型的には過去において、繊維コーティングとして炭素を使用していたが、それ以来、耐酸化性を高めるために窒化ホウ素又はケイ素ドープ窒化ホウ素を組み込んできた。繊維コーティングに続いて、プリフォームマトリックス成分（ＳｉＣ及び炭素微粒子、バインダー及び溶媒）を含むスラリーを含む容器を通して繊維トウを引っ張り、次いでドラムに巻き付けて、一方向の予め含浸された、すなわち「プリプレグ」テープを形成する。
【００２８】
部品１０の製造中に、所望の数のプリプレグテープを重ね合わせてプリフォームを形成し、これにさらなる加工を受けさせて部品１０を得る。マトリックス１８のための所望の材料の前駆体、例えばＳｉＣ中に包まれた（繊維１６によって形成される）強化アーキテクチャを含むように、各テープが形成される。従って、一方向繊維プリプレグテープの使用により、複合材構造が築かれる。一方向プリプレグから得られたＣＭＣアーキテクチャは、ケイ素の融点を超える高温で、改善された機械的性質を提供する。各繊維は耐火性マトリックス相を介して十分に分離されているため、機械的荷重を各個々の繊維により効率的に伝達することができ、それが今度は改善された機械的性質を促進すると考えられる。従来の実施によれば、そのようなプリプレグテープは単一の操作で、例えば、連続したトウのストランドをドラムに巻き取る間に前駆体含有スラリーを塗布することによって形成することができる。巻き取り操作に続いて、スラリーを部分的に又は完全に乾燥させ、ドラムから取り出し、切断して成形し、所望の繊維アーキテクチャを得るために重ね合わせ、そして積層してグリーン複合材プリフォームを形成する。
【００２９】
次いで、プリフォームをチャンバ内に配置し、そこで、化学気相含浸（ＣＶＩ）プロセスを用いて繊維コーティングをプリフォームに施す。次いで、プリフォームを真空中又は不活性雰囲気中で加熱して有機バインダーを分解し、多孔質の硬質プリフォームを得る。例えば、積層体を窒素、アルゴン、又は真空中で加熱して細孔内の有機バインダー及び樹脂の一部を燃焼させながら、バインダー及び樹脂の一部を炭素チャーに変えることもできる。プリフォームの機械加工はこの段階で行うことができ、これは、最終の緻密化後の部品の最終機械加工の量を減らすのに役立つ。
【００３０】
次いで、燃え尽きた多孔質積層体は、上述のようにＧａ、Ｉｎ、又はそれらの混合物も含む外部のケイ素含浸混合物の供給源を加熱することで溶融含浸させることができ、その結果、それは溶融して積層体内に流入する。このケイ素含浸混合物の第１の部分は多孔質積層体中の前駆体炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、ケイ素含浸混合物の第２の部分は積層体中の気孔を満たす。溶融含浸（ＭＩ）プロセスは、溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素を形成するのが好ましい炭素含有プリフォームを焼成時にもたらすスラリーを用いてプリフォームが形成された後の使用に特に適している。炭素の添加はまた、カーボンブラック粒子の直接含浸又は細孔空間に含浸した炭素生成樹脂の燃焼に多孔質プリフォームを曝すことによって達成することもできる。一実施形態では、被覆されたＳｉＣ繊維、ＳｉＣ及び／又は炭素粒状物、及びプリプレグの場合には有機バインダーを含む複合材プリフォームが、ケイ素含浸混合物（例えば、Ｇａ及び／又はＩｎを含むケイ素金属の供給源）と接触しているか又は近接している間に、含浸温度に加熱される。溶融ケイ素金属は、ＳｉＣ及び／又は炭素を容易に濡らすため、毛細管プロセスによってプリフォームの残りの気孔に容易に引き込まれる。含浸に外部駆動力は不要であり、複合材プリフォームの寸法変化はない。
【００３１】
冷却すると、細孔空間を充填するケイ素又はケイ素合金は固化する。このケイ素又はケイ素合金は、溶融含浸ＣＭＣから抽出して多孔質プリフォームを形成するのに望ましい相である。一実施形態では、これらの加工技術は、ＣＭＣ物品内の気孔を低減又は完全に排除すること、並びに、ＣＭＣ物品内の残留元素状ケイ素及び／又は低融点ケイ素合金を低減又は完全に排除することによって、上述のタイプの加工ステップによって製造されるＣＭＣ物品の温度性能を大幅に改善することを目的とする。
【００３２】
上述の緻密化プロセスは、好ましくは多孔質プリフォーム中に残留元素状ケイ素又はケイ素合金を残さず、好ましくは含浸前に多孔質プリフォーム内に強度を与えるために炭化ケイ素又は炭素の連続網目構造を生じる特定のプリプレグスラリーの使用から利益を得ることができる。プリプレグテープを製造するために、様々な前駆体含有スラリーが連続繊維及びトウに適用されてきた。典型的なスラリー組成物は、所望のセラミック前駆体に加えて、マトリックスのセラミック成分（例えば、炭化ケイ素）、加工助剤として役立つ有機樹脂（例えば、ポリビニルブチラール及びポリイソブチルメタクリレート）、溶媒（例えば、トルエン、ＭＩＢＫ、エチルベンゼンなど）、及びバインダー用の可塑剤（例えば、ジブチルフタレート）を含んでいた。スラリー組成物は、プリフォームの焼成中に（例えば、約１４３０℃〜約１４６０℃の温度で）反応する、元素状ケイ素とカーボンブラックとの約１：１の化学量論的混合物を含むことができる。あるいは又はさらに、スラリー組成物は、熱分解して炭素チャーの網目構造を形成することができる１つ以上の有機バインダー（例えば、フラン樹脂及び／又はフェノール樹脂）をさらに含有してもよい。いずれにせよ、結果は、基本的に元素状ケイ素及びケイ素合金を含まない可能性があり、かつ（上述の実施形態の事項に応じで）炭化ケイ素フィラメント又は炭素チャーの多孔質であるが連続的な網状組織に繊維が包まれる、硬化した硬質プリフォームが好ましい。次いで、この気孔は、上述の緻密化プロセスによって排除されることができ、その結果、炭化ケイ素フィラメント又は炭素チャーの網目構造は、特に最初の緻密化サイクルの間にポリマー前駆体の熱分解に伴う応力による亀裂を防ぐための補強用の足場を提供する。
【００３３】
ＣＭＣ物品内のあらゆる残留元素状ケイ素及び／又は低融点ケイ素合金相を抽出するために、追加の加工ステップを実施することができる。抽出ステップは、元素状ケイ素とカーボンブラックの１：１の化学量論的混合物に必要な量に対して過剰の元素状ケイ素を含有するスラリーを使用する場合、又は元素状ケイ素を全く含有しないスラリーを使用する場合に特に望ましく、溶融含浸ステップは、溶浸剤として元素状ケイ素又はケイ素合金の外部供給源を用いて実施される。後者の場合、典型的なスラリー組成物は、炭化ケイ素、カーボンブラック、加工助剤として役立つ有機樹脂（例えば、ポリビニルブチラール）、熱分解して炭素チャーの網目構造を形成する有機樹脂、溶媒（例えば、トルエン、ＭＩＢＫ、アルコール、アセトンなど）、及びバインダー用の可塑剤（例えば、ジブチルフタレート）を含んでいた。
【００３４】
適切な抽出技術は、ＣＭＣ物品を多孔質材料で囲むこと、及びケイ素又はケイ素合金が溶融するまで加熱することを伴う粉末パック抽出プロセスである。多孔質材料としては、カーボンブラック、グラファイト、工業用ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化ケイ素、モリブデン及びそのケイ化物、炭化物及び窒化物、タングステン及びそのケイ化物、炭化物及び窒化物、タンタル及びそのケイ化物、炭化物及び窒化物、及び／又はニオブ及びそのケイ化物、炭化物及び窒化物を含むことができるが、それらに限定されない。好ましい多孔質材料には、ケイ素又はケイ素合金を引き出すための化学的推進力を与え、溶融含浸体中の炭化ケイ素と強く反応せず、そして浅い反応層がある場合には、研削又はグリットブラストにより容易に除去されて残された細孔網目構造がその後の含浸のために開いていることを確実にする材料が含まれる。好ましい多孔質材料には、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ金属、及びケイ化ニオブが含まれる。これらの材料は、残留ケイ素及びケイ素合金を適切に抽出し、グリットブラストによって容易に除去されてＣＭＣ物品内の細孔チャネルを露出させる金属ケイ化物をＣＭＣ物品の表面に形成することができる。一旦露出されると、細孔チャネルは、ＰＩＰ、ＭＩ、又はＣＶＩ技術によって、炭化ケイ素に変わることができる１つ又は複数の前駆体で充填することができる。
【００３５】
別の適切な抽出技術は、ＣＭＣ物品を残留ケイ素合金に対しては腐食性であるがＣＭＣ物品の他の成分に対しては腐食性でない液体に曝すことによって行われる液相抽出プロセスである。そのような液体の例は、フッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化水素酸と他の酸との混合物、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ水溶液などの強塩基性溶液、ガリウム、インジウム、スズ、及び水銀などの液体金属であり、多段浸出（ｌｅａｃｈｉｎｇ）プロセスは、液体金属、酸、及び塩基を伴う。液相を加熱して、それらが残留ケイ素合金を溶解する速度を速めることができる。これは、ケイ素合金除去プロセスを活性化するために高温を必要とする液体金属に特に当てはまる。例えば、細孔チャネル内のフッ素又は任意の金属を蒸発させるために、任意の汚染物質を除去するための熱処理を行うことができる。前述のように、露出した細孔チャネルは、ＰＩＰ、ＭＩ、又はＣＶＩ技術によって、炭化ケイ素に変わることができる１つ又は複数の前駆体で充填することができる。
【００３６】
別の適切な抽出技術は、強い真空中において高温でケイ素又はケイ素合金を蒸発させることである。前述のように、露出した細孔チャネルは、ＰＩＰ、ＭＩ、又はＣＶＩ技術によって、炭化ケイ素に変わることができる１つ又は複数の前駆体で充填することができる。
【００３７】
様々な用途が予測可能であるが、部品１０の特定の用途には、ガスタービンのタービンセクション内の燃焼器ライナー、ブレード、ベーン及びシュラウドなどのガスタービンエンジンの部品が含まれる。
【００３８】
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、また、任意の装置又はシステムを製造及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を当業者が実施することを可能にするために、実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは異ならない構造的要素を含む場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは実質的には異ならない同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。
【００３９】
本発明のさらなる態様は、以下の項の主題によって提供される。
【００４０】
［項１］セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を形成する方法であって、
ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物を含むケイ素混合物を、セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸させることを含む、方法。
【００４１】
［項２］前記ケイ素混合物は、約１４１４℃以下の含浸温度で前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される、任意の前項に記載の方法。
【００４２】
［項３］前記ケイ素混合物は、約１３７５℃〜約１４１０℃の含浸温度で前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される、任意の前項に記載の方法。
【００４３】
［項４］前記ケイ素混合物は、約１４１５℃以上の含浸温度で前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される、任意の前項に記載の方法。
【００４４】
［項５］前記ケイ素混合物は、約１４２０℃〜約１５００℃の含浸温度で前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸される、任意の前項に記載の方法。
【００４５】
［項６］前記ケイ素混合物はＳｉＧａを含む、任意の前項に記載の方法。
【００４６】
［項７］前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、約０．１％〜約２０％の原子百分率でＧａを含む、任意の前項に記載の方法。
【００４７】
［項８］前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、約０．５％〜約１０％の原子百分率でＧａを含む、任意の前項に記載の方法。
【００４８】
［項９］前記ケイ素混合物は、前記ケイ素混合物を前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸させた後に、約７５原子％以上のＧａを含む、任意の前項に記載の方法。
【００４９】
［項１０］前記ケイ素混合物はＳｉＩｎを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５０】
［項１１］前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、約０．１％〜約２０％の原子百分率でＩｎを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５１】
［項１２］前記ケイ素混合物は、溶融含浸の前に、約０．５％〜約１０％の原子百分率でＩｎを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５２】
［項１３］前記ケイ素混合物は、前記ケイ素混合物を前記セラミックマトリックス複合材プリフォーム内に溶融含浸させた後に、約７５原子％以上のＩｎを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５３】
［項１４］前記ケイ素混合物は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物と組み合わせてケイ素金属をさらに含む、任意の前項に記載の方法。
【００５４】
［項１５］前記ケイ素混合物は、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、又はそれらの混合物内にＢをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
【００５５】
［項１６］前記ケイ素混合物はＳｉＢＧａを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５６】
［項１７］前記ケイ素混合物はＳｉＢＩｎを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５７】
［項１８］溶融含浸後に、ＣＭＣから残留Ｇａ及び／又はＩｎを抽出すること
をさらに含む、任意の前項に記載の方法。
【００５８】
［項１９］前記セラミックマトリックス複合材プリフォームは、セラミックマトリックス内に分散されたＳｉＣ繊維を含み、前記セラミックマトリックスはＳｉＣを含む、任意の前項に記載の方法。
【００５９】
［項２０］前記ＳｉＣ繊維はその上にコーティングを有し、前記コーティングはＢＮを含む、任意の前項に記載の方法。
【符号の説明】
【００６０】
１０      ＣＦＣＣ部品
１２      薄層
１４      一方向に整列したトウ
１６      一方向に整列した繊維
１８      マトリックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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