BR102013010197A2

BR102013010197A2 - Method of forming an article of cmc, incorporated mandril and cmc article

Info

Publication number: BR102013010197A2
Application number: BR102013010197-4A
Authority: BR
Inventors: Edward Gray Paul; Curtis Taxacher Glenn; Chidsey Roberts Herbert
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-07-11
Also published as: JP2013256436A; EP2657209B1; CN103373862B; EP2657209A1; JP6276514B2; US20140072736A1; CA2813313A1; US10450235B2; CN103373862A

Abstract

método de formar um artigo de compósito de matriz cerâmica a presente invenção se refere geralmente a artigos de compósito de matriz cerâmica (cmc) e processos para sua produção. o método de formar um artigo (100) de compósito de matriz cerâmica, com pelo menos uma cavidade interna (50), em que o método compreende incorporar pelo menos um mandril (40) dentro de uma pré-forma (10) de compósito de matriz cerâmica - cmc; e sujeitar a pré-forma (10) de cmc a um tratamento térmico em que o pelo menos um mandril (40) derrete para produzir um material fundido que molha a pré- forma (10) de cmc, sendo que o material fundido é reagido com e / ou absorvido dentro da pré-forma (10) de cmc, de modo a ser consumido, deixando para trás pelo menos uma cavidade interna (50) dentro da pré-forma (10) de cmc.

Description

“MÉTODO DE FORMAR UM ARTIGO DE CMC, MANDRIL INCORPORADO E ARTIGO DE CMC” Referência Cruzada Para Pedidos Relacionados Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório Norte Americano de No. U.S. 61/639.617, depositado em 27 de abril de 2012, cujos conteúdos são incorporados neste documento por referência.

Declaração Sobre Pesquisa Patrocinada Federalmente Esta invenção foi feita com suporte governamental sob o Contrato No. DE-FC26-05NT42643 adjudicado pelo Departamento de Energia. O Governo tem certos direitos nesta invenção.

Fundamentos Da Invenção A presente invenção se refere geralmente a artigos de compósito de matriz cerâmica (CMC) e processos para sua produção.

Materiais de CMC têm se tornado de particular interessa para uso em turbo-maquinário uma vez que são solicitadas temperaturas de operação mais altas para aumentar sua eficiência. Os materiais de CMC, e particularmente aqueles propostos para aplicações de motor de turbina a gás, compreendem tipicamente um material de reforço de fibro-cerâmica embutido em um material de matriz cerâmica. O material de reforço serve como o constituinte de suporte de carga do CMC, e a matriz cerâmica protege o material de reforço, mantém a orientação de suas fibras, e serve para dissipar cargas para o material de reforço.

Compósitos baseados em silício são de particular interesse para aplicações de alta temperatura, tal como carboneto de silício (SiC) como a matriz e / ou material de reforço. Exemplos notáveis de Materiais de CMC de SiC/Si-SiC (fibra / matriz) e processos são revelados em Patentes Norte Americanas de Nos. U.S. 5.015.540, 5.330.854, 5.336.350, 5.628.938, 6.024.898, 6.258.737, 6.403.158, e 6.503.441 cedidas ao mesmo cessionário, e Publicação de Pedido de Patente Norte Americana de No. U.S. 2004/0067316 cedida ao mesmo cessionário. Um processo como este é conhecido como infiltração de fundido (Ml) “pré-impregnado”, que em termos gerais compreende a fabricação de CMCs usando múltiplas camadas pré-impregnadas, cada uma na forma de uma estrutura como fita que compreende o material de reforço desejado, um precursor do material de matriz de CMC, ligantes, e outros ingredientes possíveis. Os pré-impregnados têm que passar por processamento (incluindo cura, também conhecida como cozimento) para converter o precursor para a cerâmica desejada. Múltiplas telas de pré-impregnados são empilhadas e limpas para formar uma pré-forma de laminado, um processo referenciado como “empilhamento”. Seguindo o empilhamento, a pré-forma de laminado tipicamente passará por limpeza e cura ao mesmo tempo em que sujeita a pressão aplicada e uma temperatura elevada, tal como em uma autoclave. O processo de infiltração de fundido geralmente compreende aquecer a pré-forma de laminado em uma atmosfera de vácuo ou inerte para decompor (queimar) os ligantes e produzir uma pré-forma porosa pronta para infiltração de fundido, após o que a pré-forma pode ser infiltrada de fundido com, por exemplo, silício fundido fornecido externamente para a pré-forma. O silício fundido infiltra na porosidade e preferencialmente reage com constituintes (por exemplo, uma fonte de carbono) dentro da matriz para formar uma cerâmica baseada em silício (por exemplo, carboneto de silício) que preenche a porosidade para produzir o componente de CMC deséjado.

Artigos de CMC que têm cavidades internas são desejáveis ou necessários para algumas aplicações, incluindo, mas não limitadas a cavidades que definem fendas / orifícios de resfriamento e passagens complexas de resfriamento dentro de componentes de aerofólio, bem como cavidades destinadas a geralmente obter redução de peso. As cavidades internas podem ser produzidas em um artigo de CMC formando a pré-forma de laminado em volta de um mandril. Entretanto, os mandris têm que ser removidos antes da infiltração de fundido. Mandris que permanecem sólidos durante a queima têm que ser removidos fisicamente, o que pode ser impossível se a cavidade desejada tiver torções ou cones. A FIGURA 1 mostra esquematicamente um exemplo onde um mandril convencional de aço 30 é destinado a formar uma subsequente cavidade em uma seção 20 de uma pré-forma de laminado 10. O mandril de aço 30 não pode ser removido da pré-forma 10 devido a o mesmo estar capturado por um ressalto 22 definido por telas em uma extremidade da pré-forma 10. Para endereçar esta questão, têm sido propostos mandris poliméricos que são formados de resinas evanescentes. Resinas poliméricas evanescentes, no contexto desta descrição, são tipicamente sólidos baseados em hidrocarboneto os quais em consequência de aquecer a uma temperatura suficientemente alta, tipicamente 400 a 800 °C, volatiliza deixando pouco ou nenhum resíduo de carbono. Exemplos notáveis de resinas evanescentes incluem poli-metacrilato de metila e ply-vinil álcool. Entretanto, estas resinas têm coeficientes de expansão térmica que podem ser cinco a dez vezes maiores do que o material da pré-forma de CMC. O coeficiente de expansão mais alto das resinas evanescentes pode fazer com que a pré-forma de CMC distorça durante o aquecimento para decompor as resinas aglutinantes. Durante a queima, as resinas evanescentes derretem e a resina derretida tem que ser removida da cavidade resultante no interior do artigo de CMC. Parte da resina derretida pode formar um revestimento carbonoso dentro da cavidade o qual, quando reagido com silício durante a infiltração de fundido subsequente, pode alterar as dimensões da cavidade. Quando usando resinas evanescentes com componentes de CMC de tamanho maior, a quantidade de gases que têm que escapar da ou através da pré-forma quando o mandril polimérico se decompõe também aumenta. Isto necessita usar ciclos de pirólise mais lentos o que aumenta o tempo de ciclo de processamento para os componentes de CMC.

Consequentemente, existe uma demanda por métodos aprimorados capazes de formar cavidades internas dentro de artigos de CMC.

Breve Descrição Da Invenção A presente invenção fornece um método capaz de formar uma cavidade interna dentro de um artigo de CMC através do uso de um mandril que pode ser vantajosamente reativo a constituintes do material de CMC para assim ser incorporado no artigo de CMC.

Um primeiro aspecto da invenção é um método para criar uma cavidade interna em um artigo de CMC pelo uso de um mandril reativo para obter uma cavidade em um artigo de CMC. O material do mandril molha a pré-forma de CMC e reage com a pré-forma e / ou é absorvido na pré-forma durante um tratamento térmico. Em uma realização preferencial da invenção, um mandril reativo é feito de silício elementar ou de uma liga de silício, a qual derrete durante a infiltração de fundido para fornecer uma fonte de silício para o processo de infiltração de fundido e / ou é eliminado em sua maior parte da cavidade oca interna resultante.

Um segundo aspecto da invenção é um mandril adequado para o propósito de criar uma cavidade interna em um artigo de CMC. Em uma realização preferencial da invenção, o mandril compreende silício ou uma liga de silício.

Um terceiro aspecto da invenção é para criar um artigo de CMC com uma cavidade interna desejada através de um método de usar um mandril feito de um material que é reativo quimicamente com um constituinte da pré-forma de CMC e / ou absorvível pela pré-forma de CMC, e infiltrar fundido a pré-forma em que o material do mandril molha a pré-forma de CMC, reage com um constituinte da pré-forma e é substancialmente absorvido.

Um efeito técnico da invenção é que, devido ao mandril ser derretido para reagir com ou ser absorvido em uma pré-forma de CMC, uma cavidade interna em um artigo de CMC pode ser produzida sem distorção ou deformação indesejada da pré-forma de CMC usada para produzir o artigo. Adicionalmente, podem ser eliminados longos tempos de processamento tipicamente necessários quando resinas evanescentes são usadas para produzir uma cavidade.

Outro efeito técnico da invenção é que as cavidades de formas desejadas e complexas podem ser obtidas em um artigo de CMC para propósitos de redução de peso e / ou propósitos de resfriamento sem dificuldades tipicamente associadas com a remoção de mandris metálicos não reativos ou problemas associados com a eliminação de resinas evanescentes usadas em mandris não reativos.

Outros aspectos e vantagens desta invenção serão avaliados adicionalmente a partir da descrição detalhada a seguir Breve Descrição Das Figuras A FIGURA 1 representa esquematicamente um corte de uma pré-forma de CMC com um mandril não reativo. A FIGURA 2 representa esquematicamente um corte de uma pré-forma de CMC com um mandril reativo ou absorvível de outra forma. A FIGURA 3 representa esquematicamente um corte do artigo de CMC com uma cavidade obtido através do uso de um mandril reativo ou absorvível de outra forma.

Descrição Detalhada Da Invenção Esta invenção é dirigida à criação de cavidades internas dentro de artigos de CMC, por exemplo, para criação de canais de resfriamento, obter redução de peso e / ou qualquer outro propósito desejado. Processos convencionais para criar estas cavidades têm utilizado mandris formados de materiais tais como resinas evanescentes ou metais não reativos. Ambos estes métodos têm diversas limitações e desvantagens como descrito previamente. A invenção corrente endereça dificuldades e desvantagens da técnica anterior por métodos que incorporam o uso de mandris feitos de materiais que podem ser absorvidos e preferencialmente reagidos com uma pré-forma de CMC usada na fabricação de um artigo de CMC. Em particular, os materiais preferenciais para mandris empregados com a invenção são fundidos em uma temperatura de tratamento térmico da pré-forma, por exemplo, durante infiltração de fundido realizada após uma etapa de cura (cozimento) executada em uma pré-forma de laminado para formar uma pré-forma porosa.

Características preferenciais para materiais para mandris que podem ser vantajosamente eliminados por absorção e reação com uma pré-forma de CMC incluem a habilidade para serem moldados em uma forma adequada para um mandril, molhar a pré-forma de CMC nas temperaturas de infiltração de fundido, reagir com constituintes da pré-forma de CMC para formar produtos da reação que sejam vantajosos ou pelo menos não prejudiciais ao artigo final, e ser absorvido quase completamente pela pré-forma de CMC ou por reação, por infiltração, ou ambos.

Os materiais preferenciais para estas mandris são silício e ligas de silício. Mandris que contém silício sinterizado podem ser fabricados, por exemplo, por prensagem úmida e sinterização de um material em pó em grandes lotes para minimizar os custos. Materiais de silício elementar e liga de silício em pó são capazes de exibir encolhimento próximo a zero durante a sinterização, e ainda exibem resistência suficiente para sobreviver ao manuseio e pressões de cura em autoclave. Além disso, um mandril que contém silício sinterizado pode permanecer dentro da pré-forma durante a sequência inteira do processo levando a infiltração de fundido e exibir características de expansão térmica similares àquelas da pré-forma de CMC. Embora materiais de silício ou baseados em silício possam ser bem adequados como o material de um mandril usado para criar uma cavidade dentro de artigos de CMC baseado em SiC, é previsível que materiais diferentes dos mandris com diferentes características de reação e / ou infiltração possam existir ou ser desenvolvidos e devem ser compatíveis com a química de um artigo de CMC.

Um mandril desta invenção pode ser formado inteiramente de silício elementar ou de uma liga de silício. Alternativamente, mandris que contém silício sinterizado também podem conter ligantes evanescentes, tais como resinas acrílicas ou álcool polivinila. Uma pequena quantidade de água ou álcool pode ser adicionada para tornar a mistura inicial de pó úmida e adequada para prensagem em um molde. A mistura de pó pode ser prensada sob pressão suficiente para produzir uma forma autônomo desejada, daqui em diante chamada de núcleo. Em um método preferencial não limitante, este núcleo pode ser seco e em seguida carregado dentro de um forno a vácuo para passar por sinterização, por exemplo, em uma temperatura de aproximadamente 1385 +/-10 °C por aproximadamente noventa minutos, para tornar o mesmo autônomo e capaz de sobreviver sendo coberto com telas pré-impregnadas com precursor de compósito de cerâmica para produzir uma pré-forma de laminado de CMC. Uma vez que o núcleo encolhe durante a operação de sinterização, tolerância tem que ser feita superdimensionando a forma de núcleo prensado original. A forma sinterizada é então removida do forno a vácuo. Também pode ser previsto usar uma impressora 3-dimensional (3-D) com pó de silício em uma tinta de impressão adequada para uso com impressoras 3-D como um meio para fazer um mandril com traços finos. Um núcleo feito com tinta de silício pode ser sinterizado como descrito acima. O mandril é preferencialmente revestido para produzir uma superfície substancialmente impenetrável capaz de impedir que quaisquer resinas da pré-forma de CMC penetrem no mandril de silício sinterizado durante o empilhamento e cura da pré-forma de laminado de CMC. Uma superfície impenetrável é particularmente desejável se as resinas de pré-forma j i J são do tipo que deve formar um composto de silício, tal como carboneto de . silício, e pode para este fim reagir com o silício no mandril e possivelmente fazer com que as dimensões da cavidade interna formada pelo mandril sejam alteradas. Materiais de revestimento adequados para este propósito incluem, mas não são limitados a, resinas acrílicas de pulverização, tal· como poli metacrilato de metila.

As telas pré-impregnadas com precursor de compósito de cerâmica podem então ser enroladas sobre a forma de mandril sinterizado e curado em um autoclave ou conjunto de matriz correspondente. Após a cura, a pré-forma e mandril sinterizado podem ser aquecidos acima de 500 °C para remover os componentes resinosos para produzir uma pré-forma porosa. A pré-forma porosa mais o núcleo de silício sinterizado e qualquer silício adicional podem então ser adicionalmente aquecidos em outro forno a vácuo ou de atmosfera para fazer com que o silício derreta e infiltre na pré-forma porosa. A FIGURA 2 representa esquematicamente um mandril de silício sinterizado 40 incorporado dentro de uma seção 20 de uma pré-forma de laminado 10.

Durante um processo de infiltração de fundido ou outro tratamento térmico da pré-forma 10, o mandril de silício 40 derrete e o material fundido resultante molha a pré-forma de CMC 10, infiltra na pré-forma 10 e reage quimicamente com constituintes da pré-forma de CMC para formar, por exemplo, SiC ou outros compostos de silício. Qualquer silício não reagido pode simplesmente permanecer infiltrado. A FIGURA 3 representa esquematicamente uma cavidade 50 formada na seção 20 da pré-forma de CMC 10 completamente infiltrada indicada na FIGURA 3 como o artigo final de CMC 100.

Será observado por pelos indivíduos versados na técnica que o uso de um material reativo do mandril pode resultar em material do mandril não consumido. Esta condição pode ser evitada ajustando adequadamente as condições do processamento. A presença de material do mandril não consumido dentro do artigo de CMC pode não ter qualquer efeito prejudicial exceto em casos em que o peso do artigo de CMC tem que ser controlado rigorosamente. Nestes casos o consumo completo do material do mandril pode ser assegurado através de etapas adicionais de processamento quando requerido. Múltiplas cavidades podem ser formadas em uma pré-forma de CMC utilizando múltiplos mandris e seguindo os métodos descritos neste documento.

Uma cavidade única ou cavidades múltiplas formadas em um artigo de CMC podem ser utilizadas para propósitos de redução de peso, e / ou como fendas / i orifícios de resfriamento. ! É previsível que possam ser usados outros materiais que molhem a pré-forma de CMC 10 durante um processo de infiltração de fundido e sejam | completamente absorvidos através de penetração dentro da pré-forma de CMC 10, mas que não devem necessariamente reagir como o silício faz com a pré-forma de CMC 10. Entretanto, nestes casos uma necessidade de assegurar que estes materiais não contribuam para quaisquer efeitos desfavoráveis ou devido a características de expansão térmica ou outras propriedades físicas.

Realizações preferenciais da invenção são portanto dirigidas à utilização de materiais que contém silício de modo que nenhum material estranho seja usado ou formado que não aqueles dos processos infiltração de fundido convencionais de CMC, resultando em um artigo de CMC baseado em SiC.

Deve ser observado adicionalmente que os métodos revelados podem ser usados para criar cavidades internas em artigos de CMC baseados em compostos de silício diferentes de SiC, tal como SiN como um exemplo não limitante.

Em vista do acima, pode ser visto que uma vantagem significativa desta invenção é que a mesma resolve problemas associados com formar cavidades ocas internas nos artigos de CMC sem ter que remover fisicamente um mandril de da cavidade resultante após a cura, e sem introduzir materiais potencialmente danosos dentro do artigo final de CMC.

Embora a invenção tenha sido descrita em termos de realizações específicas, fica evidente que outras formas podem ser adotadas por um indivíduo versado na técnica. Consequentemente, deve ser entendido que a invenção não é limitada às realizações específicas reveladas. Também deve ser entendido que a fraseologia e terminologia empregadas acima são para o propósito de revelar a invenção e as realizações, e não servem necessariamente como limitações ao escopo da invenção. Para este fim, o escopo da invenção deve ser limitado apenas pelas reivindicações a seguir.

Reivindicações

Claims

1. MÉTODO DE FORMAR UM ARTIGO DE CMC, com pelo menos uma cavidade interna, em que o método compreende: incorporar pelo menos um mandril dentro de uma pré-forma de CMC; e sujeitar a pré-forma de CMC a um tratamento térmico em que o pelo menos um mandril derrete para produzir um material fundido que molha a pré-forma de CMC, e é reagido com e / ou absorvido dentro da pré-forma de CMC deixando para trás pelo menos uma cavidade interna dentro da pré-forma de CMC.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um mandril consiste de silício ou uma liga de silício.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o tratamento térmico compreende uma etapa de infiltração de fundido.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que a pelo menos uma cavidade interna compreende múltiplas cavidades internas e o pelo menos um mandril compreende múltiplos mandris.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um mandril contém um material que é reativo quimicamente com um constituinte da pré-forma de CMC.

6. MANDRIL INCORPORADO, dentro de uma pré-forma de cmc, em que o mandril produz um material fundido quando derretido que reage com e / ou é absorvido dentro da pré-forma de CMC durante um tratamento térmico para deixar para trás uma cavidade interna na pré-forma de CMC.

7. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 6, em que o mandril é feito de silício ou liga de silício.

8. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 7, em que o mandril compreende um revestimento que é impenetrável para constituintes da pré-forma de CMC.

9. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 8, em que o revestimento compreende uma resina acrílica.

10. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 9, em que a resina acrílica é metacrilato de metila.

11. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 6, em que o mandril compreende um material em pó sinterizado.

12. MANDRIL, de acordo com a reivindicação 6, em que o mandril é feito por um processo que compreende impressão 3D.

13. ARTIGO DE CMC, com pelo menos uma cavidade interna, em que a pelo menos uma cavidade interna é feita por um método que compreende: incorporar pelo menos um mandril dentro de uma pré-forma de CMC, em que o pelo menos um mandril compreende um material que é reativo quimicamente com um constituinte da pré-forma de CMC; e infiltrar fundida a pré-forma de CMC em que o pelo menos um mandril derrete e o material do mesmo molha a pré-forma de CMC, reage com o constituinte da pré-forma de CMC, e é substancialmente consumido deixando para trás pelo menos uma cavidade interna na pré-forma de CMC.

14. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13 em que o material do pelo menos um mandril é silício elementar.

15. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que o material do pelo menos um mandril é silício ou uma liga de silício.

16. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que a pelo menos uma cavidade compreende múltiplas cavidades internas e o pelo menos um mandril compreende múltiplos mandris.

17. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que a pelo menos uma cavidade é uma fenda / orifício de resfriamento.

18. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que o ί artigo de CMC é um componente de aerofóiio.

19. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que o artigo de CMC é baseado em compostos de silício.

20. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 13, em que o composto de silício é SiC.