BR112020006473B1 - Método para produzir uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica - Google Patents
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Abstract
a invenção refere-se a um método para a produção de uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica compreendendo as etapas de: moldar uma pré-forma fibrosa oca, um núcleo de material oxidável sendo alojado ou inserido na pré-forma (e1); consolidar a dita pré-forma (e3, e4); e extrair o núcleo por oxidação do dito núcleo (e5).
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um método para produzir uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica ou CMC.
[0002] Um campo de aplicação da invenção é a fabricação de peças estruturais usadas em peças quentes de uma turbomáquina, por exemplo, peças de turbinas, peças posteriores ou bocais secundários da turbomáquina. Mais precisamente, a invenção pode ser usada para a fabricação de bocais de turbinas ou pás ocas.
[0003] Um estágio de turbina consiste em uma pá estacionária ou de bocal pertencente a um estator, seguida por uma pá móvel pertencente a um rotor. Os primeiros estágios do bocal são geralmente ocos para transportar ar radialmente do lado de fora para o interior da turbina, para fornecer ar ao cubo para pressurização e sangria e possível resfriamento. Um pouco desse ar pode ser usado para resfriar o bocal.
[0004] As pás móveis também podem ser ocas, para que o ar de refrigeração possa fluir através delas. O uso de peças ocas também reduz a massa da turbomáquina.
[0005] Um método para fabricar peças CMC ocas é conhecido no documento US 2014/0048978. Esse método inclui as seguintes etapas: - colocar um núcleo de silício em uma área oca de uma pré-forma porosa, - aquecer o núcleo e a pré-forma de modo a derreter o núcleo, o silício do dito núcleo se infiltra na pré-forma porosa, de modo a consolidá-la.
[0006] Esse método tem duas principais desvantagens.
[0007] A primeira desvantagem está relacionada ao fato de que o núcleo e o molde (ou anterior) são feitos de materiais diferentes. De fato, o núcleo, feito de silício, possui uma expansão térmica diferente do molde, feito de carbono ou metal, que pode induzir variabilidade na peça acabada. Portanto, a compensação é necessária para garantir o teor correto de fibras e as dimensões corretas da peça.
[0008] A segunda desvantagem é que o volume do núcleo de silício deve ser corretamente dimensionado para que toda a pré-forma porosa seja infiltrada pelo silício do núcleo. Em geral, se houver um excesso de silício no núcleo, são fornecidos meios de drenagem para remover esse excesso da cavidade. Da mesma forma, se a quantidade de silício no núcleo não for suficiente para se infiltrar em toda a pré-forma porosa, um cadinho deve ser fornecido para levar silício adicional para dentro da cavidade. Na verdade, isso torna o estágio de infiltração da pré-forma mais complex
[0009] A invenção visa resolver essas desvantagens de uma maneira simples, confiável e barata.
[0010] Para esse fim, a invenção fornece um método para a produção de uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica compreendendo as etapas de: - moldar uma pré-forma fibrosa oca, um núcleo feito de um material oxidável sendo alojado ou inserido na pré-forma; - consolidar a dita pré-forma; e - extrair o núcleo por oxidação do dito núcleo.
[0011] Dessa forma, o núcleo pode ser facilmente removido sem risco de danificar a pré-forma. De fato, este último tendo sido consolidado antes da remoção do núcleo, a dita pré-forma mantém suas dimensões e forma após a remoção do núcleo.
[0012] Oxidação significa a reação química do núcleo com um oxidante ou agente oxidante que o converte em um óxido. Além disso, a remoção do núcleo por oxidação pode ser facilmente realizada dentro do escopo da fabricação atual de peças CMC, sem a necessidade de grandes adaptações no método de fabricação.
[0013] Para facilitar sua remoção, o núcleo pode ser perfurado ou cortado.
[0014] A etapa de extrair o núcleo por oxidação pode incluir as sub etapas de: - aquecer a pré-forma, na qual o núcleo está inserido, em um forno sob uma atmosfera oxidante; - remover mecanicamente o núcleo oxidado, por exemplo, por raspagem.
[0015] Este aquecimento pode ser realizado na presença de um catalisador, como acetato de potássio.
[0016] A presença de um catalisador reduz a duração da etapa de aquecimento e facilita a remoção do núcleo.
[0017] O dito aquecimento pode ser realizado a uma temperatura variando de 400°C a 800°C.
[0018] Esse aquecimento pode incluir: - um primeiro ciclo de aquecimento com duração entre 20 e 30 horas; - um segundo ciclo de aquecimento que dura entre 10 e 15 horas.
[0019] Em geral, o primeiro e o segundo ciclo de aquecimento podem variar dependendo do volume do núcleo, bem como da seção do núcleo que está em contato direto com o ar.
[0020] Uma operação de remoção mecânica do núcleo, como uma operação de raspagem, pode ser executada após cada ciclo de aquecimento.
[0021] O núcleo oxidável pode ser feito de carbono, grafite ou outro material derivado de carbono.
[0022] Tais materiais são particularmente resistentes ao estágio de consolidação.
[0023] A pré-forma fibrosa oca pode ser feita drapejando (“drapage”) ou montando texturas fibrosas em torno do núcleo, ou tecendo uma pré-forma possuindo uma área oca para inserção do núcleo.
[0024] A dita consolidação da pré-forma pode compreender as sub-etapas que consistem em: - criar pelo menos uma interfase, por exemplo nitreto de boro, nas fibras da pré-forma fibrosa por infiltração química em fase de vapor; - criar pelo menos uma camada de matriz cerâmica, por exemplo, de carboneto de silício, na interfase por infiltração química em fase de vapor.
[0025] Também é possível realizar a consolidação dos fios utilizados para tecer a pré-forma fibrosa oca ou fabricar as texturas fibrosas, por exemplo tecidos unidimensionais, montados ou drapeados em torno do núcleo para fazer a pré-forma fibrosa oca.
[0026] A dita consolidação dos fios pode compreender as sub-etapas que consistem em: - criar pelo menos uma interfase, por exemplo nitreto de boro, nos fios por infiltração química em fase de vapor; - criar pelo menos uma camada de matriz cerâmica, por exemplo, de carboneto de silício, na interfase por infiltração química em fase de vapor.
[0027] A pré-forma oca pode então ser moldada, com um núcleo feito de um material oxidável sendo alojado ou inserido na pré-forma. A pré-forma fibrosa oca pode então ser tecida com esses fios consolidados ou pode resultar da montagem de tecidos unidimensionais feitos a partir desses fios consolidados em torno de um núcleo oxidável.
[0028] A etapa de extrair o núcleo por oxidação pode ser seguida por uma etapa de densificação da pré-forma que consiste pelo menos em parte na: - introdução de um pó metálico, por exemplo, pó de silício, na pré-forma; - infiltração de metal fundido, por exemplo, silício fundido na pré-forma.
[0029] A etapa de extrair o núcleo por oxidação pode ser seguida pelas etapas de: - usinar a peça; - cobrir a superfície externa da peça com um revestimento que forma uma barreira térmica ou ambiental.
[0030] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão ao ler a descrição a seguir, que é dada como um exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A figura 1 é um diagrama que ilustra as várias etapas sucessivas do método de acordo com a invenção; A figura 2 é uma vista esquemática da pré-forma na qual o núcleo está inserido; A figura 3 é uma vista esquemática da pré-forma após a remoção do núcleo por oxidação.
[0031] A Figura 1 representa esquematicamente as várias etapas de um método para produzir uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica (CMC) de acordo com uma modalidade da invenção.
[0032] Este método compreende uma primeira etapa E1 na qual uma pré-forma fibrosa oca é moldada, um núcleo feito de um material oxidável sendo alojado ou inserido na pré-forma.
[0033] Por exemplo, o núcleo é feito de carbono, grafite ou outros materiais derivados de carbono.
[0034] A pré-forma fibrosa destinada a formar o reforço fibroso da peça de acordo com a invenção pode ser obtida por tecelagem de multicamadas entre uma pluralidade de camadas de fios de urdidura e uma pluralidade de camadas de fios de trama. A tecelagem de multicamadas produzida pode ser, em particular, uma tecelagem do tipo "intertravamento", isto é, uma tecelagem na qual cada camada de fios de trama liga várias camadas de fios de urdidura com todos os fios da mesma coluna de trama tendo o mesmo movimento no plano da tecelagem.
[0035] Outros tipos de tecelagem de multicamadas podem, é claro, ser utilizados.
[0036] Quando a pré-forma fibrosa é feita por tecelagem, a tecelagem pode ser realizada com fios de urdidura que se estendem na direção longitudinal da pré-forma, observando-se que também é possível tecer com fios de trama nessa direção.
[0037] Em uma modalidade exemplificativa, os fios utilizados podem ser fios de carboneto de silício (SiC) fornecidos como "Nicalon", "Hi-Nicalon" ou "Hi-Nicalon-S" pela empresa japonesa Nippon Carbon ou "Tyranno SA3" pela empresa UBE e com um tamanho (número de filamentos) de 0,5K (500 filamentos).
[0038] Para pás de turbomáquinas destinadas ao uso em altas temperaturas e especialmente em ambientes corrosivos (por exemplo, ambientes úmidos), podem ser utilizados fios de fibras cerâmicas, especialmente fibras de carboneto de silício (SiC), para tecer. Para peças com uma vida útil mais curta, também podem ser usadas fibras de carbono.
[0039] Em particular, modos diferentes de tecelagem de multicamadas são descritos no documento WO 2006/136755.
[0040] Esse método torna possível produzir uma pré-forma coerente compreendendo uma área oca na qual o núcleo está inserido.
[0041] O reforço fibroso da peça de acordo com a invenção ainda pode ser formado a partir de uma pré-forma fibrosa obtida pela união de duas texturas fibrosas. Nesse caso, as duas texturas fibrosas podem ser unidas, por exemplo, costurando ou agulhando, ou simplesmente justapostas. Em particular, ambas as texturas de fibra podem ser obtidas a partir de uma única camada ou uma pilha de várias camadas de: - tecido unidimensional (UD), - tecido bidimensional (2D), - trança, - tricô, - feltro, - camada unidirecional de fios ou cabos multidirecionais ou camadas obtidas por sobreposição de várias camadas unidirecionais em direções diferentes e pela ligação das camadas unidirecionais entre si, por exemplo, por costura, agente de ligação química ou agulhamento.
[0042] No caso de uma pilha de várias camadas, as camadas são unidas, por exemplo, por costura, layout de fios ou elementos rígidos ou por agulhamento, ou simplesmente colocadas lado a lado.
[0043] Como antes, esse método permite produzir uma pré-forma coerente compreendendo uma área oca na qual o núcleo está inserido.
[0044] Finalmente, o reforço fibroso da peça de acordo com a invenção ainda pode ser formado drapejando pregas, tecidos ou tiras unidirecionais, ao redor do núcleo. Nesse caso, a área oca na pré-forma é criada diretamente através da construção da pré-forma em torno do núcleo.
[0045] A montagem compreendendo a pré-forma e o núcleo inserido na área oca da pré-forma é então colocada em uma ferramenta de moldagem (etapa E2), de modo a manter a pré-forma em uma forma próxima à da peça a ser fabricada.
[0046] Exemplos da moldagem de pré-formas fibrosas a partir de uma estrutura de fibra coerente podem ser encontrados, por exemplo, no pedido de patente dos EUA 2011/0293828.
[0047] Um revestimento de interfase de nitreto de boro (BN) é então formado por Infiltração Química em Fase de Vapor (CVI) - etapa E3, a pré-forma sendo mantida na forma desejada por meio de ferramentas de moldagem, sendo a dita ferramenta colocada em um forno. A ferramenta pode ser feita de grafite e pode incluir orifícios que permitem a passagem da fase gasosa. Essa fase gasosa pode incluir tricloreto de boro BCI3, amônia NH3 e hidrogênio gasoso H2.
[0048] No final da etapa E3, a pré-forma e o núcleo ainda são mantidos nas ferramentas de formação no forno, uma camada de matriz cerâmica é formada por CVI na interfase BN para consolidação da pré-forma (etapa E4), ou seja, para ligar as fibras da pré-forma suficientemente juntas para que a pré-forma possa manter sua forma sem a assistência das ferramentas de formação. Esta camada da matriz é feita, por exemplo, de carboneto de silício SiC.
[0049] Nas etapas E3 e E4, a pré-forma e o núcleo são submetidos a uma temperatura entre 700 e 1100°C.
[0050] O núcleo 2 (visível em linhas tracejadas na Figura 2) e a pré-forma 1 são então removidos do molde de moldagem e colocados em um forno sob uma atmosfera oxidante, isto é, na presença de um catalisador, como acetato de potássio, para realizar a extração do núcleo por oxidação (E5). Oxidação refere-se à reação de um corpo com oxigênio, resultando em óxido.
[0051] Nesta etapa de oxidação E5, o núcleo é removido por uma reação química que o converte em óxido. Para isso, o núcleo e a pré-forma passam por um primeiro ciclo de aquecimento durante o qual a temperatura no forno é mantida entre 400°C e 800°C, por exemplo, cerca de 600°C, por um período entre 20 e 30 horas, por exemplo, cerca de 25 horas. A peça do núcleo é removida por ação mecânica, por exemplo, raspagem. No final do primeiro ciclo de aquecimento e raspagem, é possível remover entre 30 e 50% da massa do núcleo.
[0052] O núcleo e a pré-forma, em seguida, passam por um segundo ciclo de aquecimento no qual a temperatura no forno é mantida entre 400°C e 800°C, por exemplo, cerca de 600°C, por um período entre 10 e 15 horas, por exemplo, cerca de 12 horas. O resto do núcleo é removido por ação mecânica, por exemplo, raspagem. No final do primeiro ciclo de aquecimento e raspagem, substancialmente todo o núcleo foi removido e uma pré-forma 1 tendo uma área oca 3 é obtida, sendo a dita área oca 3 mostrada em linhas pontilhadas na figura 3.
[0053] Uma matriz cerâmica é então formada na pré-forma impregnando a dita pré-forma com um deslizamento contendo um ou mais pó(s) de carbono ou de cerâmica, por exemplo, SiC, Si3N4, C, B e suas misturas, em suspensão aquosa, ou SC ("Fundição de Pasta” (“Slurry Casting") - etapa E6). Esta etapa de densificação é realizada em um molde à temperatura ambiente. A pré-forma é então removida do molde e seca e, em seguida, a formação da matriz cerâmica é continuada em um forno por infiltração com silício fundido ou uma liga fundida contendo principalmente silício ou MI ("Infiltração por fusão” (“Melt Infiltration") - estágio E7). O(s) constituinte(s) presente(s) dentro da dita liga de silício fundido pode ser selecionado dentre B, Al, Mo, Ti e suas misturas. Esta etapa de densificação é realizada a uma temperatura entre 1400°C e 1450°C, por exemplo.
[0054] Um método de densificação por MI é descrito nas patentes US 4.889.686, US 4.994.904 e US 5.015.540.
[0055] A peça obtida após a etapa E7 é então removida do forno e as superfícies funcionais são possivelmente usinadas (etapa E8), por exemplo, por moagem.
[0056] Um revestimento, formando uma barreira ambiental e/ou térmica com uma função de proteção térmica e/ou proteção contra corrosão em ambientes oxidantes e/ou úmidos, é aplicado à superfície da peça (etapa E9). Em particular, os pedidos de patente WO2010/063946, WO2010/072978, US2009/0169873 e US2010/003504 podem ser consultados.
Claims (8)
1. Método para a produção de uma peça oca feita de um material compósito com matriz cerâmica compreendendo as etapas de: - moldar uma pré-forma fibrosa oca (1), um núcleo (2) feito de um material oxidável sendo alojado ou inserido na pré-forma (E1); - consolidar a dita pré-forma (E3, E4); e - extrair o núcleo por oxidação do dito núcleo (E5), caracterizado pelo fato de que a etapa de extrair o núcleo por oxidação do dito núcleo (E5) compreende as seguintes sub-etapas: - aquecer a pré-forma (1) na qual o núcleo (2) está inserido, em um forno sob uma atmosfera oxidante em um primeiro ciclo de aquecimento com duração entre 20 e 30 horas; - remover mecanicamente parte do núcleo oxidado por raspagem; - aquecer a pré-forma (1) no forno sob uma atmosfera oxidante em um segundo ciclo de aquecimento com duração entre 10 e 15 horas; e - remover mecanicamente um resto do núcleo oxidado por raspagem.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito aquecimento é realizado na presença de um catalisador, tal como, por exemplo, acetato de potássio.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dito aquecimento é realizado a uma temperatura variando de 400°C a 800°C.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o núcleo oxidável (2) é feito de carbono, grafite ou outro material derivado de carbono.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a pré-forma fibrosa oca (1) é feita drapejando ou montando texturas fibrosas em torno do núcleo, ou tecendo uma pré-forma possuindo uma área oca para inserção do núcleo.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a dita consolidação da pré-forma (E3, E4) compreende as sub-etapas de: - criar pelo menos uma interfase, por exemplo, de nitreto de boro, nas fibras da pré-forma fibrosa (1) por infiltração química em fase de vapor; - criar pelo menos uma camada de matriz cerâmica, por exemplo, de carboneto de silício, na interfase por infiltração química em fase de vapor.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a etapa de extrair o núcleo por oxidação (E5) é seguida por uma etapa de densificação da pré-forma (E6, E7) que consiste pelo menos em parte na: - introdução de um pó metálico, por exemplo, pó de silício, na pré-forma (E6); - infiltração de metal fundido, por exemplo, silício fundido na pré-forma (E7).
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de extrair o núcleo por oxidação é seguida pelas etapas de: - usinar a peça (E8); - cobrir a superfície externa da peça com um revestimento que forma uma barreira térmica ou ambiental (E9).
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