BR102013010234A2

BR102013010234A2 - Method of formation of a cmc article

Info

Publication number: BR102013010234A2
Application number: BR102013010234-2A
Authority: BR
Inventors: Edward Gray Paul; Curtis Taxacher Glenn; Chidsey Roberts Herbert; Kum Foster Walker Sheena
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-07-11
Also published as: JP6538296B2; CA2813350A1; US10011043B2; CA2813350C; CN103539458A; JP2019202932A; JP2013230680A; CN111499390A; US20130285296A1; EP2657210A1; EP2657210B1

Abstract

método de formação de um artigo de cmc trata-se de um processo para produzir uma cavidade interna em um artigo de cmc e mandris usados com isso. o processo prevê a incorporação de um mandril feito de um material fundivel que é fundido e drenado durante um tratamento térmico de uma pré-forma de cmc para formar artigo de cmc. o material de mandril é de preferéncia nao molhavel e nao reativo acommqauaisquer constituintesada p*ré-forma de cmc durante o tratamento térmico. o mandril é de preferência estanho ou uma iiga de estanho

Description

“MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UM ARTIGO DE CMC” Referência Cruzada Aos Pedidos Relacionados Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório n° US61/639.617, depositado em 27 de abril de 2012, cujos conteúdos são incorporados no presente documento a título de referência.

Declaração Relacionada À Pesquisa Patrocinada Pelo Governo Federal Esta invenção foi realizada com suporte governamental sob o número de contrato DE-FC26-05NT42643 outorgado pelo Departamento de Energia. O Governo detém certos direitos sobre esta invenção.

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

Os materiais de CMC têm se tornado particularmente interessantes para uso em turbo-usinagem conforme temperaturas operacionais superiores são buscadas 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 fibra de cerâmica embutido em um material de matriz de cerâmica. O material de reforço serve como constituinte que porta carga do CMC, e a matriz de cerâmica protege o material de reforço, mantém a orientação de suas fibras e serve para dissipar cargas para o material de reforço.

De interesse particular para aplicações de alta temperatura são compósitos à base de silício, como carbureto de silício (SiC) como a matriz e/ou o material de reforço. Os exemplos notáveis de materiais de CMC de SiC/Si-SiC (fibra/matriz) e processos são revelados nas patentes de propriedade comum n° US5.015.540, US5.330.854, US5.336.350, US5.628.938, US6.024.898, US6.258.737, US6.403.158 e US6.503.441 e na publicação de pedido de patente de propriedade comum n° US2004/0067316.

Tal processo é conhecido como infiltração por fusão “prepreg” (Ml), que, em termos gerais, prevê a fabricação de CMCs com o uso de múltiplas camadas de prepreg, cada uma na forma de uma estrutura semelhante à fita que compreende o material de reforço desejado, um precursor do material de matriz de CMC, aglutinantes e outros ingredientes possíveis. Os prepregs precisam ser submetidos ao processamento (incluindo cura, também conhecido como queima) para converter o precursor para a cerâmica desejada. Múltiplas camadas de prepregs são empilhadas e diminuídas em volume para formar uma pré-forma de laminado, um processo chamado de “assentamento.” Após o assentamento, a pré-forma de laminado será tipicamente submetida à diminuição de volume e cura enquanto é submetida à pressão aplicada e uma temperatura elevada, como em uma autoclave. O processo de infiltração por fusão geralmente confere o aquecimento da pré-forma de laminado em um vácuo ou uma atmosfera inerte para decompor (queimar) os aglutinantes e produzir uma pré-forma porosa pronta para infiltração por fusão, após isso as pré-forma pode ser infiltrada por fusão com, por exemplo, silício fundido fornecido externamente para a pré-forma. O silício fundido infiltra na porosidade e de preferência reage com constituintes (por exemplo, uma fonte de carbono) dentro da matriz para formar uma cerâmica à base de silício (por exemplo, carbureto de silício) que preenche a porosidade para produzir o componente de CMC desejado.

Os artigos de CMC que possuem cavidades internas são desejáveis ou necessários para algumas aplicações, incluindo, mas não se limitando a cavidades que definem fendas/orifícios de resfriamento e passagens de resfriamento complexas dentro de componentes de aerofólio, bem como cavidades destinadas geralmente a alcançar redução de peso. As cavidades internas podem ser produzidas em um artigo de CMC através da formação da pré-forma de laminado em torno de um mandril. Entretanto, os mandris precisam ser removidos antes da infiltração por fusão. Os mandris que permanecem sólidos durante a queima precisam ser fisicamente removidos, o que pode ser impossível se a cavidade desejada tiver torções ou afunilamentos. A Figura 1 mostra esquematicamente um exemplo em que um mandril de aço convencional 30 é destinado a formar uma cavidade subsequente 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 sua captura por um ombro 22 definido por lonas em uma extremidade de pré-forma 10. Para abordar essa questão, foram propostos mandris poliméricos que são formados de resinas fugitivas. As resinas poliméricas fugitivas, no contexto desta descrição, são tipicamente sólidos à base de hidrocarboneto que, mediante o aquecimento a uma temperatura suficientemente alta, tipicamente 400 a 800 °C, volatilizam deixando pouco ou nenhum resíduo de carbono. Os exemplos notáveis de resinas fugitivas incluem metacrilato de polimetila e álcool de polivinila. Entretanto, essas resinas possuem coeficientes de expansão térmica que podem ser de cinco a dez vezes maiores que o material da pré-forma de CMC. O coeficiente de expansão mais alto das resinas fugitivas pode fazer com que a pré-forma de CMC distorça durante o aquecimento para decompor as resinas aglutinantes. Durante a queima, as resinas fugitivas se fundem e a resina fundida precisa ser removida da cavidade resultante dentro do artigo de CMC. Alguma parte da resina fundida pode formar um revestimento carbonáceo no interior da cavidade que, quando reagido com silício durante infiltração por fusão subsequente, pode alterar as dimensões da cavidade. Quando se usa resinas fugitivas com componentes de CMC maiores, a quantidade de gases que devem escapar de ou através da pré-forma conforme o mandril polimérico se decompõe também aumenta. Isso necessita do uso de ciclos de pirólise mais lentos, o que aumenta o tempo de ciclo de processamento para os componentes de CMC.

Consequentemente, há uma necessidade 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 fundível.

Um primeiro aspecto da invenção é um método para criar uma cavidade interna em um artigo de CMC através do uso de um mandril para alcançar uma cavidade em um artigo de CMC. O material de mandril se funde durante um tratamento térmico da pré-forma de CMC, e o material fundido resultante não molha ou reage com os constituintes da pré-forma de CMC e é drenado deixando para trás uma cavidade interna. Em uma realização preferencial da invenção, um mandril fundível é feito de estanho elementar ou uma liga de estanho e permite-se que o mandril se funda e drene da pré-forma durante a operação de queima da pré-forma de CMC deixando para trás um uma cavidade interna oca dentro da pré-forma de CMC.

Um segundo aspecto da invenção é criar um artigo de CMC com uma cavidade interna desejada através de um método que usa um mandril feito de um material que se funde durante o processo de queima da pré-forma de CMC. O material fundido resultante não molha e não reage com quaisquer constituintes da pré-forma de CMC e é drenado deixando para trás uma cavidade interna na pré-forma de CMC que é, então, infiltrada por fusão para formar um artigo de CMC com uma cavidade interna.

Um efeito técnico da invenção é que uma cavidade interna em um artigo de CMC pode ser produzida sem distorção ou deformação indesejada de uma pré-forma de CMC usada para produzir o artigo. Adicionalmente, os tempos de processamento longos tipicamente necessários quanto polímeros fugitivos são usados para produzir uma cavidade pode ser eliminados.

Um outro efeito técnico da invenção é que as cavidades de formatos complexos e desejados podem ser alcançadas em um artigo de CMC para propósitos de redução de peso e/ou propósitos de resfriamento sem dificuldades tipicamente associadas à remoção de mandris metálicos convencionais ou problemas associados à eliminação de resinas fugitivas usadas em mandris não reativos.

Outros aspectos e vantagens desta invenção serão adicionalmente observados a partir da seguinte descrição detalhada.

Breve Descrição Dos Desenhos A Figura 1 representa esquematicamente uma seção transversal de uma pré-forma de CMC com um mandril metálico convencional. A Figura 2 representa esquematicamente uma seção transversal de uma pré-forma de CMC com um mandril feito de um material fündível que é não molhável e não reativo em relação aos constituintes da pré-forma de CMC. A Figura 3 representa esquematicamente uma seção transversal de um artigo de CMC com uma cavidade alcançada através da drenagem e da recuperação de um mandril feito de um material fündível que é não molhável e não reativo em relação aos constituintes da pré-forma de CMC da qual o artigo foi formado.

Descrição Detalhada Da Invenção Esta invenção é direcionada à criação de cavidades internas dentro dos artigos de CMC, por exemplo, para criar canais de resfriamento, alcançar redução de peso e/ou qualquer outro propósito desejado. Os processos convencionais para criar tais cavidades utilizaram mandris formados de materiais como resinas fugitivas ou metais não reativos. Ambos esses métodos possuem diversas limitações e desvantagens conforme descrito anteriormente. A presente invenção aborda as dificuldades e as desvantagens da técnica anterior por métodos que utilizam mandris feitos de materiais fundíveis que podem ser fundidos e drenados durante o processo de queima das pré-formas de CMC e antes do estágio de infiltração por fusão 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 a etapa de cura (queima) executada em uma pré-forma de laminado para formar uma pré-forma porosa.

As características preferenciais para os materiais para mandris que podem ser vantajosamente eliminadas de uma pré-forma de CMC incluem não molhabilidade da pré-forma de CMC, baixa ou nenhuma reatividade com os constituintes da pré-forma de CMC e o fato de serem completamente fundíveis e drenáveis em uma temperatura de um tratamento térmico executado na pré-forma de CMC. Em realizações preferenciais da invenção, um mandril fundível compreende ou consiste em estanho elementar ou uma liga de estanho. Tal mandril pode ser fundo no formato da cavidade interna desejada e incorporado na pré-forma de CMC. Esse mandril, feito de tal metal de fusão baixa ou liga como estanho ou suas ligas, pode se fundir e ser drenado da pré-forma durante a operação de queima da pré-forma de CMC deixando uma cavidade oca na pré-forma de CMC.

Um mandril desta invenção pode ser formado inteiramente de estanho elementar ou uma liga de estanho. Os mandris desta invenção podem ser fundidos em formatos desejados para as cavidades internas de um artigo de CMC e as fitas de prepreg podem ser diretamente assentadas sobre os mandris. O estanho ou liga de baixa fusão se funde durante o estágio de queima da pré-forma de CMC e é drenado da pré-forma deixando para trás uma cavidade oca do formato desejado. O estanho e suas ligas também demonstraram possuir as características desejadas de um material fundível que é não molhável e não reativo com as pré-formas de CMC. Adicionalmente, os mandris feitos de tais materiais recuperáveis e fundíveis podem ser removidos durante os processos de queima sem os problemas de expansão térmica geralmente associados ao uso de polímeros fugitivos como materiais de mandril.

Posto que o estanho ou liga de estanho usada para o mandril é sólido quando incorporado na pré-forma de CMC e é subsequentemente fundo snquanto é não molhável e não reativo com a pré-forma de CMC, as dimensões de uma cavidade interna que é subsequentemente formada correspondem substancialmente às dimensões do mandril fundível. A Figura 2 'epresenta esquematicamente uma seção transversal de um mandril fundível 10 incorporado em uma seção 20 de uma pré-forma de laminado 10. Durante o crocesso de queima de pré-forma de CMC, o mandril fundível feito de estanho du liga de estanho se funde, não molha ou reage com os constituintes da pré-orma de CMC 10, e é drenado da pré-forma de CMC 10. Em uma operação subsequente, por exemplo, a infiltração por fusão, um artigo de CMC pode ser Ormado a partir da pré-forma 10. A Figura 3 representa esquematicamente jma cavidade 50 formada na seção 20 da pré-forma de CMC completamente nfiltrada 10, indicada na Figura 3 como o artigo de CMC final 100. É possível ^ue o óxido de estanho possa ser formado durante o processo de queima guando o mandril fundível se funde; entretanto, qualquer óxido de estanho ormado irá evaporar completamente nos processos subsequentes usados para ormar o artigo de CMC como, por exemplo, infiltração por fusão.

Em alguns processos de formação de artigos de CMC baseados 3m compostos de silício, como, por exemplo, SiC, a infiltração por fusão pode >er usada utilizando silício fundido como um infiltrante. Em tais casos, após jma cavidade interna ser formada em uma pré-forma de CMC, o ingresso do nfiltrante na cavidade interna durante a infiltração por fusão pode ser impedido )u pelo menos inibido através do revestimento da superfície da cavidade interna com uma pasta aquosa que compreende um pó de um material de cerâmica que é não molhável ou pelo menos exibe baixa molhabilidade para o infiltrante, por exemplo, nitreto de boro (BN) se o infiltrante for silício. A pasta aquosa de nitreto de boro pode ser à base de água e uma etapa de secagem pode ser usada para alcançar o revestimento. As partículas do pó do material de cerâmica devem ser grandes o bastante para não atravessar as aberturas na pré-forma porosa e pequenas o bastante para serem feitas em uma pasta aquosa, o que pode resultar em revestimento uniforme. As aberturas de pré-forma estão tipicamente na faixa de 0,1 a 0,2 micrômetro. Consequentemente, um tamanho de partícula médio preferencial de um pó de nitreto de boro usado em uma pasta aquosa para efetuar um revestimento de cerâmica para a cavidade interna quanto o infiltrante é silício é cerca de 0,5 a 1,0 micrômetro. Esse revestimento impede vantajosamente que as superfícies da cavidade interna sejam molhadas pelo infiltrante durante uma etapa de infiltração por fusão na formação do artigo de CMC e, por conseguinte, impede a formação de silício nas cavidades internas do artigo de CMC. É previsto que outros materiais fundíveis poderiam ser usados para não molhar a pré-forma de CMC ou reagir com a pré-forma de CMC durante o processo de queima e são completamente removíveis nas temperaturas de queima de pré-forma de CMC. A realização preferencial da invenção é, dessa forma, a utilização de qualquer material de baixa fusão de tal modo que nenhum material seja formado além daqueles destinados a serem criados em processos de fabricação de CMC convencionais, como processos de infiltração por fusão que formam, por exemplo, SiC. Um outro recurso desta invenção é que um material fundível que pode ser fundido durante um tratamento térmico da pré-forma de CMC e drenado para formar uma cavidade interna em uma pré-forma de laminado pode ser reciclado para formar um outro mandril para uso na formação de uma cavidade interna em um outro artigo de CMC. Dessa forma, a invenção pode ser descrita como um método de formação de uma cavidade interna em uma pré-forma de CMC ou um artigo de CMC final com o uso de mandris recicláveis.

Em vista do supracitado, pode ser observado que uma vantagem significativa desta invenção é resolver os problemas associados à formação de cavidades internas ocas dentro de artigos de CMC sem precisar remover fisicamente um mandril da cavidade interna resultante após a cura da pré-forma de CMC e sem introduzir materiais potenciaímente prejudiciais no artigo de CMC final. Múltiplas cavidades podem ser formadas em uma pré-forma de CMC com a utilização de múltiplos mandris e após os métodos descritos na presente invenção. Uma única cavidade ou múltiplas cavidades formadas em um artigo de CMC podem ser utilizadas para os propósitos de redução de peso e/ou como fenda(s)/orifício(s) de resfriamento.

Embora a invenção tenha sido descrita em termos de realizações específicas, é evidente que outras formas poderíam ser adotadas por um elemento versado na técnica. Consequentemente, deve ser compreendido que a invenção não é limitadas às realizações específicas reveladas. Também deve-se compreender que a fraseologia e a terminologia empregadas acima são para o propósito de revelação da invenção e das realizações, e não necessariamente funcionam como limitações ao escopo da invenção. Portanto, o escopo da invenção deve ser apenas limitado pelas seguintes reivindicações.

Reivindicações

Claims

1. MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UM ARTIGO DE CMC, para ter pelo menos uma cavidade interna, em que o método compreende: incorporar pelo menos um mandril em uma pré-forma de CMC; e submeter a pré-forma de CMC a um tratamento térmico em que o pelo menos um mandril se funde para formar um material fundido que drena a pré-forma de CMC para deixar para trás pelo menos uma cavidade interna dentro da pré-forma de CMC.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o mandril consiste em estanho ou uma liga de estanho.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o tratamento térmico é um processo de queima.

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

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um mandril é isento de materiais que são molháveis e/ou reativos aos constituintes da pré-forma de CMC.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o método compreende adicionalmente recuperar o material fundido e formar um outro mandril a partir do material fundido.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o método compreende adicionalmente revestir a pelo menos uma cavidade interna com uma pasta aquosa que compreende um material de cerâmica.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, em que o material de cerâmica é nitreto de boro.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, em que o tamanho de partícula médio de nitreto de boro é cerca de 0,5 a 1,0 micrômetro.

10. MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UM ARTIGO DE CMC, para ter pelo menos uma cavidade interna, em que o método compreende: incorporar pelo menos um mandril em uma pré-forma de CMC, em que o pelo menos um mandril consiste em um material que é não molhável e não reativo com quaisquer constituintes da pré-forma de CMC; submeter a pré-forma de CMC a um processo de queima em que o pelo menos um mandril se funde para formar um material fundido que does não molha a pré-forma de CMC, não reage com os constituintes da pré-forma de CMC e é drenado da pré-forma de CMC para deixar para trás pelo menos uma cavidade interna na pré-forma de CMC; e infiltrar por fusão a pré-forma de CMC com um infiltrante para formar o artigo de CMC que tem a pelo menos uma cavidade interna.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o material do pelo menos um mandril é estanho elementar.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o material do pelo menos um mandril é uma liga de estanho.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que a pelo menos uma cavidade interna compreende múltiplas cavidades e o pelo menos um mandril compreende múltiplos mandris.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o método compreende adicionalmente revestir a pelo menos uma cavidade interna com uma pasta aquosa de um material de cerâmica antes da etapa de infiltração por fusão, o material de cerâmica não é molhável pelo infiltrante.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, em que o material de cerâmica é nitreto de boro.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, em que o tamanho de partícula médio de nitreto de boro é cerca de 0,5 a 1,0 micrômetro.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que a pelo menos uma cavidade interna é um orifício ou fenda de resfriamento.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o artigo de CMC é um componente de aerofólio.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o artigo de CMC é baseado em pelo menos um composto de silício.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 19, em que o infiltrante é silício e o pelo menos um composto de silício é SiC.