RU2807944C2 - Method for manufacturing composite with ceramic matrix - Google Patents
Method for manufacturing composite with ceramic matrix Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807944C2 RU2807944C2 RU2020123783A RU2020123783A RU2807944C2 RU 2807944 C2 RU2807944 C2 RU 2807944C2 RU 2020123783 A RU2020123783 A RU 2020123783A RU 2020123783 A RU2020123783 A RU 2020123783A RU 2807944 C2 RU2807944 C2 RU 2807944C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solvent
- solid particles
- preform
- workpiece
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение относится к способу изготовления композита с керамической матрицей. В частности, изобретение относится к пропитке материалом матрицы заготовки композита. The present invention relates to a method for producing a ceramic matrix composite. In particular, the invention relates to the impregnation of a matrix material into a composite preform.
Уровень техникиState of the art
Композиты с керамической матрицей (ККМ) являются подгруппой композиционных материалов, так же как и подгруппой керамических материалов. ККМ содержат керамические волокна, внедренные в керамическую матрицу с образованием керамического материала, армированного керамическим волокном. Матрица и волокна могут включать любой керамический материал или углерод и углеродные волокна.Ceramic matrix composites (CMC) are a subgroup of composite materials, as well as a subgroup of ceramic materials. CCMs contain ceramic fibers embedded in a ceramic matrix to form a ceramic fiber reinforced ceramic material. The matrix and fibers may include any ceramic material or carbon and carbon fibers.
Оксидные керамические материалы подразделяют на две категории: монолитные оксидные керамические материалы и композиты с оксидной керамической матрицей (ККМ). Монолитные оксидные керамические материалы состоят из порошков чистых оксидных керамических материалов, которые были подвергнуты горячему прессованию и спеканию при температуре выше 1600°С. Оксидные ККМ состоят из оксидной керамической матрицы, армированной оксидными керамическими волокнами. Оксидные волокна предоставляют улучшенные механические свойства по сравнению с монолитом. В силу тонкой природы армирования волокнами оксидные ККМ обычно изготавливают либо с использованием жидких суспензий, которые наносят на оксидное волокно/ткань, например, путем предварительной пропитки («препрегирование»), либо осуществляют жидкостную инфильтрацию заготовки оксидного волокна, например, обработку золь-гелем.Oxide ceramic materials are divided into two categories: monolithic oxide ceramic materials and oxide ceramic matrix (OCM) composites. Monolithic oxide ceramic materials consist of powders of pure oxide ceramic materials that have been hot pressed and sintered at temperatures above 1600°C. Oxide CMCs consist of an oxide ceramic matrix reinforced with oxide ceramic fibers. Oxide fibers provide improved mechanical properties compared to monolith. Due to the delicate nature of the fiber reinforcement, oxide CCMs are typically made either using liquid suspensions that are applied to the oxide fiber/fabric, such as pre-impregnation (“prepreg”), or by liquid infiltration of the oxide fiber preform, such as a sol-gel treatment.
Для ККМ обычно используют волокна из углерода (С), карбида кремния (SiC), оксида алюминия (Al2O3) и муллита (Al2O3→SiO2). Частицы (называемые «усы» или «пластинки») внедряют в матрицу. Материалы матрицы включают С, SiC, оксид алюминия и муллит.For PCM, fibers made of carbon (C), silicon carbide (SiC), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and mullite (Al 2 O 3 →SiO 2 ) are usually used. Particles (called whiskers or platelets) are embedded in the matrix. Matrix materials include C, SiC, alumina and mullite.
Способы изготовления обычно состоят из трех стадий: (1) укладка слоями и фиксация волокон с получением заготовки требуемой формы, (2) пропитка материалом матрицы и (3) конечная механическая обработка и, если требуется, дополнительная обработка, например, нанесение покрытия или пропитка для снижения пористости.Manufacturing processes typically consist of three steps: (1) layering and fixation of fibers to produce a preform of the desired shape, (2) impregnation of the matrix material, and (3) final machining and, if required, additional processing such as coating or impregnation to reducing porosity.
Большинство оксидных ККМ являются двумерными (2D) многослойными пакетами. Их обычно получают путем предварительной пропитки сухой ткани суспензией матрицы из сольватированного оксида алюминия, которая содержит связующее. То есть, суспензия содержит растворитель, связующее матрицы и частицы. Матрица является термоотверждающейся и только частично отверждается для обеспечения легкого обращения в течение последующей обработки. Предварительно пропитанный ККМ позже подвергают воздействию температуры, что приводит к полному отверждению материала матрицы.Most oxide PFCs are two-dimensional (2D) multilayer stacks. They are usually prepared by pre-impregnating dry fabric with a suspension of a solvated alumina matrix that contains a binder. That is, the suspension contains a solvent, a matrix binder and particles. The matrix is thermosetting and is only partially cured to ensure easy handling during subsequent processing. The pre-impregnated CCM is later exposed to temperature, causing the matrix material to fully cure.
Слои для оксидного ККМ затем вырезают из предварительно пропитанной ткани и укладывают в вакуумный мешок (для автоклавной обработки) или обрабатывают прессованием для уплотнения. После этого выполняют технологическую стадию отверждения и спекания в печи для завершения обработки. В случае, когда требуется дополнительное уплотнение, обычно осуществляют вакуумную пропитку различными разбавленными суспензиями, содержащими 20-60 масс. % твердых веществ для улучшения пропитки затвердевшего оксидного ККМ.Oxide CCM layers are then cut from pre-impregnated fabric and vacuum bagged (for autoclaving) or pressed to compact. After this, a process step of curing and sintering is carried out in an oven to complete the processing. In cases where additional compaction is required, vacuum impregnation is usually carried out with various diluted suspensions containing 20-60 wt. % solids to improve the impregnation of hardened oxide CMC.
Другим обычным способом является укладка пакета сухих двумерных слоев или трехмерной (3D) заготовки и пропитка суспензией оксида алюминия. При этом подходе сухие слои укладывают в стопку между двумя зажимными пластинами (плитами пресса) и пропитывают в суспензионной ванне составом оксидной суспензии, имеющим высокое содержание твердых веществ, часто 75 масс. % или более твердых веществ. За этим следует стадия отверждения и стадия спекания. Оксидный ККМ затем упрочняется, и он становится «свободностоящим», что означает, что он более не нуждается в нахождении в приспособлении.Another common method is to lay a stack of dry two-dimensional layers or a three-dimensional (3D) preform and impregnate it with an alumina slurry. In this approach, dry layers are stacked between two clamping plates (press plates) and impregnated in a slurry bath with a high solids content oxide slurry composition, often 75 wt. % or more solids. This is followed by a curing stage and a sintering stage. The oxide PFC is then hardened and it becomes “free-standing”, meaning it no longer needs to be held in a fixture.
Отвержденный/спеченный «свободностоящий» оксидный ККМ можно повторно пропитать с помощью дополнительных операций (одной или более) погружения оксидного ККМ в суспензионную ванну с составом оксидной суспензии, содержащим низкую массовую долю твердого оксида. За этим снова следует стадия отверждения и спекание. Повторную пропитку и стадии отверждения/спекания затем повторяют с более разбавленными суспензиями (для улучшения пропитки) до достижения требуемых плотности и пористости.The cured/sintered "free-standing" oxide CMC can be re-impregnated by the additional steps of (one or more) immersing the oxide CMC in a slurry bath of an oxide slurry composition containing a low mass fraction of solid oxide. This is again followed by a curing stage and sintering. The re-impregnation and curing/sintering steps are then repeated with more dilute slurries (to improve impregnation) until the required density and porosity are achieved.
Получение оксидных ККМ с использованием этих способов может быть затратным по времени, и может быть трудно изготовить композиты, имеющие сложную геометрию. Для подхода с изготовлением двумерного материала из предварительно пропитанного оксида алюминия существует ряд значительных трудностей. Они включают следующее.Producing oxide CMCs using these methods can be time consuming and it can be difficult to produce composites having complex geometries. There are a number of significant challenges to the approach of fabricating a 2D material from pre-impregnated alumina. They include the following.
Укладка слоями сложных форм с предварительно пропитанным оксидным ККМ может быть затруднительной, так как часто предварительно пропитанный оксидный материал обладает плохой драпируемостью и часто имеет плохие реологические свойства (из-за пропитанных субмикронных частиц).Layering complex shapes with pre-impregnated oxide CCM can be difficult, as the pre-impregnated oxide material often has poor drapability and often has poor rheological properties (due to the impregnated submicron particles).
Образование слоев вокруг острых краев или острых кромок, особенно с использованием смещенных по оси слоев, может быть очень трудным, чтобы достичь этого без морщин или других аномалий в слоях.Forming layers around sharp edges or sharp edges, especially using axially offset layers, can be very difficult to achieve without wrinkles or other anomalies in the layers.
Комплекты слоев для сложных деталей, особенно в случае использования смещенных по оси слоев, могут быть очень большими (много слоев различных размеров и конфигураций). Может потребоваться много времени для сборки, и это может привести к ошибкам оператора при укладке слоев.Layer stacks for complex parts, especially when using axially offset layers, can be very large (many layers of different sizes and configurations). May take a long time to assemble and may result in operator errors when laying layers.
Укладка слоев, формование с помощью вакуумного мешка и автоклавная обработка могут быть медленными и трудоемкими.Layering, vacuum bagging and autoclaving can be slow and labor intensive.
Дополнительно, пропитка суспензией также вызывает трудности, которые включают следующее.Additionally, slurry impregnation also poses difficulties, which include the following.
Дополнительная пропитка суспензией может приводить к «закупориванию» внешних поверхностей и делать недоступной внутреннюю пористость ККМ. То есть, частицы суспензии могут не проникать в центр ККМ хорошо в последующих циклах обработки. Внешние поверхности ККМ могут становиться плотными с низкой пористостью и препятствовать проникновению матрицы в центр ККМ, где все еще находятся пористые области. Для того, чтобы сделать внутренние пористые области доступными, могут потребоваться дополнительные технологические стадии, такие как механическая обработка.Additional impregnation with a suspension can lead to “clogging” of external surfaces and make the internal porosity of the CCM inaccessible. That is, the suspension particles may not penetrate the center of the CCM well in subsequent processing cycles. The outer surfaces of the CMC may become dense with low porosity and prevent matrix from penetrating into the center of the CMC, where porous areas still exist. Additional processing steps, such as machining, may be required to make internal porous regions accessible.
Дополнительная пропитка суспензией в ваннах может приводить к наращиванию матрицы в нежелательных местах, что требует конечной механической обработки для поддержания допустимых отклонений по размеру оксидного ККМ.Additional slurry impregnation in baths can result in matrix buildup in undesirable locations, requiring final machining to maintain oxide CCM dimensional tolerances.
Краткое описание изобретения В настоящем изобретении предложен способ изготовления композита с керамической матрицей, который включает пропитку тканой заготовки суспензией, содержащей растворитель, связующее матрицы и частицы. По меньшей мере часть растворителя удаляют без отверждения связующего матрицы. Пропитку и удаление растворителя повторяют до достижения требуемой характеристики заготовки. Требуемая характеристика обычно представляет собой по меньшей мере одну характеристику, выбранную из группы, состоящей из плотности, пористости и объемной доли волокон. После того, как достигнута требуемая характеристика, суспензию отверждают и заготовку спекают.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for producing a ceramic matrix composite which comprises impregnating a woven preform with a slurry containing a solvent, a matrix binder and particles. At least a portion of the solvent is removed without curing the matrix binder. Impregnation and removal of the solvent are repeated until the required characteristics of the workpiece are achieved. The desired property is typically at least one property selected from the group consisting of density, porosity, and fiber volume fraction. Once the required performance is achieved, the suspension is cured and the workpiece is sintered.
В одном воплощении по меньшей мере часть растворителя удаляют путем использования различия химического или физического свойства растворителя и связующего матрицы, например, но не ограничиваясь перечисленным, температуры кипения или давления паров.In one embodiment, at least a portion of the solvent is removed by exploiting differences in a chemical or physical property between the solvent and the matrix binder, such as, but not limited to, boiling point or vapor pressure.
В одном воплощении заготовку нагревают до температуры, которая выше температуры кипения растворителя и ниже температуры кипения связующего матрицы для испарения растворителя, затем пропитывают заготовку суспензией и испаренный растворитель отводят. В конкретном воплощении растворитель представляет собой изопропиловый спирт или ацетон, связующее матрицы представляет собой силикат алюминия или силан, а твердые частицы представляют собой оксидный керамический материал.In one embodiment, the preform is heated to a temperature that is above the boiling point of the solvent and below the boiling point of the matrix binder to evaporate the solvent, then the preform is impregnated with the slurry and the evaporated solvent is removed. In a specific embodiment, the solvent is isopropyl alcohol or acetone, the matrix binder is aluminum silicate or silane, and the solid particles are an oxide ceramic material.
В некоторых воплощениях в качестве растворителя можно использовать воду, а частицы могут представлять собой диоксид кремния в сочетании со связующим матрицы. Более конкретно, в некоторых воплощениях частицы могут представлять собой коллоидальный диоксид кремния.In some embodiments, the solvent may be water and the particles may be silica in combination with a matrix binder. More specifically, in some embodiments, the particles may be fumed silica.
В некоторых воплощениях твердые частицы имеют распределение по размерам в интервале от 1 нм до 1000 нм. В некоторых воплощениях суспензия содержит от 50 до 85 масс. % твердых частиц и от 15 до 50 масс. % растворителя. В частности, в некоторых воплощениях суспензия содержит от 75 до 81 масс. % твердых частиц и от 19 до 25 масс. % растворителя.In some embodiments, the solid particles have a size distribution ranging from 1 nm to 1000 nm. In some embodiments, the suspension contains from 50 to 85 wt. % solid particles and from 15 to 50 wt. % solvent. In particular, in some embodiments the suspension contains from 75 to 81 wt. % solids and from 19 to 25 wt. % solvent.
В некоторых воплощениях оксидный керамический материал выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония и стабилизированного диоксидом иттрия диоксида циркония.In some embodiments, the oxide ceramic material is selected from the group consisting of alumina, zirconia, and yttria-stabilized zirconia.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Приложенные чертежи, которые включены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения, включены в это техническое описание и составляют его часть. На представленных в данном документе чертежах показаны различные воплощения изобретения, и они вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. На чертежах:The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention, are incorporated into and constitute a part of this technical specification. The drawings provided herein show various embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. On the drawings:
на фиг. 1 показана схема системы для уплотнения ККМ путем пропитки суспензией,in fig. Figure 1 shows a diagram of a system for compacting CCM by impregnation with a suspension,
на фиг. 2 показана блок-схема описанного способа, иin fig. 2 shows a flowchart of the described method, and
на фиг. 3 показаны различные типы трехмерной архитектуры волокон.in fig. Figure 3 shows different types of 3D fiber architectures.
Подробное описаниеDetailed description
Термины «содержащий» и «содержит» в этом описании могут означать «включающий» и «включает» или могут иметь значение, обычно придаваемое термину «содержащий» и «содержит» в патентном праве США. Термины «по существу состоящий из» или «по существу состоит из» при использовании в формуле изобретения имеют значение, приписываемое им в патентном праве США. Другие аспекты изобретения описаны в нижеследующем описании, или они очевидны из нижеследующего описания (и в пределах изобретения).The terms “comprising” and “comprising” as used in this specification may mean “including” and “includes” or may have the meaning generally given to the terms “comprising” and “comprising” in US patent law. The terms "essentially consisting of" or "essentially consisting of" when used in claims have the meaning ascribed to them under United States patent law. Other aspects of the invention are described in the description that follows, or are obvious from the following description (and within the scope of the invention).
Термины «нити», «волокна», «жгуты волокон» и «пряжа» в нижеследующем описании используют взаимозаменяемо. «Нити», «волокна», «жгуты волокон» и «пряжа», используемые в данном документе, могут относиться к моноволокнам, многоволоконной пряже, крученой пряже, многоволоконным жгутам волокон, высокообъемной пряже, сплетенным жгутам волокон, пряже с покрытием, двухкомпонентной пряже, а также пряже, изготовленной из эластичных порванных волокон из любых материалов, известных специалисту в уровне техники. Пряжу можно изготовить из углерода, нейлона, искусственного шелка, стекловолокна, хлопка, керамики, арамида, сложного полиэфира, металла, полиэтиленового стекла и/или других материалов, которые показывают требуемые физические, термические, химические или другие свойства.The terms “filaments,” “fibers,” “fiber tows,” and “yarns” are used interchangeably in the following description. "Yarns", "fibers", "fiber tows" and "yarn" as used herein may refer to monofilament yarn, multifilament yarn, spun yarn, multifilament tow, high volume yarn, woven tow, coated yarn, bicomponent yarn , as well as yarn made from elastic torn fibers from any materials known to a person skilled in the art. The yarn can be made from carbon, nylon, rayon, fiberglass, cotton, ceramic, aramid, polyester, metal, polyethylene glass and/or other materials that exhibit the desired physical, thermal, chemical or other properties.
«Суспензия» означает дисперсию твердых веществ, например, частиц, таких как керамические частицы, в жидком носителе (растворителе), который также может содержать такие добавки, как связующие, поверхностно-активные вещества, диспергирующие агенты и т.п."Suspension" means a dispersion of solids, eg particles such as ceramic particles, in a liquid carrier (solvent), which may also contain additives such as binders, surfactants, dispersants and the like.
«ККМ» означает композит с керамической матрицей. Подкласс ККМ включает «оксидный ККМ».“CMC” means ceramic matrix composite. The CCM subclass includes “oxide CCM”.
Для лучшего понимания изобретения, его преимуществ и целей, достигаемых путем его применения, ссылаются на приложенное описание, где неограничивающие воплощения изобретения показаны на приложенных чертежах и соответствующие компоненты обозначены одинаковыми номерами позиций.For a better understanding of the invention, its advantages and the objects achieved by its use, reference is made to the attached description, wherein non-limiting embodiments of the invention are shown in the accompanying drawings and corresponding components are designated by the same reference numerals.
Настоящее изобретение направлено на способ получения композита с керамической матрицей путем пропитки суспензией заготовки, такой как двумерный тканый слоистый пакет, созданная посредством направляемого стержнями размещения волокон заготовка, трехмерная тканая заготовка или плетеная заготовка (типы волокнистых заготовок далее охвачены термином «заготовка» или «волокнистая заготовка»), в пресс-форме для заготовки (также называемой взаимозаменяемо «оснастка» и «пресс-форма для литья под давлением»). Отличительным признаком данного способа является удаление растворителя суспензии из пресс-формы для литья под давлением, не допуская полного отверждения или затвердевания связующего.The present invention is directed to a method of producing a ceramic matrix composite by slurry impregnation of a preform, such as a two-dimensional woven laminate, a rod-guided fiber placement preform, a three-dimensional woven preform, or a woven preform (types of fiber preforms are hereinafter covered by the term "preform" or "fiber preform" "), in a blank mold (also called interchangeably "tooling" and "injection mold"). The hallmark of this method is the removal of the slurry solvent from the injection mold without allowing the binder to fully cure or harden.
В данном способе используют различия химических или физических свойств растворителя и связующего. С использованием разницы в свойствах способ удаления растворителя и неполного отверждения связующего может обеспечить лучшее регулирование плотности, пористости и объемной доли волокон получаемого ККМ. Неотвержденное связующее обеспечивает текучесть частиц/связующего в форме, что позволяет управлять конструктивными параметрами, такими как конструктивные параметры конечного ККМ, такие как плотность, пористость, объемная доля волокон и т.п.This method takes advantage of differences in the chemical or physical properties of the solvent and the binder. By taking advantage of the difference in properties, the method of removing solvent and incompletely curing the binder can provide better control of the density, porosity and fiber volume fraction of the resulting CCM. The uncured binder provides fluidity of the particles/binder in the mold, which allows control of design parameters such as design parameters of the final CCM such as density, porosity, fiber volume fraction, etc.
ИнфильтратInfiltrate
В некоторых воплощениях закачиваемая суспензия, используемая в этом способе, содержит оксидные керамические материалы, включающие частицы оксида алюминия или стабилизированного диоксидом иттрия диоксида циркония (YSZ или ZrO2), связующее матрицы («связующее») и растворитель. Частицы в этой суспензии обычно являются частицами, измельченными до субмикронного размера, имеющими распределение по размерам от 1 нм до 1000 нм. В одном воплощении частицы могут представлять собой диоксид кремния и, в конкретном воплощении, частицы коллоидального диоксида кремния. Суспензия может содержать твердые вещества в количестве 50-85 масс. % и растворитель в количестве 15-50 масс. %. Суспензия, содержащая твердые вещества в количестве 55-85 масс. % и растворитель в количестве 15-45 масс. %, может быть более эффективной по времени, чем при использовании твердых веществ в количестве 50-54 масс. %. Можно использовать суспензии, содержащие 60-75 масс. % твердых веществ и 25-40 масс. % растворителя. В конкретном воплощении суспензия оксида алюминия содержит твердые вещества в количестве 75-81 масс. % и растворитель в количестве 19-25 масс. %.In some embodiments, the injection slurry used in this method contains oxide ceramic materials including particles of aluminum oxide or yttria-stabilized zirconia (YSZ or ZrO 2 ), a matrix binder (“binder”), and a solvent. The particles in this suspension are typically submicron-sized particles having a size distribution of 1 nm to 1000 nm. In one embodiment, the particles may be silica and, in a particular embodiment, fumed silica particles. The suspension may contain solids in an amount of 50-85 wt. % and solvent in an amount of 15-50 wt. %. A suspension containing solids in an amount of 55-85 wt. % and solvent in an amount of 15-45 wt. %, may be more time efficient than when using solids in an amount of 50-54 wt. %. You can use suspensions containing 60-75 wt. % solids and 25-40 wt. % solvent. In a specific embodiment, the alumina suspension contains solids in an amount of 75-81 wt. % and solvent in an amount of 19-25 wt. %.
Используемое связующее может представлять собой силикат алюминия, силан или другое общеизвестное связующее матрицы. Используемый растворитель является легколетучим растворителем, таким как изопропиловый спирт (ИПС), ацетон и т.п. «Легколетучий» означает более летучий, чем связующее матрицы. В некоторых воплощениях растворитель может представлять собой воду.The binder used may be aluminum silicate, silane, or other commonly known matrix binder. The solvent used is a highly volatile solvent such as isopropyl alcohol (IPA), acetone and the like. "Volatile" means more volatile than the matrix binder. In some embodiments, the solvent may be water.
Как таковой, ККМ содержит три компонента: (1) растворитель, (2) связующее матрицы и (3) частицы. ККМ содержит любое сочетание трех компонентов. Например, растворитель может быть любым растворителем из изопропилового спирта, ацетона или воды, связующее матрицы может быть любым связующим из силиката алюминия, силана или другого общеизвестного связующего матрицы, а частицы могут представлять собой керамический материал, включающий частицы оксида алюминия или стабилизированного диоксидом иттрия диоксида циркония (YSZ или ZrO2), или могут представлять собой диоксид кремния (который включает коллоидальный диоксид кремния). Каждый из этих компонентов можно охарактеризовать так, как описано выше в данном документе.As such, CCM contains three components: (1) solvent, (2) matrix binder, and (3) particles. KKM contains any combination of three components. For example, the solvent may be any of isopropyl alcohol, acetone, or water, the matrix binder may be any of aluminum silicate, silane, or other conventional matrix binder, and the particles may be a ceramic material including particles of alumina or yttria-stabilized zirconia. (YSZ or ZrO 2 ), or may be silica (which includes fumed silica). Each of these components can be characterized as described above in this document.
Волокнистая заготовкаFiber preform
Двумерный тканый сухой (или предварительно пропитанный) слоистый волокнистый пакет, трехмерную тканую заготовку, созданную посредством направляемого стержнями размещения волокон заготовку, плетеную заготовку или другую заготовку(и) можно получить с использованием волокна из оксида алюминия. Двумерная архитектура может иметь слоистую структуру режима укладки слоев, включая 0°/90°, 0°/-45°/90°/45° или любое их сочетание. Режим укладки слоев "0°/90°" означает чередование волокон основы под углом 0° и 90° по отношению к произвольной исходной величине в последовательных слоях. Режим укладки слоев "0°/-45°/90°/45°" обеспечивает указанный угол волокон основы по отношению к произвольной исходной величине в последовательных слоях. Аналогично можно использовать укладку слоев 0°/-60°/90°/60°.A two-dimensional woven dry (or pre-impregnated) laminated fiber stack, a three-dimensional woven preform, a rod-guided fiber placement preform, a braided preform, or other preform(s) can be made using alumina fiber. The 2D architecture may have a layered stacking mode structure, including 0°/90°, 0°/-45°/90°/45°, or any combination thereof. The “0°/90°” layering mode means alternating warp fibers at an angle of 0° and 90° relative to an arbitrary initial value in successive layers. The layer laying mode "0°/-45°/90°/45°" provides the specified angle of the warp fibers in relation to an arbitrary initial value in successive layers. Layers of 0°/-60°/90°/60° can be used similarly.
В некоторых случаях заготовка имеет форму, близкую к заданной технологией изготавливаемого изделия. То есть, заготовка очень близка к конечной (окончательной) требуемой форме, что может уменьшить необходимость в конечной обработке поверхности, механической обработке или шлифовании и/или снизить брак. Более того, можно понизить время обработки.In some cases, the workpiece has a shape close to the technology specified for the product being manufactured. That is, the workpiece is very close to the final required shape, which can reduce the need for final surface finishing, machining or grinding and/or reduce scrap. Moreover, processing time can be reduced.
Трехмерная архитектура волокон может быть либо ортогональной 310, либо «слой к слою» 320, либо сцеплением под углом 330, как показано на Фиг. 3. Объемы волокон в направлениях основы и утка могут изменяться в зависимости от применения. Волокно из оксида алюминия может быть, например, любым волокном из сортов волокон 3М® Nextel® и иметь любой массовый номер в денье, или другими похожими волокнами.The three-dimensional fiber architecture can be either orthogonal 310, layer-to-
Оснастка и оборудованиеTooling and equipment
На Фиг. 1 показана упрощенная схема системы пропитки матрицей, которую можно использовать для осуществления на практике данного способа для изготовления оксидного ККМ. Система содержит вход 105 для матрицы для подачи суспензии матрицы и выход 110 для матрицы для удаления суспензии матрицы и, в частности, растворителя суспензии, из заготовки (не показано). Заготовку располагают в полости пресс-формы 115 для литья под давлением, при этом полость имеет форму, сопряженную с формой заготовки. Пресс-форма для литья под давлением имеет по меньшей мере две части, так что полость может быть открыта для размещения заготовки.In FIG. 1 shows a simplified diagram of a matrix impregnation system that can be used to practice this method for producing oxide CCM. The system includes a
Детали пресс-формы 115 для литья под давлением можно удерживать вместе с помощью пресса, содержащего верхнюю плиту 120а пресса и нижнюю плиту 120b пресса. Плиты 120а, 120b пресса служат для удерживания деталей пресс-формы для литья под давлением вместе под давлением пропитки суспензией матрицы. Нагреватели (не показаны) для осуществления нагрева пресс-формы для литья под давлением могут быть частью пресса или отделены от пресса.The
Вход 105 для матрицы включает цилиндрический инжектор 125 для подачи суспензии матрицы под положительным давлением через трубу 130 в одно или более впускных отверстий 135 пресс-формы 115 для литья под давлением. Может быть обеспечен клапан 160 для подавления поступления потока в заготовку, когда растворитель удаляют в течение уплотнения заготовки. Выход 110 для матрицы включает вакуумный насос 150 для обеспечения отрицательного давления через ловушку 145 для матрицы и трубу 155 до одного или более выпускных отверстий 140 пресс-формы 115 для литья под давлением.The
Положительное давление, прикладываемое к суспензии матрицы в одном или более впускных отверстиях 135, в сочетании с отрицательным давлением, прикладываемым в одном или более выпускных отверстий 140, может способствовать выравниванию распределения суспензии матрицы по всей заготовке в течение пропитки. Ловушка 145 для матрицы может захватывать избыточную суспензию, которая выходит из одного или более выпускных отверстий 140 в течение пропитки суспензией. Отрицательное давление, прикладываемое в одном или более выпускных отверстий 140, также может обеспечивать отведение растворителя для уплотнения заготовки.Positive pressure applied to the matrix slurry at one or
При эксплуатации клапан 160 открыт для обеспечения подачи суспензии матрицы под положительным давлением из цилиндрического инжектора в заготовку, находящуюся в пресс-форме для литья под давлением. С помощью вакуумного насоса можно прикладывать отрицательное давление, чтобы способствовать пропусканию суспензии матрицы по всей заготовке. Суспензия, выходящая из пресс-формы для литья под давлением, может указывать на то, что суспензия пропитала заготовку. Избыточную суспензию, выходящую из пресс-формы для литья под давлением, можно захватывать ловушкой.In operation,
Клапан 160 можно закрыть в течение уплотнения заготовки. В этой части способа растворитель отделяют от суспензии матрицы и отводят из пресс-формы для литья под давлением с помощью отрицательного давления, прикладываемого в одном или более выпускных отверстий. Твердые оксидные частицы и связующее в суспензии остаются в пустотах заготовки, делая посредством этого заготовку более плотной.The
СпособWay
На фиг. 2 показана технологическая схема 200 способа изготовления оксидного ККМ по настоящему изобретению. Двумерный тканый слоистый пакет, трехмерную тканую заготовку, созданную из направляемого проколами расположения волокон заготовку, плетеную заготовку или другую заготовку (в общем, «заготовку») получают 210 согласно технологиям, известным специалисту в данной области техники.In fig. 2 shows a flow diagram 200 of a method for producing an oxide CFC according to the present invention. A two-dimensional woven laminate, a three-dimensional woven preform, a puncture-guided preform, a braided preform, or another preform (generally a "preform") is prepared 210 according to techniques known to one of ordinary skill in the art.
Заготовку располагают в пресс-форме для литья под давлением, такой как пресс-форма для литьевого формования полимера, на стадии 220 и затем пресс-форму для литья под давлением загружают 230 в пресс для пресс-формы для литья под давлением, с помощью которого прикладывают давление к пресс-форме для литья под давлением для скрепления оснастки в течение последующего приложения давления к оснастке.The preform is positioned in an injection mold, such as a polymer injection mold, in
Заготовку в пресс-форме для литья под давлением и пресс подвергают первой пропитке суспензией на стадиях 240, 242, 244, 246, 248 и 250. На стадии 240 суспензию закачивают при положительном давлении во впускное отверстие пресс-формы для литья под давлением и в заготовку внутри инструмента. Можно приложить 242 отрицательное или вакуумное давление, чтобы способствовать равномерному распределению суспензии по заготовке.The injection mold blank and press are first infiltrated with slurry at
В конкретном воплощении суспензия является ИПС сольватированной смесью, состоящей из субмикронных частиц оксида алюминия и силанового связующего. Заготовка может быть, например, кожухом самолетного антенного окна, имеющим номинальный размер 21,7 см × 21,7 см × 2,4 см (8,56" × 8,56" × 0,938"). Суспензию можно закачивать в пресс-форму для литья под давлением при давлении 1,38-1,72 МПа (200-250 фунтов на кв. дюйм; 10340-12930 мм. рт.ст.) и расходе примерно 50 куб. см/мин. Помимо приведенного выше примера кожуха самолетного антенного окна оксидные ККМ находят применение в других областях, включающих конструкции выхлопного патрубка турбины, радиолокационные обтекатели, реактивные снаряды, спутники и другие области применения в условиях горячей окружающей среды.In a specific embodiment, the suspension is an IPA solvated mixture consisting of submicron alumina particles and a silane coupling agent. The preform may be, for example, an aircraft antenna window casing having a nominal size of 21.7 cm × 21.7 cm × 2.4 cm (8.56" × 8.56" × 0.938"). The slurry can be pumped into a mold for injection molding at a pressure of 1.38-1.72 MPa (200-250 psi; 10340-12930 mmHg) and a flow rate of approximately 50 cc/min. In addition to the aircraft casing example above Antenna Window Oxide PFCs are used in other applications including turbine exhaust stack structures, radar radomes, missiles, satellites and other hot environment applications.
Давление суспензии на пресс-форму для литья под давлением затем ослабляют и прикладывают 244 тепло к суспензии в заготовке путем нагрева пресс-формы для литья под давлением. Когда суспензия достигает заранее заданной температуры, начинают стадию 246 удаления растворителя для отвода растворителя из заготовки. Можно использовать вакуумный насос для прикладывания отрицательного давления в выпускном отверстии пресс-формы для литья под давлением, чтобы способствовать отведению растворителя. После удаления растворителя нагрев прекращают и пресс-форму для литья под давлением оставляют остывать на стадии 248. При удалении растворителя из суспензии твердые оксидные частицы суспензии остаются в пустотах заготовки, посредством этого делая заготовку более плотной.The pressure of the slurry on the injection mold is then released and heat is applied 244 to the slurry in the preform by heating the injection mold. When the slurry reaches a predetermined temperature, a solvent removal step 246 is initiated to remove the solvent from the preform. A vacuum pump can be used to apply negative pressure at the injection mold outlet to assist solvent removal. After the solvent is removed, heating is stopped and the injection mold is allowed to cool at step 248. As the solvent is removed from the slurry, the solid oxide particles of the slurry remain in the voids of the preform, thereby making the preform denser.
Удаление растворителя без полного отверждения связующего матрицы становится возможным путем использования различия физических свойств растворителя и связующего. Различия физических свойств включают различные температуры кипения, фазовые диаграммы, уравнения и кривые давления паров, реакционную способность и т.п.То есть, связующее находится в состоянии «стадии В». Доведение связующего до «стадии В» является способом удаления по меньшей мере части растворителя из связующего, что позволяет конструкции находится в промежуточной стадии, что означает твердое вещество, которое только частично отверждено.Solvent removal without complete curing of the matrix binder is made possible by exploiting the differences in the physical properties of the solvent and the binder. Differences in physical properties include different boiling points, phase diagrams, vapor pressure equations and curves, reactivity, etc. That is, the binder is in the "B stage" state. Bringing the binder to "Stage B" is a method of removing at least a portion of the solvent from the binder, allowing the structure to be in an intermediate stage, meaning a solid that is only partially cured.
В конкретном воплощении различие температуры кипения растворителя и связующего матрицы можно использовать для выпаривания растворителя, избегая отверждения связующего матрицы. В одном примере суспензия является ИПС сольватированной смесью, состоящей из субмикронных частиц оксида алюминия и силанового связующего. В этом примере тепло прикладывают для повышения температуры суспензии до температуры кипения растворителя ИПС, составляющей при атмосферном давлении 82,5°С (180°F), что ниже температуры отверждения силанового связующего, составляющей 121,1°С (250°F). Как таковое, повышение температуры суспензии до примерно 82,5°С (180°F) вызывает выкипание или испарение растворителя ИПС без отверждения силанового связующего матрицы. Давление вакуумного отсасывания можно приложить к пресс-форме для литья под давлением для отсасывания испаренного растворителя. Например, можно использовать давление отсасывания 67,7 кПа (20 дюймов рт.ст.; 508 мм рт.ст.).In a specific embodiment, the difference in boiling point between the solvent and the matrix binder can be used to evaporate the solvent, avoiding curing of the matrix binder. In one example, the suspension is an IPA solvated mixture consisting of submicron alumina particles and a silane coupling agent. In this example, heat is applied to raise the temperature of the slurry to the boiling point of the IPA solvent at atmospheric pressure of 82.5°C (180°F), which is below the cure temperature of the silane coupling agent of 121.1°C (250°F). As such, raising the temperature of the slurry to about 82.5°C (180°F) causes the IPA solvent to boil off or evaporate without curing the silane coupling matrix. Vacuum suction pressure can be applied to the injection mold to suck out the evaporated solvent. For example, a suction pressure of 67.7 kPa (20 inHg; 508 mmHg) could be used.
Удаление растворителя позволяет создать свободную/открытую пористость в заготовке. То есть, открытый объем в заготовке создают путем удаления растворителя из связующего в заготовке. Например, если суспензия содержит 80 масс. % твердых веществ и 20 масс. % растворителя, тогда удаленный растворитель вызывает сохранение некоторой пористости в заготовке.Removing the solvent creates free/open porosity in the workpiece. That is, an open volume in the preform is created by removing solvent from the binder in the preform. For example, if the suspension contains 80 wt. % solids and 20 wt. % solvent, then the removed solvent causes some porosity to remain in the workpiece.
На стадии 250 определяют, имеет ли ККМ требуемую плотность, пористость и/или объемную долю волокон. Если оксидный ККМ не имеет требуемой плотности, пористости и/или объемной доли волокон, можно выполнить вторую пропитку суспензией согласно стадиям 240-250 с таким же или другим составом суспензии.At
При второй пропитке открытый объем в заготовке, созданный первым удалением растворителя, заполняют суспензией. При второй пропитке затем выпаривают растворитель, создавая свободную/открытую пористость для дополнительной пропитки, если она требуется. Это повторяют до достижения требуемых плотности, пористости и/или объемной доли волокон ККМ.During the second impregnation, the open volume in the workpiece created by the first removal of the solvent is filled with a suspension. The second impregnation then evaporates the solvent, creating free/open porosity for additional impregnation if required. This is repeated until the required density, porosity and/or volume fraction of the CCM fibers are achieved.
В конкретном воплощении используют такой же состав суспензии, как и при первой пропитке. В этом воплощении не требуется никакого разбавления или альтернативных составов суспензии. Как и в обсуждавшемся выше при первой пропитке воплощении для кожуха самолетного антенного окна, суспензию можно закачивать в пресс-форму для литья под давлением при давлении 1,38-1,72 МПа (200-250 фунтов на кв. дюйм; 10340-12930 мм. рт.ст.) и расходе примерно 50 куб. см/мин. Объем суспензии при второй пропитке обычно меньше, чем при первой пропитке.In a specific embodiment, the same suspension composition is used as during the first impregnation. In this embodiment, no dilution or alternative suspension formulations are required. As in the first impregnation embodiment discussed above for an aircraft antenna window housing, the slurry can be pumped into the injection mold at a pressure of 1.38-1.72 MPa (200-250 psi; 10340-12930 mm . Hg) and a flow rate of approximately 50 cubic meters. cm/min. The volume of suspension during the second impregnation is usually less than during the first impregnation.
После завершения пропиток пресс-форму для литья под давлением и заготовку нагревают 252 до температуры отверждения связующего матрицы в заготовке. После отверждения связующего матрицы прекращают нагрев пресс-формы для литья под давлением, и оснастку оставляют остывать на стадии 254. Пресс-форму для литья под давлением удаляют из пресса 256. ККМ затем удаляют 258 из пресс-формы для литья под давлением и спекают 260. Обычные температуры спекания составляют 1000°С-1200°С.After the impregnations are completed, the injection mold and the preform are heated 252 to the curing temperature of the matrix binder in the preform. After the matrix binder has cured, heating of the injection mold is stopped and the tooling is allowed to cool in step 254. The injection mold is removed from the
Другие воплощения находятся в области защиты приложенной формулы изобретения.Other embodiments are within the scope of the appended claims.
Claims (25)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201862619198P | 2018-01-19 | 2018-01-19 | |
| US62/619,198 | 2018-01-19 | ||
| PCT/US2019/013935 WO2019143768A1 (en) | 2018-01-19 | 2019-01-17 | Method of making a ceramic matrix composite |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020123783A RU2020123783A (en) | 2022-02-21 |
| RU2020123783A3 RU2020123783A3 (en) | 2022-03-10 |
| RU2807944C2 true RU2807944C2 (en) | 2023-11-21 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2094229C1 (en) * | 1990-06-29 | 1997-10-27 | Флекслайн Сервисиз Лтд. | Composite material production method |
| EP1043293A1 (en) * | 1998-09-16 | 2000-10-11 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | Ceramics-based composite material excellent in high-temperature durability |
| US20040096619A1 (en) * | 2002-11-11 | 2004-05-20 | The Boeing Company | Flexible insulation blanket having a ceramic matrix composite outer layer |
| EP1647537A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-19 | General Electronic Company | Methods of producing a ceramic matrix composite |
| CN101880172A (en) * | 2010-06-13 | 2010-11-10 | 东华大学 | Preparation method of three-dimensional woven structure fiber reinforced ceramic matrix composites |
| RU2412134C1 (en) * | 2009-09-23 | 2011-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing ceramic composite article |
| US20170341263A1 (en) * | 2014-12-23 | 2017-11-30 | Safran Aircraft Engines | Method for manufacturing a refractory part made of composite material |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2094229C1 (en) * | 1990-06-29 | 1997-10-27 | Флекслайн Сервисиз Лтд. | Composite material production method |
| EP1043293A1 (en) * | 1998-09-16 | 2000-10-11 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | Ceramics-based composite material excellent in high-temperature durability |
| US20040096619A1 (en) * | 2002-11-11 | 2004-05-20 | The Boeing Company | Flexible insulation blanket having a ceramic matrix composite outer layer |
| EP1647537A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-19 | General Electronic Company | Methods of producing a ceramic matrix composite |
| RU2412134C1 (en) * | 2009-09-23 | 2011-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing ceramic composite article |
| CN101880172A (en) * | 2010-06-13 | 2010-11-10 | 东华大学 | Preparation method of three-dimensional woven structure fiber reinforced ceramic matrix composites |
| US20170341263A1 (en) * | 2014-12-23 | 2017-11-30 | Safran Aircraft Engines | Method for manufacturing a refractory part made of composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7481256B2 (en) | Method for manufacturing ceramic matrix composites - Patents.com | |
| US11285638B2 (en) | Method of fabricating a composite material part by injecting a filled slurry into a fiber texture | |
| US10427983B2 (en) | Method for manufacturing part made of composite material | |
| US10328604B2 (en) | Method for manufacturing a refractory part made of composite material | |
| CN110526728B (en) | Fiber-reinforced mullite ceramic matrix composite material and preparation method thereof | |
| CN111971263B (en) | Method for manufacturing parts made of composite materials by infusing a fibrous structure with a loaded ceramic slurry | |
| US5569422A (en) | Method of making parts out of an alumina matrix composite material | |
| CN111093922B (en) | Method for injecting a loaded slurry into a fibrous structure | |
| JP2018537378A (en) | Method for producing ceramic composite parts by pressure injection of charging slurry into a porous mold | |
| US9302946B2 (en) | Process for producing a ceramic matrix composite part | |
| CA2459491C (en) | Making a blank by reinforcing a fiber structure and/or bonding fiber structures together, and use in making composite material parts | |
| CN102712546B (en) | Low-thickness thermostructural composite material part, and manufacture method | |
| US20200339480A1 (en) | Method for the production of a part made from a composite material, by means of the injection of powder into a fibrous reinforcement with drainage through a composite filtration layer | |
| US10836072B2 (en) | Method of fabricating an impregnated fiber assembly | |
| RU2807944C2 (en) | Method for manufacturing composite with ceramic matrix | |
| US20220281134A1 (en) | Method for producing a part from composite material by injecting a filled slip into a fibrous texture | |
| BR112020014259B1 (en) | METHOD OF MANUFACTURING A CERAMIC MATRIX COMPOSITE | |
| CN117545606B (en) | Method for infusing ceramic powders using filters generated in situ in a fiber preform |