BR102016004288A2

BR102016004288A2 - método e estrutura

Info

Publication number: BR102016004288A2
Application number: BR102016004288A
Authority: BR
Inventors: Gregory Scot Corman; Jared Hogg Weaver; Krishan Lal Luthra
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-09-20
Also published as: CN115626833A; EP3061740A1; CA2921729C; US11072565B2; US20170015595A1; JP6431860B2; CN106431444A; US20210238101A1; JP2016160178A; EP3061740B1; CA2921729A1

Abstract

de acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. a pré-forma pode ser submetida ao processamento de infiltração por vapor químico (cvi) para definir uma estrutura de compósito de matriz cerâmica (cmc).

Description

“MÉTODO E ESTRUTURA” [001] A presente revelação refere-se a estruturas laminadas, de modo geral e particularmente, à estrutura laminada fabricada com o uso de infiltração por vapor químico.

Antecedentes da Invenção [002] Para a fabricação de estruturas de compósito de matriz cerâmica (CMC) com o uso de infiltração por vapor químico (CVI), uma pré-forma pode ser fornecida. Uma pré-forma pode incluir fibras que podem ser, por exemplo, unidirecionais ou tecidas. Em uma forma, as fibras podem ser à base de cerâmica e podem ser formadas de SiC. Dentro da câmara de reação, a uma temperatura elevada, a pré-forma pode ser exposta a determinados gases. Ao ser exposta aos determinados gases, a uma temperatura elevada, pode ocorrer uma reação, e a matriz denominada material sólido pode ser depositada em fibras da pré-forma.

[003] Os compósitos de matriz cerâmica (CMCs) produzidos com o uso de infiltração por vapor químico (CVI) podem ser potencialmente usados a temperaturas de até, e superiores a 1.482 graus °C (2.700 graus F). Uma das limitações-chave de uma estrutura de CMC de CVI é que a estrutura pode conter porosidade significativa (por exemplo, até 15% e mais) que é tipicamente a maior no centro da estrutura de CMC, e que pode aumentar com uma espessura crescente da pré-forma. A porosidade pode aumentar com a espessura e pode impactar significativamente tanto nas propriedades em plano e interlaminares quanto na resistência à oxidação total do compósito.

Breve Descrição [004] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. A pré-forma pode ser submetida ao processamento de infiltração por vapor químico (CVI) para definir uma estrutura de compósito de matriz cerâmica (CMC).

Breve Descrição das Figuras [005] A Figura 1 é um fluxograma que ilustra a fabricação de uma estrutura laminada; A Figura 2 é uma vista em perspectiva que ilustra uma pré-forma que tem uma pluralidade de camadas de pré-forma; A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma estrutura de CMC que tem uma pluralidade de estruturas de camada de CMC; A Figura 4 é uma vista em corte transversal obtida ao longo da linha A-A da estrutura de pré-forma mostrada na Figura 2, com um perfil de tamanho de poro para a estrutura de pré-forma; A Figura 5 é uma vista em corte transversal obtida ao longo da linha B-B da estrutura de CMC mostrada na Figura 3, com um perfil de densidade para a estrutura de CMC; A Figura 6 é uma vista em corte transversal lateral que ilustra um método de fabricar uma estrutura de CMC que tem um formato especificado; A Figura 7 é uma vista em corte transversal obtida ao longo da linha A-A da Figura 6, com um perfil de densidade para um perfil de tamanho de poro para uma estrutura da vista em corte transversal.

Descrição Detalhada [006] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. A pré-forma pode ser submetida ao processamento de infiltração por vapor químico (CVI), a fim de definir uma estrutura de compósito de matriz cerâmica (CMC).

[007] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma que incluem tamanhos de poro médios diferentes pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. A pré-forma pode ser submetida à CVI, a fim de definir uma estrutura de CMC.

[008] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. Uma ou mais dentre a primeira camada de pré-forma ou a segunda camada de pré-forma pode incluir fibras unidirecionais. A pré-forma pode ser submetida à CVI, a fim de definir uma estrutura de CMC.

[009] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. Um processo para fabricar uma camada de pré-forma pode incluir usar um formador de poro. A pré-forma pode ser submetida à CVI, a fim de definir uma estrutura de CMC.

[010] De acordo com um método apresentado no presente documento, uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, pode ser associada em conjunto para definir uma pré-forma. Um processo para fabricar uma camada de pré-forma pode incluir usar uma carga. A pré-forma pode ser submetida à CVI, a fim de definir uma estrutura de CMC.

[011] Referindo-se à Figura 1, é apresentado um método para fabricar uma estrutura laminada que tem uma pluralidade de estruturas de camada em uma realização. No bloco 10 uma pluralidade de camadas de pré-forma, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma que incluem tamanhos de poro médios diferentes, pode ser associada em conjunto, a fim de definir uma pré-forma. No bloco 20, a pré-forma pode ser submetida ao processamento de infiltração por vapor químico (CVI), a fim de definir uma estrutura de compósito de matriz cerâmica (CMC). Vários exemplos ilustrativos são apresentados no presente documento, a fim de ilustrar os recursos e as vantagens do método revelado.

[012] Os recursos adicionais do método da Figura 1, em uma realização, são descritos em referência às Figuras 2 a 5. No bloco 10, uma pluralidade de camadas de pré-forma 102, 202, 302, conforme mostrado na Figura 2, que tem a primeira e a segunda camadas de pré-forma, com o primeiro e o segundo tamanhos de poro médios diferentes, pode ser associada em conjunto, a fim de definir uma pré-forma 402. A pré-forma 402 pode ter uma espessura M, e as camadas de pré-forma 102, 202, 302, podem ter a espessura de cerca de Ji, J2, J3 respectivamente. No bloco 20, a pré-forma 402 pode ser submetida à CVI. Ao ser submetida à CVI, uma estrutura de CMC densificada 403, conforme mostrado na Figura 3, pode ser definida com uma estrutura de camada de CMC densificada 103, estrutura de camada de CMC densificada 203 e estrutura de camada de CMC densificada 303. A estrutura de CMC densificada 403 pode ter uma espessura de cerca de M, enquanto as estruturas individuais 103, 203 e 303 podem ter espessuras de cerca de J-ι, J2, J3 respectivamente.

[013] Referindo-se à Figura 4, uma porção superior da Figura 4 é uma vista em corte transversal obtida ao longo da linha A-A da Figura 2. Uma porção inferior da Figura 4 ilustra um perfil de tamanho de poro médio através de uma espessura de pré-forma 402. Na realização da Figura 2, a pré-forma 402 inclui a camada centrai 102 e as camadas externas 203, 302. Conforme mostrado na Figura 4, as camadas de pré-forma 202 e 203 podem ter o tamanho de poro médio de P0, e a camada de pré-forma 102 pode ter o tamanho de poro médio de PA, Pa <Po- Em uma realização, as camadas de pré-forma 202 e 203 podem ter uma primeira densidade uniforme ao longo das respectivas espessuras das mesmas e camada de pré-forma 102 pode ter uma densidade uniforme maior do que a primeira densidade uniforme.

[014] Referindo-se à Figura 5, uma porção superior da Figura 5 é uma vista em corte transversal obtida ao longo da linha B-B da Figura 3, que mostra uma estrutura densificada 403 definida submetendo-se a pré-forma 402, conforme mostrado na Figura 2, a CVI. Uma porção inferior da Figura 5 é um perfil de densidade através de uma espessura de estrutura de CMC 403. Referindo-se à Figura 5, a estrutura de CMC 403 pode ter um perfil de densidade em formato de U, através de uma espessura de estrutura de camada de CMC central 103, e pode ter perfis de densidade em formato de rampa, através de estruturas de CMC de camada externas 203 e 303. As estruturas de camada de CMC 203 e 303 podem ter uma densidade, de modo geral, crescente, da superfície 305 até a superfície 304 e a estrutura de camada de CMC 203, e podem ter uma densidade, de modo geral, crescente, da superfície 204 até a superfície 205. Ao serem submetidas a CVI, as seções de estrutura de CMC 403, em direção às superfícies externas 304 e 205, podem se tornar densificadas mais rapidamente do que as seções de estrutura de CMC 403 afastadas das superfícies externas. Durante o desempenho de CVI, os poros em direção às superfícies externas 304 e 205 tendem a fechar, limitando, assim, uma extensão de densificação que pode ocorrer em seções de estrutura de CMC 403 afastadas das superfícies 304 e 205.

[015] Em um aspecto, conforme apresentado, em referência ao bloco 10, um tamanho de poro médio de uma primeira camada de pré-forma, por exemplo, camada de pré-forma 102, pode ser diferente do tamanho de poro médio de uma segunda camada de pré-forma, por exemplo, camada de pré-forma 202.

[016] As vantagens do método da Figura 1 são apresentadas, em referência à linha tracejada 502 (Figura 4), que ilustra um perfil de tamanho de poro médio de pré-forma 402, em uma realização alternativa e em referência à linha tracejada 503 (Figura 5), que ilustra um perfil de densidade de estrutura de CMC 403, em uma realização alternativa. Em uma realização alternativa de pré-forma 402, cada uma das camadas de pré-forma 102, 202, 302 pode ter um perfil de tamanho de poro médio comum, em que um perfil de tamanho de poro médio de cada uma das camadas de pré-forma 102, 202, 302 pode ter o tamanho de poro médio, Po- A linha tracejada 502 representa o perfil de tamanho de poro médio de uma pré-forma 402, em que cada uma a dentre camada de pré-forma 102, a camada de pré-forma 202 e a camada de pré-forma 302 tem um perfil de tamanho de poro médio comum caracterizado por ter o tamanho de poro médio, Po.

[017] Referindo-se à Figura 5, a linha tracejada 503 representa um perfil de densidade de estrutura de CMC 403, no caso, a pré-forma 402 tem um perfil de tamanho de poro médio, de acordo com a linha tracejada 502 (Figura 4). Comparando o perfil de densidade da linha tracejada 503 ao perfil de densidade indicado pela Figura 5, observa-se que o método apresentado, em referência à Figura 1, pode aumentar uma uniformidade de uma densidade de estrutura de CMC 403. Fornecer uma pré-forma 402 para se submeter a CVI, que tem a primeira e a segunda camadas que incluem perfis de tamanho de poro médio diferentes, pode resultar em uma estrutura de CMC 403 que tem uma densidade mais uniforme. No exemplo particular da Figura 4 e da Figura 5, cada uma dentre as camadas de pré-forma de superfície externa 202 e 302 pode ter um tamanho de poro médio mais alto do que a camada de pré-forma central 102. Em uma realização, fornecer as camadas de pré-forma de superfície externa, para incluir tamanhos de poro médios maiores, fornece densificação melhorada de uma seção central de uma pré-forma que tem uma pluralidade de camadas de pré-forma. Em uma realização particular, a camada de pré-forma 102, a camada de pré-forma 202 e a camada de pré-forma 302 podem ser de construção comum. Em tal realização, as camadas de pré-forma podem ter densidades comuns, bem como perfis de tamanho de poro médio comuns. Um perfil de densidade exemplificativo para uma pré-forma 402, em que as camadas de pré-forma 102, 202, 302 são de construção comum é dado pela linha horizontal que representa a densidade contínua D0, conforme mostrado na Figura 5.

[018] Em uma realização, uma estrutura de CMC que tem uma densidade mais uniforme pode ser caracterizada por ter uma diferença menor, entre uma densidade máxima e uma densidade mínima, através de uma espessura da estrutura de CMC, do que uma estrutura de CMC que tem uma densidade menos uniforme. Em uma realização, uma estrutura de CMC que tem uma densidade mais uniforme pode ser caracterizada por ter um desvio de padrão menor de densidades, através de uma espessura de estrutura de CMC, do que uma estrutura de CMC que tem uma densidade menos uniforme. O perfil de densidade representado na Figura 5 pode ser caracterizado por ter uma diferença de densidade máxima para mínima menor e um desvio de padrão menor de densidades que o perfil de densidade representado pela linha tracejada 503.

[019] Referindo-se à Figura 1 e à Figura 6, o método apresentado, em referência à Figura 1, pode ser usado para fabricação de uma estrutura de CMC que tem um formato especificado, por exemplo, o formato 1100, conforme mostrado na Figura 6. Em uma realização, a estrutura pode ser um componente de uma turbina que tem um formato especificado. Um componente, no presente documento, pode se referir a uma seção de componente. Referindo-se à Figura 6, em um exemplo, uma pluralidade de camadas de pré-forma 1110, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, pode ser associada em conjunto no bloco 10, a fim de definir uma pré-forma, e pode ser moldada em um formato substancialmente correspondente ao formato 1100. No bloco 20, a pluralidade de camadas de pré-forma 1110 pode ser submetida à CVI, a fim de densificar e enrijecer a pluralidade de camadas de pré-forma 1110. O lado externo do material do limite de formato 1100 pode ser removido com o uso de processos de usinagem. O formato 1100, referido na Figura 6, pode ser um formato que define um componente de turbina, por exemplo, um forro de combustão, uma lâmina, uma pá, um bico, palheta, uma peça de transição, armação de turbina central ou um invólucro. Embora o formato 1100, no exemplo da Figura 6, seja mostrado como formato sólido, sem espaço oco 1100, o formato 1100, em outro exemplo, pode ser fornecido por um formato com espaço oco. O vapor pode se infiltrar em uma pré-forma para o desempenho de CVI, através de uma superfície externa da pré-forma, em que o formato 1100 é um formato sólido, sem espaço oco e em que a superfície externa é exposta a uma atmosfera dentro de um reator de câmara de tratamento de CVI. O vapor pode se infiltrar em uma pré-forma para o desempenho de CVI, através de uma superfície externa de uma pré-forma em que o formato 1100 é um formato com espaço oco e em que a superfície externa é exposta a uma atmosfera dentro de um reator de câmara de tratamento de CVI, mas a superfície interna não é exposta a uma atmosfera dentro de um reator de câmara de tratamento de CVI. O vapor pode se infiltrar em uma pré-forma para o desempenho de CVI, através de uma superfície externa e através de uma superfície interna da pré-forma, em que o formato 1100 é um formato com espaço oco e em que a superfície externa e a superfície interna são expostas a uma atmosfera dentro de um reator de câmara de tratamento de CVI.

[020] Referindo-se à Figura 7, uma porção superior da Figura 7 é uma vista em corte transversal, obtida ao longo da linha A-A da Figura 6. Uma porção inferior da Figura 7 é um perfil de tamanho de poro médio de estruturas em um estágio de camada de pré-forma, através dos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107. Uma porção central da Figura 7 é um perfil de densidade de estruturas, através dos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107. Referindo-se à Figura 7, a ilustração gráfica 1202 é o conjunto de tamanhos de poro médios, através dos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, quando as estruturas, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, estão em um estágio de camada de pré-forma. Referindo-se à ilustração gráfica 1202, as camadas de pré-forma podem ser fornecidas, de modo que uma ou mais camadas de pré-forma centrais tenham tamanhos de poro médios menores do que as camadas de pré-forma de superfície externa. A ilustração gráfica 1204 é o conjunto de densidades de estruturas, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, quando estruturas, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, estão em um estágio de CMC densificado.

[021] Referindo-se, adicionalmente, à Figura 7, a ilustração gráfica 1206 é o conjunto de tamanhos de poro médios, através dos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, em uma realização alternativa, em que as estruturas, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, estão em um estágio de camada de pré-forma e em que a camada de pré-forma, em cada um dentre os locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, tem um tamanho de poro médio substancialmente comum. A ilustração gráfica 1208 representa o conjunto de densidades, através dos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, após as estruturas, nos locais 1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106 e 1107, que têm um perfil de tamanho de poro médio indicado pela ilustração gráfica 1206, serem submetidas a CVI, e em um estágio de CMC densificado.

[022] Comparando ilustração gráfica 1204 à ilustração gráfica 1208, observa-se que fornecer uma ou mais camadas de pré-forma central, a fim de ter um tamanho de poro médio menor do que uma ou mais camadas de pré-forma de superfície externa, pode resultar em uma estrutura de CMC densificada que tem uma densidade mais uniforme que uma densidade de uma estrutura de CMC fabricada, caso em que cada camada de pré-forma tem um perfil de tamanho de poro médio comum.

[023] São apresentadas, em referência, por exemplo, à Figura 4, uma pré-forma que tem uma pluralidade de camadas de pré-forma, em que a pluralidade de camadas de pré-forma inclui uma primeira camada de pré-forma 102, uma segunda camada de pré-forma 202 e uma terceira camada de pré-forma 302, em que a segunda camada de pré-forma 202 é disposta em um primeiro lado da camada de pré-forma 102, em que a terceira camada de pré-forma 302 é disposta em um segundo lado da camada de pré-forma 102 e em que cada uma dentre a segunda camada de pré-forma 202 e a terceira camada de pré-forma 302 tem o tamanho de poro médio maior do que um tamanho de poro médio da primeira camada de pré-forma 102.

[024] São apresentadas, em referência, por exemplo, à Figura 6, uma pré-forma que tem uma pluralidade de camadas de pré-forma, em que a pluralidade de camadas de pré-forma inclui uma primeira camada de pré-forma, por exemplo, no local 1104, uma segunda camada de pré-forma, por exemplo, no local 1101, e uma terceira camada de pré-forma, por exemplo, no local 1107, em que a segunda camada de pré-forma é disposta em um primeiro lado da primeira camada de pré-forma, em que a terceira camada de pré-forma é disposta em um segundo lado da camada de pré-forma e em que cada uma dentre a segunda camada de pré-forma e a terceira camada de pré-forma tem o tamanho de poro médio maior do que um tamanho de poro médio da primeira camada de pré-forma, por exemplo, no local 1104.

[025] A Figura 7 ilustra uma realização de um perfil de tamanho de poro médio representativo para uma pré-forma, em que uma pré-forma que tem o formato 1110 é uma estrutura sólida e em que uma superfície externa da estrutura sólida definida pelos lados direito e esquerdo, respectivamente, da camada de pré-forma, no local 1101 e no local 1107, é exposta a uma atmosfera dentro de um reator de câmara de tratamento de CVI. Na realização da Figura 7, uma camada, em um local central, pode ter um tamanho de poro médio relativamente pequeno, e os tamanhos de poro de camadas, nos locais a partir do centro, progressivamente para fora, em direção à primeira e à segunda superfícies externas expostas (no lado esquerdo do local 1107 e no lado direito do local 1101) podem ter tamanhos de poro médios progressivamente maiores. Em tal realização, a infiltração de vapor, em volumes maiores, para durações mais longas e para distâncias mais longas, a partir das superfícies externas expostas (no lado esquerdo de local 1107 e no lado direito de local 1101), pode ser encorajada, a fim de resultar em uma estrutura de CMC que tem uniformidade de densidade aumentada. Em um exemplo de tal realização, a camada, em cada um dentre os vários locais 1101 a 1107, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme, sendo que cada camada tem um tamanho de poro médio diferente, em relação às camadas restantes.

[026] Onde o formato 1110, conforme representado na Figura 7, é uma parede lateral de uma pré-forma de estrutura oca e onde a camada de pré-forma, no lado direito do local 1101, define uma superfície externa da pré-forma de estrutura oca exposta à atmosfera, dentro de uma câmara de reação de CVI, e onde a camada de pré-forma, no lado esquerdo do local 1107, define uma superfície interna de uma pré-forma de estrutura oca total que não é exposta a uma atmosfera dentro de uma câmara de reação de CVI, a pré-forma pode ter, vantajosamente, um perfil de tamanho de poro médio caracterizado por um tamanho de poro médio relativamente pequeno para a camada de pré-forma, no local 1107, e os tamanhos de poro médios crescentes, através das várias camadas, nos locais 1107 a 1101, que avançam da esquerda para a direita, Uma pré-forma com espaço oco, conforme apresentado no presente documento, em uma realização, pode ser uma pré-forma com espaço oco vedada. As camadas de pré-forma, a partir de um local 1104 de uma camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma, no local 1101, que define uma superfície externa, pode ter tamanhos de poro médios crescentes. As camadas de pré-forma, a partir de um local 1104 de uma camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma, no local 1107, que define uma superfície interna de uma estrutura pré-forma com espaço oco, pode ter tamanhos de poro médios decrescentes. Em tal realização, a infiltração de vapor, em volumes maiores para durações mais longas e para distâncias mais longas, a partir da superfície externa exposta (no lado direito do local 1101), pode ser encorajada, a fim de resultar em uma estrutura de CMC que tem uniformidade de densidade aumentada. Em um exemplo de tal realização, a camada, em cada um dentre os vários locais 1101 a 1107, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme, sendo que cada camada tem um tamanho de poro médio diferente, em relação às camadas restantes.

[027] Embora o número de locais que têm camadas, na realização exemplificativa da Figura 6 e da Figura 7, seja um determinado número, o número de locais que têm camadas, em um componente de turbina real, pode ser menor do que ou maior do que o determinado número, por exemplo, qualquer número inteiro. Em uma realização, o número de camadas de pré-forma pode ser, por exemplo, mais do que 1, mais do que 3, mais do que 5, mais do que 10, mais do que 20, mais do que 50, mais do que 100. Conforme apresentado no presente documento, onde uma pré-forma definida pela pluralidade de camadas de pré-forma é uma estrutura sólida, a pré-forma pode incluir uma camada de pré-forma central, um primeiro conjunto de camadas de pré-forma, a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma primeira superfície externa da pré-forma que tem tamanhos de poro médios crescentes, e um segundo conjunto de camadas de pré-forma, a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma segunda superfície externa da pré-forma que tem tamanhos de poro médios crescentes. Em um exemplo, cada camada de pré-forma, da pré-forma, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme. Conforme apresentado no presente documento, onde uma pré-forma definida pela pluralidade de camadas de pré-forma é uma estrutura sólida, uma camada de pré-forma central dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, por exemplo, no local 1104 da Figura 7, pode ter um tamanho de poro médio menor dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, e as camadas de pré-forma, em locais sucessivos, a partir de um local da camada de pré-forma central até um local de uma camada de pré-forma que define uma superfície externa da pré-forma, podem ter tamanhos de poro médios crescentes. Em um exemplo, cada camada de pré-forma, da pré-forma, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme. Conforme apresentado no presente documento, onde uma pré-forma tem uma estrutura oca total e onde uma pluralidade de camadas de pré-forma, da pré-forma, define uma parede lateral da pré-forma de estrutura oca, a pré-forma pode incluir uma camada de pré-forma central, por exemplo, no local 1104 da Figura 7, um primeiro conjunto de camadas de pré-forma, a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma superfície externa da pré-forma de estrutura oca que tem tamanhos de poro médios crescentes, e um segundo conjunto de camadas de pré-forma, a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma superfície interna da pré-forma de estrutura oca que tem tamanhos de poro médios decrescentes. Em um exemplo, cada camada de pré-forma, da pré-forma, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme. Conforme apresentado no presente documento, em que a pré-forma é uma pré-forma de estrutura oca, em que a pluralidade de camadas de pré- forma, da pré-forma, define uma parede lateral da pré-forma de estrutura oca, uma determinada camada de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, por exemplo, a camada, no local 1107, conforme mostrado na Figura 7, que pode definir uma superfície interna da pré-forma de estrutura oca, pode ter um tamanho de poro médio menor dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, e as camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, em uma sucessão de locais, a partir de um local da determinada camada de pré-forma até um local de uma camada de pré-forma que define uma superfície externa da pré-forma de estrutura oca, podem ter tamanhos de poro médios crescentes. Em um exemplo, cada camada de pré-forma, da pré-forma, pode ter poros de tamanho substancialmente uniforme.

[028] Em relação às camadas de pré-forma, para uso com o método da Figura 1, as camadas de pré-forma (por exemplo, as camadas 102, 202, 302, as camadas nos locais 1101 a 1107), em uma realização, podem incluir fibras unidirecionais (estopas). Em relação às camadas de pré-forma, as camadas de pré-forma, em uma realização, podem incluir fibras tecidas. As fibras podem ser fornecidas por fibras de cerâmica. As fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ter uma estrutura policristalina, em uma realização. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem incluir uma composição química não estequiométrica. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem incluir uma composição química estequiométrica. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem incluir uma composição química não homogênea. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas por fibras de cristal únicas. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas por fibras amorfas. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas por fibras de carboneto de silício (SiC). Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas por fibras de SiC policristalinas. As camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem incluir um material ligante que permita que a pré-forma seja modelada a um formato desejado, antes de ser submetido a CVI. As fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas para que sejam estáveis a temperaturas de mais de 1.000 graus C.

[029] Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser ausentes de revestimento de fibra. Em uma realização, as fibras de cerâmica de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem incluir um revestimento. Tal revestimento de fibra pode ser intrínseco a uma fibra ou pode ser previamente depositado, por exemplo, depositado por meio de CVI ou por outro processo. Um revestimento para uma fibra pode ser depositado nas fibras, antes de produzir a pré-forma, ou pode ser depositado como parte da produção da pré-forma.

[030] As camadas de pré-forma, por exemplo, conforme mostrado na Figura 2 ou na Figura 6, descritas como sendo associada em conjuntos, podem ser associadas por serem acumuladas e podem ser mantidas em posição, uma em relação à outra, em uma realização, com uso ou forças fornecidas por uma substância ligante incluída nas respectivas camadas de pré-forma associadas.

[031] A porosidade de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, em um estágio não processado no presente documento, pode variar. Em uma realização, cada uma das camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, pode ter uma porosidade substancialmente uniforme (por exemplo, 1- D0), em um estágio não processado, antes de ser submetida à CVI, entre cerca de 20% e cerca de 90% e, consequentemente, uma densidade de entre cerca de 80% e cerca de 10%. Em uma realização mais particular, as pré-formas 202, 302, 502, 602, 702 podem ter uma porosidade de entre cerca de 40% e cerca de 70% e, consequentemente, uma densidade de entre cerca de 70% e cerca de 40%. As camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, podem ser fornecidas, no presente documento, a fim de incluir características estruturais e materiais comuns, que incluem características de material de fibra comuns e características de porosidade.

[032] Para o desempenho de processamento de CVI, no bloco 20, uma pré-forma, por exemplo, pré-forma 402 ou a pré-forma no conjunto de locais 1110, pode ser introduzida em um reator de câmara de tratamento de CVI, e um gás apropriado pode ser infiltrado através da pré-forma. A pré-forma pode fornecer um reforço para um compósito de matriz cerâmica (CMC) formado, submetendo-se uma pré-forma a CVI. Um gás apropriado pode incluir, por exemplo, qualquer um, ou uma mistura de dois ou mais dentre hidrogênio, triclorossilano metílico, tricloreto de boro, amônia, triclorossilano e um gás de hidrocarboneto. Um gás apropriado pode incluir, por exemplo, qualquer silano que contenha vapor, bem como qualquer siloxano, silazano ou outro silício que contém vapor. O gás dentro do reator de câmara de tratamento de CVI pode ser ausente de uma direção de fluxo primária. Fornecer um gás dentro de um reator de câmara para que seja ausente de uma direção de fluxo primária pode reduzir o custo de processamento. A temperatura dentro da câmara pode ser elevada e os gases reagentes podem passar por uma reação química, à alta temperatura. Durante uma reação, um revestimento de matriz pode ser formado em superfícies de fibras de uma pré-forma, por exemplo, a pré-forma 402 ou a pré-forma no conjunto de locais 1110, a fim de definir uma estrutura de CMC densificada, por exemplo, a estrutura de CMC densificada 403 ou a estrutura densificada no conjunto de locais 1110. Onde as fibras de uma pré-forma, conforme apresentado no presente documento, são fornecidas por uma fibra de SiC, uma matriz que consiste, por exemplo, em SiC, BN, B4C, SÍ3N4, M0SÍ2, S1O2, SiOC, SiNC e/ou SiONC, pode ser formada em fibras da pré-forma, a fim de definir uma estrutura de CMC densificada, por exemplo, a estrutura de CMC 403 da estrutura de CMC, no conjunto de locais 1110, conforme apresentado no presente documento. Durante o desempenho ou processamento de CVI, em uma realização, um revestimento pode ser formado em fibras de uma camada de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, antes da formação ou da matriz.

[033] É feita referência, agora, à fabricação de camadas de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, e ao controle de tamanho de poro médio de tais camadas de pré-forma.

[034] Para a fabricação de uma camada de pré-forma, conforme apresentado no presente documento, uma pasta fluida pode ser preparada combinando-se uma substância ligante, um portador, cargas e formadores de poro. A pasta fluida pode ser moída por rolo para se desaglomerar e dispersar os pós. Uma estopa de fibra (em uma realização, um único feixe de cerca de -500 fibras individuais) pode ser preparada revestindo-se as fibras da estopa com nitreto de boro (BN). A pasta fluida pode ser infiltrada na estopa revestida passando-se a estopa através de um banho da pasta fluida. A estopa pode ser, então, enrolada em um tambor, de modo que uma fita é formada. A fita pode ser removida do tambor, e as camadas de pré-forma unidirecionais podem ser cortadas da fita. A fabricação de uma camada de pré-forma que tem fibras bidirecionais tecidas ou outra forma de fibras multidirecionais pode incluir forçar a pasta fluida nas fibras bidirecionais tecidas ou outra forma de fibras multidirecionais.

[035] As camadas de pré-forma podem ser acumuladas em um padrão desejado, por exemplo, de formato 1100 (Figura 6) e o acúmulo pode ser consolidado em uma bolsa a vácuo ou em outro processo (por exemplo, autoclave). O acúmulo consolidado pode ser, então, pirolisado em uma atmosfera inerte, em que a substância ligante é convertida de um polímero em uma cerâmica e em que o formador de poro é volatilizado. A pirólise pode incluir, por exemplo, a sinterização no ar, em um vácuo, sob atmosfera inerte, ou sob uma atmosfera reativa. Uma pré-forma pode ser, assim, fabricada, que pode ser adequada para densificação de CVI.

[036] Em relação a uma substância ligante, conforme apresentado no presente documento, uma substância ligante pode incluir um material orgânico ou inorgânico que deixa carvão/resíduo após uma pirólise ou sinterização. A substância ligante, conforme apresentado no presente documento, pode funcionar para manter as fibras juntas, como uma pré-forma. Os exemplos de substância ligante incluem TEOS, policarbossilanos, políssílazanos, polissiloxanos, fenólicos e compostos furânicos.

[037] Em relação a um portador, conforme apresentado no presente documento, um portador pode incluir líquido orgânico ou inorgânico que dissolve ou porta a substância ligante e outros ingredientes. Os exemplos de um portador incluem água, isopropanol, tolueno e acetona.

[038] Em relação a uma carga, conforme apresentado no presente documento, uma carga pode incluir uma partícula de óxido e não óxido ou filamento que ajuda a controlar a retração da substância ligante e que resulta na formação de poro durante a pirólise. Os exemplos de uma carga incluem SiC, B4C, S1O2, HfC, HfB2, SÍ3N4, e AI2O3.

[039] Em relação a um formador de poro, conforme apresentado no presente documento, um formador de poro pode incluir uma partícula ou outras espécies que podem permanecer presentes através de um processo de consolidação, mas podem ser fugitivas no processo de pirólise que resulta em um poro. Os exemplos de um formador de poro podem compreender polietileno, polipropileno, poliamida, náilon, PTFE, poliestireno, acetato polivinííico, álcool polivinílico e pós celulósicos. Em uma realização, as partículas incluídas em um formador de poro podem incluir um tamanho médio na faixa de tamanho de cerca de 0,5 um a cerca de 20 um. Em uma realização, as partículas incluídas em um formador de poro podem incluir um tamanho médio na faixa de tamanho de cerca de 1,0 um a cerca de 10 um.

[040] Quando a substância ligante é pirolisada pode passar por retração que resulta tanto de uma perda de massa quanto em um aumento na densidade. Devido ao fato de que o local se retrai dentro do sistema, a retração abre os poros e rompe. A retração total, e, portanto, o tamanho de poro médio, pode ser controlada acrescentando-se ou reduzindo-se uma quantidade de carga usada durante a pirólise. Mais carga resulta em menos substância ligante e, assim, menos retração dentro do sistema. O método, conforme apresentado na Figura 1, em uma realização, pode incluir controlar um tamanho de poro médio de uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, em que o controle de um tamanho de poro médio das referidas uma ou mais camadas de pré-forma inclui acrescentar ou reduzir uma quantidade de carga usada durante um processo de pirólise, para a fabricação das referidas uma ou mais camadas de pré-forma.

[041] Em uma realização, controlar um tamanho de poro médio pode incluir controlar uma característica do formador de poro, conforme apresentado no presente documento. O formador de poro pode definir uma espécie dentro de uma matriz, que permanece presente, através do processo de consolidação. Durante a pirólise (ou um tratamento térmico separado), o formador de poro pode ser removido. A remoção pode ser, por exemplo, através de um processo de combustão ou através de um processo de carbonização (decomposição), se um polímero de produção de carvão baixa for usado. O formador de poro pode deixar para trás um poro que é relativamente livre do resíduo que interferiría na densificação de CVI. As partículas de polímero sólidas podem ser usadas como formadoras de poro (por exemplo, náilon). O formador de poro não pode se dissolver no portador e não pode se fundir ou deformar consideravelmente durante o processo de consolidação, então, pode portar seu formato e tamanho no processo de pirólise. O tamanho e a quantidade de um formador de poro, em cada camada de pré-forma, podem ser mudados, a fim de mudar o tamanho e a distribuição de poro médio final, em uma camada de pré-forma e em uma pré-forma fabricada, que tem uma pluralidade de camadas de pré-forma. O método, conforme apresentado na Figura 1, pode incluir, em uma realização, controlar um tamanho de poro médio de uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, em que o controle de um tamanho de poro médio das referidas uma ou mais camadas de pré-forma inclui controlar uma característica de um formador de poro, usada durante a fabricação da primeira camada de pré-forma.

[042] Os métodos, conforme apresentado no presente documento, em uma realização, podem incluir o desempenho de infiltração, de acordo com a infiltração por vapor químico (CVI). Em qualquer um dentre os métodos no presente documento, em que o desempenho de CVI é descrito, um processo de infiltração alternativo pode ser substituído por CVI. Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir fundir a infiltração, tal como a infiltração por fundição reativa (RMI). Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir oxidação por fundição direta (DIMOX). Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir infiltração por pasta fluida. Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir infiltração por sol-gel. Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir infiltração por polímero. Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir infiltração por silício líquido. Em uma realização, tal processo de infiltração alternativo pode incluir um processo de infiltração combinado.

[043] A linguagem de aproximação, conforme usada no presente documento, ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que possa variar de modo permissível, sem resultar em uma mudança na função básica à qual é relacionada. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, tal como “cerca de”, não se limita ao valor preciso especificado. O termo "definir", conforme apresentado no presente documento, engloba relações em que um elemento é parcialmente definido, bem como relações em que um elemento é inteiramente definido. Em algumas ocorrências, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para a medição do valor. Aqui e ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, as limitações de faixa podem ser combinadas e/ou intercambiadas, sendo que tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas, a menos que o contexto ou a linguagem indique o contrário. Embora a presente revelação tenha sido descrita em referência a uma quantidade de realizações específicas, será compreendido que o verdadeiro espírito e escopo da revelação devem ser determinados apenas em relação às reivindicações que podem ser suportadas pelo presente relatório descritivo. Adicionalmente, embora em numerosos casos, no presente documento, em que os sistemas e aparelhos e métodos são descritos como tendo uma determinada quantidade de elementos, será compreendido que tais sistemas, aparelhos e métodos podem ser praticados com menos do que ou mais do que a determinada quantidade mencionada de elementos. Além disso, embora uma quantidade de realizações particulares tenha sido descrita, será compreendido que os recursos e os aspectos que foram descritos, em referência a cada realização particular, podem ser usados com cada realização particularmente descrita restante.

[044] Embora apenas determinados recursos da revelação tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e mudanças ocorrerão àqueles versados na técnica. Portanto, deve ser compreendido que as reivindicações anexas se destinam a cobrir todas as tais modificações e mudanças que estejam dentro do verdadeiro espírito da revelação.

Reivindicações

Claims

1. MÉTODO, caracterizado pelo fato de que compreende: associar uma pluralidade de camadas de pré-forma para definir uma pré-forma, em que uma primeira camada de pré-forma e uma segunda camada de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma têm tamanhos de poro médios diferentes; e submeter a pré-forma à infiltração por vapor químico (CVI) para definir uma estrutura de compósito de matriz cerâmica densificada (CMC).

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de pré-forma tem um primeiro tamanho de poro médio, em que a segunda camada de pré-forma tem um segundo tamanho de poro médio, e em que o segundo tamanho de poro médio é maior do que o primeiro tamanho de poro médio.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de pré-forma é uma camada de pré-forma central que tem primeiro tamanho de poro médio, em que a segunda camada de pré-forma é uma camada de pré-forma de superfície externa que define uma superfície externa da pré-forma, e em que a segunda camada de pré-forma tem um segundo tamanho de poro médio maior do que o primeiro tamanho de poro médio.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de camadas de pré-forma inclui uma terceira camada de pré-forma, em que a segunda camada de pré-forma é disposta em um primeiro lado da primeira camada de pré-forma, em que a terceira camada de pré-forma é disposta em um segundo lado da primeira camada de pré-forma, e em que cada uma dentre a segunda camada de pré-forma e a terceira camada de pré-forma tem um tamanho de poro médio maior do que um tamanho de poro médio da primeira camada de pré-forma.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma pré-forma definida pela pluralidade de camadas de pré-forma é uma estrutura sólida, em que a pluralidade de camadas de pré-forma inclui uma camada de pré-forma central, um primeiro conjunto de camadas de pré-forma a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma primeira superfície externa da pré-forma que tem tamanhos de poro médios crescentes, e um segundo conjunto de camadas de pré-forma a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma segunda superfície externa da pré-forma que tem tamanhos de poro médios crescentes.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pré-forma é uma pré-forma de estrutura oca, em que a pluralidade de camadas de pré-forma da pré-forma define uma parede lateral da pré-forma de estrutura oca, em que a pluralidade de camadas de pré-forma inclui uma camada de pré-forma central, um primeiro conjunto de camadas de pré-forma a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma superfície externa da pré-forma de estrutura oca que tem tamanhos de poro médios crescentes, e um segundo conjunto de camadas de pré-forma a partir da camada de pré-forma central até uma camada de pré-forma que define uma superfície interna da pré-forma de estrutura oca que tem tamanhos de poro médios decrescentes.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pré-forma é uma pré-forma de estrutura oca, em que a pluralidade de camadas de pré-forma da pré-forma define uma parede lateral da pré-forma de estrutura oca, em que uma determinada camada de pré-forma da pluralidade de camadas de pré-forma que define uma superfície interna da pré-forma de estrutura oca tem um tamanho de poro médio menor dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, e em que as camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, em uma sucessão de locais a partir de um local da determinada camada de pré-forma até um local de uma camada de pré-forma que define uma superfície externa da pré-forma de estrutura oca têm tamanhos de poro médios crescentes.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método inclui realizar um processo para fabricar uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método inclui controlar um tamanho de poro médio de uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, e em que o controle de um tamanho de poro médio das uma ou mais camadas de pré-forma inclui acrescentar ou reduzir uma quantidade da carga usada durante um processo de pirólise para a fabricação de uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método inclui controlar um tamanho de poro médio de uma ou mais camadas de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma, e em que o controle de um tamanho de poro médio das uma ou mais camadas de pré-forma inclui controlar uma característica de um formador de poro usado durante a fabricação de uma ou mais camadas de pré-forma e da pluralidade de camadas de pré-forma.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método inclui moldar a pré-forma em um formato de um componente de turbina, e fornecer uma ou mais camadas de pré-forma centrais dentre a pluralidade de camadas de pré-forma para que tenham tamanhos de poro médios menores do que uma ou mais camadas de pré-forma de superfície externa dentre a pluralidade de camadas de pré-forma.

12. ESTRUTURA, caracterizada pelo fato de que compreende: uma pluralidade de camadas de pré-forma associadas em conjunto a fim de definir uma pré-forma; em que uma primeira camada de pré-forma e uma segunda camada de pré-forma dentre a pluralidade de camadas de pré-forma têm tamanhos de poro médios diferentes.

13. ESTRUTURA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a segunda camada de pré-forma tem um tamanho de poro médio maior do que a primeira camada de pré-forma.

14. ESTRUTURA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a primeira camada de pré-forma é uma camada central que tem um primeiro tamanho de poro médio, em que a segunda camada de pré-forma tem um segundo tamanho de poro médio, sendo que o segundo tamanho de poro médio é maior do que o primeiro tamanho de poro médio.

15. ESTRUTURA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de camadas de pré-forma incluí uma terceira camada de pré-forma, em que a segunda camada de pré-forma é disposta em um primeiro lado da primeira camada de pré-forma, em que a terceira camada de pré-forma é disposta em um segundo lado da primeira camada de pré-forma, e em que cada uma dentre a segunda camada de pré-forma e a terceira camada de pré-forma tem um tamanho de poro médio maior do que um tamanho de poro médio da primeira camada de pré-forma.