СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНОЙ ДЕТАЛИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MAKING REFRACTORY PART FROM COMPOSITE MATERIAL

Уровень техники
Изобретение относится к способу изготовления детали из термоконструкционного композиционного материала, в частности, оксид-оксидного типа или из композиционного материала с керамической матрицей (КМКМ), т.е. содержащего упрочняющие волокна из огнеупорного материала, запрессованные в матрицу, также выполненную из огнеупорного материала.
2
3
4
Детали из оксид-оксидных композиционных материалов, как правило, изготавливаются путем укладки в пресс-форму множества слоев огнеупорных оксидных волокон с предварительной пропиткой каждого слоя суспензией, содержащей твердые огнеупорные оксидные частицы. Набор уложенных таким образом слоев затем уплотняется с помощью контрформы вакуумного листа и пропускается через автоклав. Полученная таким образом заполненная заготовка затем подвергается спеканию с целью формирования огнеупорной оксидной матрицы внутри заготовки и получения детали из оксид-оксидного композиционного материала. Этот способ можно использовать также для изготовления деталей из композиционного материала с керамической матрицей (КМКМ). При этом волоконные слои выполняются из волокон карбида кремния (SiC) или углерода, пропитанных суспензией, содержащей твердые частицы карбида (например, SiC), борида (например, TiB) или нитрида (например, SiN).
Однако такой способ изготовления подходит только для изготовления деталей из КМКМ или оксид-оксидного композиционного материала, имеющих малую толщину и содержащих двухмерные (2D) упрочняющие волокна. Механические характеристики композиционных материалов этих типов остаются ограниченными в определенных направлениях. В частности, эти материалы обладают низкой стойкостью к расслаиванию и плохо переносят срезающие нагрузки.
Волокнистые структуры, получаемые путем объемного свивания непрерывных волокон основы и утка, позволяют повысить механическую прочность материала, и, в частности, повышают его стойкость к расслаиванию. При таких обстоятельствах, а также для двухмерных волокнистых структур, можно заставить насыщенную суспензию проникать в волокнистую структуру, толщина которой может достигать нескольких десятых миллиметра, в зависимости от предполагаемого применения, только с помощью способов, в которых используется градиент давления, таких как методы инфузионного типа, методы инжекционного формования, известные под названием "формование с переносом смолы" (RTM-формование), или методы, связанные с всасыванием субмикронного порошка, известные под названием "продвинутые порошковые технологии" (ППТ).
Однако в плане изготовления деталей из КМКМ или оксид-оксидных материалов, эти методы имеют определенные недостатки.
В частности, пропитку волокнистой структуры сложной формы и большой толщины невозможно осуществить методом инфузионного типа, поскольку он не обеспечивает градиент давления, достаточный для получения хорошей пропитки по всей структуре.
Метод ППТ-типа не обеспечивает точный контроль количества матрицы, внедряемой в заготовку.
Несмотря на то, что метод RTM-формования можно использовать для пропитки волокнистой структуры насыщенной суспензией, он все-таки требует выполнения этапа удаления суспензионного растворителя (путем испарения или дренирования), чтобы в заготовке перед спеканием остался только твердый наполнитель. Такой этап удаления растворителя при использовании метода RTM-формования обычно не производится. Проведение этого дополнительного этапа приводит к значительному увеличению времени обработки заготовки. Кроме того, может оказаться необходимым повторить этап впрыскивания суспензии, и, следовательно, этапа удаления растворителя также.
Далее, испарение растворителя является трудоемким, поскольку удаление растворителя из заготовки необходимо производить таким образом, чтобы при этом не нарушалось распределение твердых частиц (огнеупорного оксида, карбида, борида, нитрида, и т.д.), внесенных суспензией. В частности, при просушивании пропитанной заготовки, испарение и дренирование растворителя может привести к уносу твердых частиц растворителем и/или изменению распределения твердых частиц в заготовке, что может привести к возникновению больших пор в получаемом материале вследствие недостатка матрицы в некоторых областях.
Цель и раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков и созданию решения, обеспечивающего возможность изготовления деталей из композиционного материала, в частности, оксид-оксидного типа или КМКМ-типа, из волокнистой структуры, являющейся толстой и/или имеющей сложную форму, таким образом, чтобы данный способ был быстрым и надежным, и обеспечивал хороший контроль нанесения и распределения твердых частиц по волокнистой структуре, с целью получения материала с очень низким содержанием макропор.
С этой целью, настоящее изобретение предлагает способ изготовления детали из композиционного материала, предусматривающий выполнение следующих этапов:
- формирование волокнистой структуры из огнеупорных волокон;
- установку волокнистой структуры в пресс-форме с камерой пропитки, содержащей в своей нижней части элемент из пористого материала, на который опирается первая сторона указанной структуры, причем верхняя часть камеры пропитки закрыта деформируемой непроницаемой диафрагмой, обращенной ко второй стороне волокнистой структуры, причем указанная диафрагма отделяет камеру пропитки от камеры сжатия;
- впрыскивание суспензии, содержащей порошок огнеупорных твердых частиц, в камеру пропитки между второй стороной волокнистой структуры и диафрагмой;
- впрыскивание в камеру сжатия сжимающей жидкости, которая оказывает давление на диафрагму, заставляя суспензию проникать в волокнистую структуру;
- дренирование, через элемент из пористого материала, суспензионной жидкости, прошедшей сквозь волокнистую структуру, оставляя порошок огнеупорных твердых частиц внутри указанной структуры с помощью указанного элемента из пористого материала, с целью получения волоконной заготовки, заполненной огнеупорными твердыми частицами;
- сушка волоконной заготовки;
- извлечение волоконной заготовки из формы; и
- спекание огнеупорных твердых частиц, находящихся внутри волоконной заготовки, с целью получения огнеупорной матрицы в указанной заготовке.
Благодаря использованию элемента из пористого материала, пригодного для удаления суспензионной жидкости, предлагаемый настоящим изобретением способ дает возможность удалить жидкую фазу из суспензии, введенной в волокнистую структуру, без устранения огнеупорных твердых частиц, также присутствующих в структуре. Удаление твердой фазы суспензии путем дренирования дает возможность также избежать изменения распределения огнеупорных твердых частиц в волокнистой структуре, и, следовательно, получить деталь из композиционного материала с хорошим объемным содержанием матрицы. Таким образом, деталь, изготовленная из термоконструкционного композиционного материала, обеспечивает улучшенные механические свойства.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения элемент из пористого материала является твердым и имеет форму, соответствующую форме изготовляемой детали из композиционного материала.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения элемент из пористого материала является деформируемым, а дно пресс-формы имеет форму производимой детали из композиционного материала, и элемент из пористого материала принимает форму дна пресс-формы.
В третьем варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению, в ходе этапа формирования волокнистой структуры, переплетение волокон образует трехмерную структуру.
В четвертом варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению, волокнистая структура образуется путем укладывания друг на друга слоев с двухмерным переплетением, и толщина структуры составляет по меньшей мере 0,5 миллиметров (мм), предпочтительно, 1 мм.
Нити заготовки могут быть сформированы из волокон, выполненных из одного или нескольких следующих материалов: оксида алюминия, муллита, кремнезема, алюмосиликата, боросиликата, карбида кремния и углерода.
Огнеупорные твердые частицы могут быть выполнены из материала, выбираемого из группы, включающей в себя оксид алюминия, муллит, кремнезем, алюмосиликат, алюмофосфат, диоксид циркония, карбид, борид и нитрид.
В одном из возможных вариантов осуществления, деталь из композиционного материала, получаемая с помощью предлагаемого способа, представляет собой рабочую лопатку турбины газотурбинного двигателя.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более ясными после ознакомления с представленным ниже подробным описанием предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 схематично показано устройство согласно варианту осуществления настоящего изобретения, вид в разрезе в разобранном состоянии;
- на фиг. 2 – то же, с установленной внутри устройства волокнистой структурой; и
- на фиг. 3 и 4 схематично показаны этапы пропитки волокнистой структуры в устройстве, показанном на фиг. 2, насыщенной суспензией, согласно варианту осуществления способа, предлагаемого настоящим изобретением, виды в разрезе.
Осуществление изобретения
Предлагаемый настоящим изобретением способ изготовления детали из композиционного материала, в частности, из оксид-оксидного или КМКМ-типа, начинается с изготовления волокнистой структуры для формирования упрочняющей основы детали.
Волокнистая структура изготовляется известным способом с использованием ткацкого станка типа Жаккарда, чтобы соткать пучок нитей основы или жил, занимающих несколько слоев, с нитями основы, связанными нитями уточной пряжи, или наоборот. Волокнистую структуру можно создать путем укладывания друг на друга слоев, полученных путем двухмерной прошивки. Волокнистая структура также может быть получена непосредственно в качестве отдельной части посредством трехмерной прошивки. Термин "двухмерная прошивка" в данном описании используется для обозначения обычного метода переплетения, при котором нити уточной пряжи проходят от одного края ткани к другому в одном слое нитей основы, или наоборот. Предлагаемый настоящим изобретением способ предназначен, в частности, для введения насыщенной суспензии в двухмерные волокнистые структуры, полученные путем наложения друг на друга двухмерных слоев, обладающие значительной толщиной, т.е. в двухмерные волокнистые структуры толщиной по меньшей мере 0,5 мм, предпочтительно, по меньшей мере 1 мм.
Термин "трехмерная волокнистая структура" или, фактически, "многослойная структура", используется здесь для обозначения структуры, в которой по меньшей мере некоторые нити уточной пряжи связывают нити основы нескольких слоев нитей основы, или наоборот, путем создавая ткань одного из следующих типов: интерлочного, мульти-плейнового, мульти-сатинового и мульти-саржевого типа.
Термин "интерлочная пряжа или ткань" используется для обозначения трехмерной структуры, в которой каждый слой нитей основы переплетается с множеством слоев уточной пряжи, причем все нити одной и той же колонки основы совершают одинаковое движение в плоскости ткани.
Термин "мульти-плейновая пряжа или ткань" используется в данном описании для обозначения трехмерной структуры с множеством слоев уточной пряжи, в которых базовая пряжа каждого слоя эквивалентна пряже обычного гладкого типа, но в некоторых точках пряжа переплетается со слоями уточной пряжи.
Термин "мульти-сатиновая пряжа или ткань" используется в данном описании для обозначения трехмерной структуры с множеством слоев уточной пряжи, в которых базовая пряжа каждого слоя эквивалентна пряже обычного сатинового (атласного) типа, но в некоторых точках пряжа переплетается со слоями уточной пряжи.
Термин "мульти-саржевая пряжа или ткань" используется в данном описании для обозначения трехмерной структуры с множеством слоев уточной пряжи, в которых базовая пряжа каждого слоя эквивалентна пряже обычного саржевого типа, но в некоторых точках пряжа переплетается со слоями уточной пряжи.
Трехмерные структуры имеют сложную форму, в которую трудно ввести твердые частицы с помощью суспензии и обеспечить их равномерное распределение. Предлагаемый изобретением способ хорошо приспособлен для введения насыщенной суспензии в трехмерные плетеные волокнистые структуры.
Нити, используемые для создания волокнистой структуры, образующей волоконное упрочнение детали из композиционного материала, в частности, могут быть выполнены из волокон, для изготовления которых используется один из следующих материалов: оксид алюминия, муллит, кремнезем, алюмосиликат, боросиликат, карбид кремния, углерод или смесь одного или нескольких из вышеперечисленных материалов.
TM
После создания волокнистой структуры её помещают в устройство согласно настоящему изобретению, обеспечивающее возможность введения огнеупорных твердых частиц внутрь волокнистой структуры, как будет более подробно объяснено ниже. С этой целью, как показано на фиг. 1 и 2, волокнистую структуру 10 помещают в устройство 100. В рассматриваемом примере волокнистая структура 10 создается одним из вышеуказанных методов (путем укладывания друг на друга двухмерных слоев или с помощью трехмерной структуры), с использованием нитей Nextel 610 оксида алюминия. Волокнистая структура 10 в данном примере служит для создания упрочняющей волоконной основы турбинной лопатки, выполненной из оксид-оксидного композиционного материала.
Устройство 100 содержит пресс-форму 110, в нижней части 111 которой выполнено дренажное отверстие 112. Пресс-форма 110 содержит также боковую стенку 113 с инжекционным отверстием 114, оборудованным клапаном 1140. Выполненный из пористого материала элемент 120 устанавливают на внутреннюю поверхность 111a нижней части 111. Нижняя поверхность 120b элемента 120 из пористого материала контактирует с внутренней поверхностью 111a нижней части 111, а на верхнюю поверхность 120a указанного элемента помещают волокнистую структуру 10. В рассматриваемом примере элемент 120 выполнен из деформируемого материала, а внутренняя поверхность 111a нижней части 111 пресс-формы 110 имеет форму или профиль, соответствующий профилю производимой детали (в данном примере – рабочей турбинной лопатки газотурбинного двигателя). Поскольку элемент 120 является деформируемым, он принимает форму внутренней поверхности 111a нижней части 111, и форма его верхней поверхности 120a становится аналогичной форме поверхности 111a. В качестве примера, элемент 120 может быть выполнен из микропористого политетрафторэтилена (ПТФЭ), такого как продукт под названием "микропористый ПТФЭ", продаваемый поставщиком Porexs.
В другом возможном варианте осуществления изобретения, элемент из пористого материала является твердым, и его верхняя поверхность имеет форму, соответствующую окончательной форме производимой детали. В таком случае, деталь может производиться, в частности, путем термоформовки.
Толщина элемента из пористого материала может составлять, например, несколько миллиметров, а среднее содержание пор может составлять приблизительно 30%. Средний размер пор (D50) элемента из пористого материала может составлять, например, от 1 микрона (мкм) до 2 мкм.
Устройство 100 содержит также крышку 130, в которой имеется инжекционное отверстие 131 с клапаном 1310, и деформируемую диафрагму 140, которая при закрытии устройства (см. фиг. 2) отделяет камеру пропитки 110, в которой находится волокнистая структура 10, от камеры сжатия 102, расположенной над диафрагмой 140. Диафрагма 140 может быть выполнена, например, из силикона.
После установки структуры 10 на верхнюю поверхность 120a элемента из пористого материала 120a, пресс-форму 110 закрывают крышкой 130 (фиг. 2). Затем в камеру пропитки 101 через инжекционное отверстие 114 с открытым клапаном 1140 подается суспензия 150 (фиг. 3). В рассматриваемом примере суспензия 150 служит для формирования огнеупорной оксидной матрицы внутри структуры. Суспензия 150 содержит порошок твердых огнеупорных оксидных частиц, средний размер которых составляет от 0,1 мкм до 10 мкм. В качестве жидкой фазы суспензии может использоваться, например, вода (с кислотным водородным показателем pH), этанол или любая другая жидкость, обеспечивающая нахождение во взвешенном состоянии порошка твердых частиц. В жидкую фазу может добавляться также органическое вяжущее вещество (например, поливиниловый спирт (ПВС), растворимый в воде). Органическое вяжущее вещество служит для связывания необработанной заготовки после сушки перед спеканием.
В качестве примера, суспензия 150 может представлять собой водную суспензию, содержащую порошок оксида алюминия со средним размером частиц (D50) от 0,1 мкм до 0,3 мкм и объемным содержанием в диапазоне от 27% до 42%, кислотность которой обеспечивается с помощью азотной кислоты (pH от 1,5 до 4). Помимо оксида алюминия, твердые огнеупорные оксидные частицы могут также быть выполнены из материала, выбираемого из группы, включающей в себя муллит, кремнезем, алюмосиликат, алюмофосфат и диоксид циркония. В качестве базовой композиции, твердые огнеупорные оксидные частицы могут также смешиваться с твердыми частицами оксида алюминия, диоксида циркония, алюмосиликата, оксидов редкоземельных элементов, дисиликатов редкоземельных элементов (например, используемыми в экологических или термических барьерах), или с любыми другими наполнителями, обеспечивающими конкретные функции окончательного материала (техническим углеродом, графитом, карбидом кремния, и т.д.).
Количество суспензии 150, вводимой в камеру пропитки 101, определяется объемом волокнистой структуры 10, которую требуется пропитать данной суспензией. Количество первоначально вводимого порошка определяет окончательную толщину осадка, и, следовательно, объемное содержание волокон (Fvf) и объемное содержание матрицы (Mvf).
После впрыскивания суспензии в камеру пропитки 101 выполняется этап сжатия путем впрыскивания сжимающей жидкости 160, например, масла, в камеру сжатия 102 через инжекционное отверстие 131 с открытым клапаном 1310 (после закрытия клапана 1140 инжекционного отверстия 114). Сжимающая жидкость 160 оказывает давление на суспензию 150 через диафрагму 140, заставляя суспензию 150 проникать в волокнистую структуру 10. Сжимающая жидкость 160 оказывает гидростатическое давление на всю поверхность диафрагмы 160, и, следовательно, на всю суспензию, находящуюся над структурой 10. Давление, оказываемое диафрагмой 140 на суспензию и на волокнистую структуру, предпочтительно, составляет менее 15 бар (1,5 МПа), например, 7 бар (0,7 МПа), заставляя суспензию проникать внутрь структуры и обеспечивая сжатие структуры, достаточное для того, чтобы жидкая фаза суспензии выходила из элемента из пористого материала, без какого-либо повреждения получаемой заготовки.
Элемент из пористого материала 120, расположенный рядом с поверхностью 10b волокнистой структуры напротив поверхности 10a, через которую суспензия проходит в структуру, выполняет несколько функций. В частности, элемент 120 обеспечивает дренирование суспензионной жидкости из волокнистой структуры, при котором жидкость, дренируемая таким образом, в рассматриваемом примере сливается через дренажное отверстие 112. Дренирование осуществляется как в ходе этапа сжатия, так и после его окончания. Когда жидкость перестает выходить из дренажного отверстия 112, дренирование заканчивается. Помимо приложения давления к суспензии с помощью сжимающей жидкости, можно применять также откачивание P, например, с помощью основного вакуумного насоса (не показана на фиг. 1 - 4), через дренажное отверстие 112. Такое откачивание не является обязательным. Нагрев может оказаться вполне достаточным. Тем не менее, совместное использование обоих вышеуказанных средств позволяет ускорить процесс сушки.
Кроме того, может содержать нагревательное средство, например, такое как резисторные элементы, вмонтированные в стенки устройства, служащее для повышения температуры внутри камеры сжатия и обеспечения удаления жидкости из суспензии посредством испарения. Температуру внутри камеры сжатия можно повышать до величины от 80°C до 105°C.
Элемент 120 из пористого материала обеспечивает также возможность удержания твердых частиц огнеупорных оксидов, находящихся в суспензии, которые, таким образом, постепенно осаждаются в волокнистой структуре. Это обеспечивает возможность последующего (т.е. после спекания) получения матрицы.
Кроме того, элемент 120 обеспечивает возможность сохранения формы волокнистой структуры во время этапа сжатия, так как его верхняя поверхность 120a повторяет форму нижней части 111 пресс-формы 110, которая соответствует окончательной форме производимой детали.
Таким образом, создается волоконная заготовка 20, заполненная твердыми огнеупорными оксидными частицами, в частности, твердыми частицами оксида алюминия вышеуказанного типа. После этого заготовку извлекают из пресс-формы, сливая сжимающую жидкость из камеры сжатия 102, причем после извлечения заготовка сохраняет свою сжатую форму.
После извлечения из устройства заготовку подвергают термообработке с целью спекания в воздушной среде при температуре в диапазоне от 1000°C до 1200°C, чтобы обеспечить спекание твердых огнеупорных оксидных частиц друг с другом с целью формирования огнеупорной оксидной матрицы в заготовке. Таким образом, создается деталь из оксид-оксидного композиционного материала, содержащая упрочняющую волоконную основу с трехмерной структурой, которая обеспечивает высокое объемное содержание матрицы с равномерным распределением матрицы по всей упрочняющей волоконной основе.
2
3
4
Деталь из композиционного материала с керамической матрицей (КМКМ) может быть получена аналогичным образом, с волокнистой структурой из волокон карбида кремния или волокон углерода и использованием суспензии со взвешенными твердыми карбидными частицами (например, SiC), боридными твердыми частицами (например, TiB) или нитридными твердыми частицами (например, SiN).