BRPI1015247A2

BRPI1015247A2 - método de alisamento da superfície de uma peça de material compósito de matriz cerâmica.

Info

Publication number: BRPI1015247A2
Application number: BRPI1015247-4A
Authority: BR
Inventors: Eric Bouillon; Nicolas Elberling-Fux; Serge Chateigner
Original assignee: Snecma Propulsion Solide; Snecma
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2020-10-13
Also published as: KR101787766B1; US20150004324A1; CN102448910B; EP2414305B1; CN102448910A; WO2010112768A1; FR2944010A1; CA2757387C; RU2523265C2; CA2757387A1; BRPI1015247B1; US20120063912A1; FR2944010B1; EP2414305A1; KR20110136871A; JP2012522714A; RU2011143260A; JP5678028B2; US9404185B2; US8846218B2

Abstract

MÉTODO DE ALISAMENTO DA SUPERFÍCIE DE UMA PEÇA DE MATERIAL COMPÓSITO DE MATRIZ CERÂMICA A presente invenção se refere a um método de alisamento da superfície de uma peça de material compósito de matriz cerâmica que apresenta uma superfície ondulada e áspera. O método compreende o depósito (90) de uma camada vítrea refratária na superfície da peça, a camada vítrea contendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO Pedido de patente de invenção para "MÉTODO DE

ALISAMENTO DA SUPERFÍCIE DE UMA PEÇA DE MATERIAL COMPÓSITO DE MATRIZ CERÂMICA" Fundamentos da Invenção A presente invenção se refere a peças feitas de um material compósito de matriz cerâmica. A invenção se refere, mais particularmente, à melhoria do estado da superfície das peças.

Em motores de aeronaves e, em particular, nas turbinas a gás destes motores, peças que apresentam formas aerodinâmicas, como lâminas, são tradicionalmente fabricadas de ligas de metal, utilizando um método de fundição e maquinação local. As condições atuais e futuras dos motores de aeronaves em termos de redução do consumo específico de energia, redução da poluição, etc., resultam no aumento significativo do peso destes motores, em particular, nas etapas de baixa pressão de suas turbinas.

As lâminas constituem uma grande parte do peso das etapas de baixa pressão. Para reduzir o peso de forma significativa, ao mesmo tempo em que também são aceitas temperaturas de operação mais altas do que aquelas possibilitadas com ligas de metal presentes, uma solução é fabricar as lâminas de materiais compósitos de matriz cerâmica.

Os materiais compósitos de matriz cerâmica (CMC) são exemplos dos chamados materiais compósitos "termoestruturais", isto é, materiais compósitos que têm boas propriedades mecânicas e a capacidade de preservar suas propriedades em temperatura elevada. Além disso, estas peças, como lâminas, quando fabricadas de CMC, apresentam uma economia de peso significativa em comparação às mesmas peças fabricadas, utilizando ligas de metal normais.

2 /20 Conhecidamente, as peças de CMC são formadas por reforço de fibra fabricado de fibras rehatárias (fibras de carbono ou fibras de cerâmica) e densificadas com uma matriz cerâmica, em particular, matriz de carboneto refratário, nitreto, óxido,... Exemplos comuns de materiais de CMC são materiais C-SiC (reforço de fibra de carbono e matriz de carboneto de silício), materiais SiC-SiC e materiais C-C/SiC (matrizes de carbono e carboneto de silício). A fabricação de peças fabricadas de material de CMC é bem conhecida. O reforço de fibra pode ser densificado, utilizando uma técnica de líquido (impregnação com uma resina que é precursora da matriz cerâmica e transformação da resina em cerâmica pela cura e pirólise cujo processo pode ser repetido) ou pelo uso de uma técnica de gás (infiltração química a vapor).

Entretanto, as peças de CMC apresentam uma aparência de superficie que é ondulada e relativamente áspera, podendo ser incompatível com o desempenho aerodinâmico exigido de peças como Iâminas. A ondulaç"o da superfície é devido ao reforço da fibra, ao passo que a fibra é associada à matriz cerâmica de "selagem", em particular quando a matriz é depositada pela infiltração química a vapor (CVI).

Conversamente, peças fabricadas de ligas de metal e pelos métodos associados apresentam uma aparência de superficie que é lisa com pouquíssima aspereza (da ordem de 1 micrômetro (µm)).

Uma solução para melhorar o estado da superfície de uma peça de CMC consiste em aplicar uma composição líquida em sua superfície, o líquido contendo um polímero precursor cerâmico, isto é, carboneto de silício e excipiente refi"atário para sólidos na foma de grãos que permitem a formação de uma camada de cerâmica. A camada de cerâmica serve para alisar as ondulações presentes na superfície da peça. Esta etapa é seguida do depósito da cerâmica, isto é, SiC, elaborado com o uso de infiltração química a vapor (CVI) por uma duração de cerca de 30 horas, servindo,

3 /20 desta forma, para unir os grãos do excipiente refratário. Este método de tratamento da superfície de uma peça de CMC é descrito no Documento US 2006/0141154.

Embora este método possibilite a melhoria significativa do 5 estado da superfície de uma peça de CMC ao reduzir suas ondulações em 40 µm e sua aspereza de superficie em valores dispostos na proporção entre 2 µm a 5 µrn (condicionados pelo depósito de CVI da cerâmica), a necessidade de uma CVI adicional, após a camada de cerâmica ter sido formada, leva ao aumento signifieativo do custo e da duração de tempo para a fabricação da peça.

Consequentemente, existe a necessidade de uma camada para alisar a superfície de uma peça de CMC que é menos desvantajosa em termos da duração e do custo de fabricação da peça. Esta camada de alisamento pode ser formada por uma camada vítrea que é depositada na peça.

Entretanto, a camada vítrea de alisamento necessita satisfazer várias condições para ser adaptada às características estruturais e funcionais das peças de CMC. A camada vítrea de alisamento necessita, em particular, apresentar, pelo menos, enquanto ela está sendo aplicada na peça, tensão de superfície e, possivelmente, também, viscosidade que são adaptadas ao alisamento, isto é, possibilitando que a camada seja espalhada de foma fácil e uniforme sobre a superfície da peça. A camada de alisamento necessita, também, ter um coeficiente de expansão térmica que é aproximado ao do material de CMC da peça, para evitar expansão diferencial na peça quando ela é exposta a altas temperaturas. Por último, a camada utilizada necessita também apresentar uma temperatura de füsão que é superior à temperatura de utilização da peça de CMC, de modo a garantir a integridade da camada nesta temperatura, que pode ser tão elevada quanto 1.lOO°C para as lâminas das turbinas a gás, por exemplo.

4 /20 Objetivo e resumo da invenção O objetivo da presente invenção é propor um método que não apresenta as desvantagens mencionadas acima para obter peças de CMC que têm um estado de superficie que é bem controlado e, em particular, que é compatível com as aplicações que requerem desempenho aerodinâmico.

Para este fim, a invenção apresenta um método de alisamento da superfície de uma peça de material compósito de matriz cerâmica que apresenta uma superfície que ondulada e áspera em cujo método, de acordo com a invenção, uma camada vítrea rehatária ou composição fabricada de vidro rehatário é também depositada na superfície do material eompósito, a camada vítrea eontendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.

Assim, ao depositar uma camada vítrea na superficie do material de CMC, o método possibilita melhorar consideravelmente o estado da superficie da peça, efetuando-o com o tratamento que é muito mais rápido e rnenos dispendioso do que a infiltração química a vapor.

Em uma implementação variante da invenção, antes que seja depositada a camada vítrea na superfície da peça, o método compreende a formação de uma camada cerâmica elaborada com a aplicação de uma composição líquida na superficie da peça, a composição Iíquida contendo um polímero precursor cerâmico e um excipiente refratário para sólidos, cura do polímero e transformação do poIímero curado em cerâmica com o tratamento térmico.

Sob estas circunstâncias, o depósito da camada vítrea também possibilita estabilizar e reforçar a camada ceràmica ao unir os grãos do excipiente para sólidos e/ou as partículas da camada cerâmica.

Preferivelmente, a camada vítrea contém em porcentagens por peso: 5S°/o a 70°4 de silício, 5°4 a 20°4 de alumina, 5q/o a 15°4 de bário e 5°4 a 10°4 de cal.

5 /20 A camada vítrea também pode conter, pelo menos, um composto adicional selecionado de, pelo menos, uni óxido alcalino terroso e um óxido alcalino.

Em um aspecto da invenção, a camada vítrea apresenta uma temperatura de füsão superior a 1.300°C Em outro aspecto, a camada vítrea apresenta um coeficiente de expansão térínica iniciado por não menos do que + 0,5x10-6K-l do coeficiente de expansão térmica do material CMC da peça.

A camada vítrea pode ser depositada na peça com aspersão de plasma ou aspersão a chama de oxiacetileno.

Em uma variante, a camada vítrea pode ser depositada na peça com a cobertura, com o tratamento térmico da camada depositada sendo efetuada subsequentemente.

A presente invenção também apresenta uma peça de CMC em que seu estado de superfície é melhorado, de acordo com o método da invenção, a superficie acessível da peça de CMC sendo coberta por uma camada vítrea, contendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.

A camada vítrea pode também eonter, pelo menos, um composto adicional selecionado de, pelo menos, um óxido alcalino terroso e um óxido alc.alino.

Em uma implementação variante da invenção, a peça é também apresentada com uma camada cerâmica, compreendendo uma fase cerâmica com um excipiente para sólidos.

A peça pode, em particular, ser uma lâmina de turbina a gás.

Breve descrição dos desenhos Outras características e vantagens da invenção são apresentadas a partir da descrição a seguir de modalidades particulares da

6 /20 invenção, fomecidas como exemplos não limitados e com referência aos desenhos em anexo, em que: - a Figura 1 é uma vista tridimensional mostrando o estado da superfície de uma porção de uma peça de CMC sem tratamento 5 adicional da superficie; - a Figura 2 é uma curva mostrando medições de variações dimensionais na porção de uma peça mostrada na Figura 1; - a Figura 3 é uma curva mostrando rnedições de variações dimensionais na superficie de uma peça de metal utilizada para lO fabricar lâminas de um motor de aeronave; - a Figura 4 é um gráfico de fluxo mostrando etapas sucessivas de implementações de um método, de acordo com a invenção; e a Figura 5 é uma vista perspectiva de uma lâmina de turbomáquina.

Descrição detalhada das modalidades A presente invenção apresenta um método de alisamento da superficie de uma peça fabricada de material compósito de matriz cerâmica (CMC) que apresenta uma superficie que é ondulada e áspera.

Com referência à Figura 4, um método de fabricação de uma peça de CMC implementando um método de alisamento, de acordo com a invenção, coinpreende as etapas a seguir.

A fabricação de uma peça de CMC começa com a apresentação de uma estmtura de fibra da qual a pré-forma da fibra deve ser formada e que tem uma forma que é aproximada àquela da peça que deve ser fabricada (etapa 10).

A estrutura da fibra pode ter várias formas, tais como: - tecido bidimensional (2D);

Í7 /20 - tecido tridimensional (3D) obtido com entrelaçamento 3D ou como camadas múltiplas; - entrançamento; - tricotagem; - feltros; e - folha unidimensional (UD) de fios ou fibras ou folhas multidirecionais (MD) obtidas com a sobreposição de uma pluralidade de folhas UD em diferentes direções e ligação das folhas UV, por exemplo, por costura, agente de ligação química ou agulhamento.

É também possível utilizar uma estnitura de fibra fabricada de uma pluralidade de camadas sobrepostas de tecido-tecido, entrançamento, tricotagem, feltro, folhas, etc. cujas camadas são unidas, isto é, por costura, pela implantação de fios ou elementos rígidos ou por agulhamento.

As fibras que constroem a estrutura da fibra são fibras rehatárias, isto é, fibras cerâmieas, isto é, elaboradas de carboneto de silício (SiC), fibras de carbono, ou mesmo fibras elaboradas de um óxido rehatário, isto é, de alumina (Al2O3).

Uma vez que a estrutura da fibra tenha sido construída, ela é consolidada ao ser impregnada com uma composição líquida contendo uma resina precurso'ra cerâmica de consolidaç.ão (etapa 20). Para este fim, a estrutura da fibra é imersa em um banho contendo a resina e, normalmente, um solvente para esta. Após a secagem, a secagem é finalizada em um fogão. A secagem pode ser acompanhada de pré-cura ou cura parcial da resina. A pré-cura fomece rigidez adicional, de modo que, ao ser efetuada, deve permanecer limitada para preservar deformabilidade suficiente ein relação à textura da fibra.

8 /20 Outras técnicas de impregnação conhecidas podem ser utilizadas, como preparação de um tecido pré-impregnado ao passar a estrutura da fibra por um impregnador contínuo, impregnação de infusão, ou mesmo impregnação pela moldagem de transferência de resina (RTM).

A resina de consolidação é selecionada de modo que, após a pirólise, ela deixa resíduo de cerâmica suficiente para gara.ntir a consolidação da pré-forma da fibra subsequentemente elaborada.

Uma resina precursora cerâmica pode, por exemplo, ser uma resina de policarbosilano, que é precursora do carboneto de silício (SiC), ou lO uma resina de polisiloxano, que é precursora de SiCO, ou uma resina de poliborocarbosilazano, que é precursora de S1CNB, ou uma resina de polisilazano (S1CN).

Após a impregnação, a pré-forma da fibra para a constituição de um reforço da fibra da peça que dever ser elaborada, e que tem uma forma que corresponde substancialmente àquela da peça, é em si formatada ao conformar a textura da fibra, utilizando ferramentas de suporte.

O formato da pré-forma da fibra é, preferivelmente, acompanhado da c.ompactação da estmtura da fibra para aumentar a concentração por unidade de volume das fibras no inaterial do compósito da peça que dever ser elaborada.

Após a pré-forma ter sido formatada, a resina é curada, ou a cura é concluída caso tenha havido pré-cura, com a pré.-forma sendo mantida com instmmentos.

Em seguida, a consolidação é finalizada com o tratamento térmico para pirolisar a resina. A pirólise é executada em uma temperatura com variação de cerca cle 900°C a 1.OOO°C, por exemplo.

A consolidação também pode ser efetuada com infiltração química a vapor (CVI).

9 /20 Após esta consolidação, a densificação da pré-forma da fibra por meio de uma matriz cerâmica é continuada (etapa 30).

A densificação é vantajosamente efetuada com a infiltração química a vapor (CVI), com os parâmetros do processo da CVI e a natureza do gás de reação sendo adaptado à natureza da matriz que deve ser elaborada. É possível em um único fomo dar continuidade, a partir da operação de pirolisação, à resina de consolidação relacionada à operação de execução da densificação.

A matriz cerâmica formada pela CVI pode ser uma matriz de SiC, ou uma matriz que é, pelo menos em parte, autocurável, como uma matriz de silício-boro-carbono (S1-B-C) ou uma matriz de carboneto de boro (B4C), ou mesmo uma matriz sequenciada tendo fases altemáveis de matriz cerâmica não curável e matriz cerâmica curável, Pode-se fazer referência, em particular, aos seguintes documentos: FR 2 401 888, US 5 246 736,US 5 965 266,US 6068 930 eljS 6291 058.

A matriz cerâmica pode ser depositada em uma pluralidade de ciclos de infíltração sucessivos com uma operação maquinada ocorrendo entre cada um dos ciclos para reabrir os poros da superfície do material e facilitar o depósito da n]atriz no reforço da fibra.

Figura 1 mostra o estado da superfície de uma porção de uma peça de CMC elaborada de uma textura de fibra multicamada consolidada do entrelaçamento tridimensional de fibras de SiC (Guipex® base-8 satin) que é formatada e densificada, utilizando o método descrito acima. Como mostrado nas medições da Figura 2, a peça apresenta em sua superfície ondulações apresentando uma amplitude de mais de 200 µm e aspereza apresentando um nível de cerca de 5 µm.

Como explicado acima, é improvável que a irregularidade da superfície permita que a peça seja utilizada de 'forma inalterada para

10 /20 aplicações aerodinâmicas. Por meio de comparação, a Figura 3 mostra as medições do estado da superficie de uma lâmina em relação a um está.gio de baixa pressão de um niotor de aeronave eni que a lâmina é fabricada de um material metálico. Pode ser observado que a lâmina não apresenta quaisquer ondulações em sua superfície, apresentando um nível de aspereza significativa da ordem de 1, µm.

Para este fim, e de acordo com uma implementação da invenção, uma camada vítrea refratária é depositada diretamente na superfície acessível do material de CMC da peça (etapa 90). O temo lO "superfície acessível" é utilizado para expressar a superfície geométrica extema da peça e, também, as superfícies dos poros intemos ao material que são, porém, abertos para o exterior, isto é, em relação aos poros que são acessíveis do exterior. Na impleinentação aqui descrita, a camada entra diretamente em contato com o material de CMC da peça.

A composição da camada vítrea depositada é selecionada de modo a ser compatível com o material de CMC da peça. Em particular, a composição da camada que é selecionada apresenta um coeficiente de expansão ténnica que é relativamente aproximado àquele da peça do material de CMC, isto é, iniciado por não menos do que + 0,5x10-6K-l do coeficiente de expansão térmica do material de CMC da peça. Por meio de exemplo, a camada vítrea apresenta um coeficiente de expansão térmica com variação de cerca de 4x10-6K-1 a 5x10-6K-l, o coeficiente de expansão térmica da CMC geralmente com variação de cerca de 4 a 4,5. Uma composição de camada vítrea é também selecionada de modo a não interagir quimicamente com o material de CMC.

A camada vítrea é também selecionada como uma fünção das condições de utilização da peça de CMC. Em particular, ela deve ser capaz de suportar as temperaturas de utilização da peça e de.ve apresentar uma vida útil que é superior àquela definida em relação à peça. Para este fm,

11 /20 uma camada vítrea é selecionada, tendo uma temperatura de fúsão mais elevada do que a temperatura de utilização máxima da peça. Por exemplo, para as peças que constituem as Iâminas das turbinas a gás, as temperaturas máximas encontradas por estas peças podem ser tão elevadas quanto 1.100° C. Sob estas circunstâncias, a camada vítrea deve apresentar uma temperatura de füsão superior a 1.300°C.

A camada vítrea contém, preferivelmente, as seguintes porcentagens por peso: - 5S°/o a 70°4 de silício (SiO2); - 5°/, a 2Õ°/o cle alumina (Al2O3); - S°/o a 15°4 de bário (BaO); e - 5°4 a 1 0°/0 de cal (CaO).

Com esta composição, um vidro de silicato de alumínio é formado com fluxos alcalinos terrosos que apresentam uma temperatura de fúsão mais alta do que l.l0O°C, formando, deste modo, uma camada vítrea na peça que conserva sua integridade até a utilização das temperaturas que podem ser tão elevadas quanto l.l0O°C. Com a composição acima mencionada, a eamada vítrea de alisamento apresenta, pelo menos, durante a aplicação na peça, uma tensão de superficie e, possivelmente, uma viscosidade que são adequadas ao alisamento, isto é, facilitando o espalhamento da camada de modo uniforine na superficie da peça. A camada alisada também possui um coeficiente de expansão térmica que é aproximado ao do material de CMC da peça, para evitar expansão diferencial na peça quando ela é exposta a altas temperaturas.

' A síliea representa o óxido base relacionado à composição.

A alumina, oriunda de matérias primas minerais da natureza, serve para aumentar a temperatura de füsão do vidro. Ela também possibilita ajustar o coeficiente de expansão térmica e a tensão de

12 /20 superfície do vidro. Ao aumentar a porcentagem de alumina na composiç'ão da camada vítrea, o coeficiente de expansão térmica e a tensão de superfície desta são aumentados.

O bário serve para ajustar a duração da fijsão na temperatura elevada do vidro, isto é, a duração de tempo em que a fúsão ocorre. Ele também possibilita ajustar o coeficiente de expansão térmica, a viscosidade e a tensão de superfície do vidro. Ao aumentar a porcentagem do bário na composição da camada vítrea, o coeficiente de expansão térmica, a viscosidade e a tensão de superfície desta são diminuídas.

A cal serve para ajustar a viscosidade e a tensão de superfície do vidro. Ao aumentar a porcentagem de cal na composição da camada vítrea, o coeficiente de expansão térmica e a viscosidade são diminuídos, ao passo que a tensão de superficie desta é aumentada.

A camada vítrea pode conter também um ou mais compostos adicionais selecionados de óxidos alcalinos terrosos, como magnésia (MgO) ou zircônia (ZrO2) e óxidos alcalinos, como óxido de sódio (Na2O) e potassa (K2O). Por meio de exemplo, a camada vítrea pode incluir, além de silício, alumina, bário e cal, 0°/, a 5°/, de magnésia e/ou O°/j a 1O°/, de zircônia e/ou 0°/0 a 5°/0 de óxido de sódio.

A magnésia serve para ajustar a tensão de superfície do vidro. Ao aumentar a porcentagem da magnésia na composição da camada vítrea, a tensão de superficie desta é aumentada.

A zircônia contribui para as propriedades mecânicas do vidro. Ela também possibilita ajustar a tensão de superfície do vidro. Ao aumentar a porcentagem de zircônia na composição da camada vítrea, a tensão de superfície desta é aumentada.

O óxido de sódio serve para ajustar a viscosidade e a tensão de superficie do vidro. Ao aumentar a porcentagem de óxido de sódio na

13 /20 composição da camada vítrea, a viscosidade é diminuída e a tensão de superficie desta é aumentada.

Em termos gerais, neste tipo de composição de vidro, o uso de óxido alcalino terroso (bário, cal, magnésia, etc.) referente aos óxidos 5 alcalinos tradicionais (óxido de sódio, potassa, etc.) seve para reduzir o coeficiente de expansão termal para a utilização de temperaturas mais elevadas.

A camada vítrea pode ser obtida com o depÓsito de uma composição inicial e aplicação de tratamento térmico em cerca de 1.350°C cujo tratamento térmico pode ser realizado simultaneamente com o depósito ou subsequentemente.

Por meio de exemplo, a eomposição inicial pode conter as seguintes matérias primas: - areia para constituir o silício; - caulim ou argila para constituir principalment.e a alumina e, em menor medida, o silício; - earbonato de bário para constituir o bário; e - carbonato de cálcio para constituir a cal.

O bário é, preferivelmente, forrnado do carbonato de bário para formar um vidro metaestável.

A composição pode conter também as seguintes matérias primas adicionais: - esteatita principalmente para constituir a magnésia e, em menor medida, a alumina; - silicato de zircônio (zircão) para formar a zircônia; e - solda feldspato para constituir óxido de sódio.

!4 /20 As quantidades das matérias primas são ajustadas na composição inicial como uma função das proporções dos componentes da camada vítrea que se pretende obter.

Como um exemplo não limitado, uma primeira composição inicial contém em porcentagem por peso: - 39°4 de areia sílica; - 9°/, de caulim; - 5°/, de argila; - 1O°/o de carbonato de bário; - 7°4 de carbonato de cálcio; - 2% de esteatita; e - 28°4 de feldspato; Que serve para constituir uma camada vítrea contendo: - 66°4 de silício; - 13°4 de alumina; - 1O°/o de bário; - 7°/0 de cal; - 1°/0 de magnésia; e - 3°/0 de óxido de sódio.

Em um segundo exemplo, uma composição inicial contendo as. seguintes porcentagens por peso: -31°4deareiasílica; - 8°4 de caulim; - 5°/, de argila;

15 /20 - 10°4 de carbonato de bário; - 7°4 de carbonato de cálcio; - 2°4 de esteatita; - 10°4 de silício de zircônio; e - 27°4 de feldspato; Serve para constituir uma camada vítrea contendo: - 61% de silício; - 1 2°/, de alumina; - 10°4 de bário; - 7°/0 de cal; - 1 °/, de magnésia; - 6°/0 de zircônia; e - 3°4 de óxido de sódio.

A camada vítrea pode, em particular, ser depositada na peça de CMC por aspersão ou revestimento.

Quando a aspersão é utilizada, a composição dever ser na forma de um pó (matéria de alimentação) que é aspergido na peça, preferivelmente por meio de uma chama de oxiacetileno ou plasma, permitindo, desta forma, que o depósito do material na temperatura seja reduzido, permitindo, consequentemente, o aquecimento da peça a ser reduzido. As técnicas de depÓsito da aspersão de plasma ou aspersão a chama de oxiacetileno são bem conhe.cidas e não são descritas em maiores detalhes por razões de simplificação.

O depósito por camada pode ser executa.do, em particular, por aspersão, pela aplicação de um antiderrapante, ou por imersão, a composição inicial sendo mantida ein suspensão na água, por exemplo.

16 /20 Sob estas circunstâncias, o tratamento térmico necessita ser aplicado para fixar a camada vítrea na peça. O tratamento térmico é, preferivelmente, executado localmente, isto é, sem submeter a peça integral ao tratamento térmico.

A espessura da camada vítrea depositada é determinada, principalmente, como unia fünção do nível das irregularidades que devem ser compensadas. A cobertura da camada vítrea apresenta espessura que pode variar entre 50 µm e 300 µm.

Em uma implementação variante da invenção, uma camada cerâmica pode ser executada na superfície acessível da peça antes do depósito da camada vítrea. Sob estas circunstâncias, após a estrutura da fibra ter sido formada (etapa 10), e consolidada (etapa 20), e a pré-forma ter sido densificada (etapa 30), uma composição de camada cerâmica é preparada (etapa 40). Esta composição compreende um excipiente refratário para sólidos na forma de um pó, em particular, um pó cerâmico, um polímero precursor cerâmico e, opcionalmente, um solvente para o polímero.

Por meio de exemplo, o pó é pó SiC. O tamanho do seu grão é selecionado para ser suficientemente fino, permitindo que os grãos do pó penetrem nos poros da superficie para preenchimento do material eompósito de CMC. O tamanho médio dos grãos é, preferivelmente, selecionado para ser menor do que 100 µm, isto é, na variação entre 5 µm e 50 µm. É também possível utilizar pós de diferentes tamanhos de grãos.

Por exemplo, é possível utilizar grãos tendo um tamanho médio na variação entre 5 µm e 15 µm em relação aos grãos que tem um tamanho médio na variação entre entre 25 µm e 50 µm, com a proporção por peso de grãos de tamanho médio maior, sendo, por exemplo, superior àquela dos grãos do tamanho médio menor.

17 /20 Outros pós, em particular, pós cerâmicos, podem ser utilizados tendo substancialmente o mesmo 'tamanho de grão, isto é, selecionado dos pós de carboneto (que não SiC), nitreto ou boreto, sendo possível misturar pós de diferentes tipos.

O polímero precursor cerâmico é selecionado como uma fijnção da natureza da camada desejada. Para uma camada SiC, o polímero deve ser selecionado, por exemplo, de policarbossilano (PCS) e polititanocarbossilano (PTCS).

Outros polímeros precursores cerâmicos podem ser utilizados, por exemplo, silícios que são precursores de SiC (ou SiC+C, com carbono excedente), polissilazanos que, quando pirolisados sob um gás, servem para obter resíduos baseados em S13N4 e/ou SiC, e poliborazinas que são precursores de BN.

Deve .qer observado que a cerâmica que constitui os excipientes para sólidos e a cerâmica em relação à qual o polímero é um precursor são, preferivelmente, mas não necessariamente, do mesíno tipo.

O solvente é deteminado como uma fijnção do polímero precursor cerâmico utilizado. Por exemplo, com PCS, o solvente pode ser xileno. Outros soIventes podem ser utilizados para outros polímeros, is'to é, heptano, hexano, metiletilcetona ou etanol para silícios.

A quantidade de excipiente para sólido, comparada à quantidade do polímero precursor cerâmico, é selecionada para garantir o preenchimento satisfatório dos poros da superfície do material compósito termoestrutural, permitindo, ao mesmo tempo, que a composição penetre em certa profúndidade. Assim, a quantidade por peso do excipiente para sólidos varia, preferivelmente, entre 0,4 vezes e 4 vezes a quantidade por peso do polímero precursor cerâmico. Esta variação também possibilita

18 /20 ajustar a quantidade de redução do polímero precursor cerâmico durante sua transformação.

A quantidade de solvente utilizada é selecionada para conferir a viscosidade apropriada à composição líquida, permi'tindo com que ela seja aplicada na superficie da peça.

Por meio de exemplo, uma composição típica relacionada a uma composição destinada à formação de uma camada SiC pode ser selecionada das seguintes variações: - PÓ de SiC (tamanho de grão médio variando entre 5 µm e 50 µm): 2 peças por peso (pbw) de 7 pbw; - PCS (precursor SiC): 1 pbw a 3 pbw; e - xileno (solvente PCS): 2 pbw a 5 pbw.

A composição líquida é aplicada na superfície para tratamento da peça (etapa 50).

A aplicação pode ser realizada simplesmente com o uso de uma escova. Entretanto, podem ser utilizados outros métodos, isto é, uma pistola de pulverização.

Após a secagem (etapa 60), isto é, com o uso de ar quente, para eliminar o solvente, o polímero precursor cerâmico é curado (etapa 70). A cura pode ser efetuada com o tratamento térmico. Por exemplo, ao utilizar PCS, a temperatura é elevada progressivamente até ser mantida por volta de 350°C.

O polímero curado é submetido ao tratamento térmico para fins de ceramização (etapa 80). Com PCS, a transformação em SiC é realizada ao elevar a temperatura progressivamente até ser mantida por volta de 900°C.

19 /20 Diversas camadas sucessivas de composição líquida podem ser aplicadas. Após cada camada ter sido aplicada, é preferível proceder, pelo menos, a uma operação de secagem da composição e cura do polímero precursor cerâmico. A ceramização pode ser realizada sirnultaneamente em todas as camadas.

Naturalmente, as condições de cura e ceramização podem ser diferentes quando são utilizados outros precursores cerâmicos, não apresentando estas condições qualquer caráter original.

Uma camada de cerâmica é, assim, obtida ao incluir uma fase oriunda da ceramização do precursor cerâmico e um excipiente para sólidos. Esta camada preenche as ondulações e as indentações na superficie da peça.

Entretanto, a camada de cerâmica, como formada desta maneira, necessita ser estabilizada estruturalmente. Em particular, é necessário garantir ligação entre os grãos do excipiente para sólidos em razão da redução da resina do precursor cerâmico durante sua transforrnação. Durante o tratamento térmico para fins de ceramização, o material que constitui o precursor cerâmico encolhe, fazendo, desta forrna, com que a cerâmica rache ou esfarele. Os grãos deixam de ficar u.nidos uns aos outros em um bloco contínuo de cerâmica.

Para este fini, e de acordo com a invenção, uma camada vítrea rehatária é depositada na camada de cerâmica sob as condições descritas acima (etapa 60).

Ao fonnar uma matriz vitrea, o depósito de uma camada vítrea serve para unir os grãos e/ou partículas da camada de cerâmica. Esta impregnação também possibilita aumentar a resistência ao desgaste da peça de CMC (sob condições de hicção uniforme).

20 /20 A camada vítrea é formada de modo a compensar as irregularidades da superfície na camada vítrea, com a quantidade de camada vítrea sendo selecionada como uma fünção das irregularidades que devem ser compensadas. A cobertura da camada vítrea apresenta espessura que pode variar entre 50 µm e 300 µm. A camada, como formada desta maneira, serve para alisar a superficie da camada de cerâmica e, consequentemente, a superfície da peça. A camada vítrea da invenção serve para reduzir o nível de ondulações na superfície da peça em valores menores do que 40 µm e para reduzir o nível de aspereza na superfície em lO valores menores do que 1 µm.

A invenção se aplica a vários tipos de lâmina de turbomáquina, em particular, a compressor e lâminas de turbina de várias bobinas de turbina a gás, como a mostrada na Figura 5.

A lâmina 10 da Figura 5 compreende, de forma bem conhecida, um perfil aerodinâmieo 20, uma raiz 30 elaborada de uma porção de espessura maior, isto é, tendo uma seção em forma de bulbo, e estendida por uma ponta 32, uma plataforma inferior 40 situada entre a ponta 42 e o perfil dinâmico 20 e uma plataforma exterior 50 na proximidade da extremidade livre da lâmina.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de alisamento da superficie de uma peça de material compósito de matriz cerâmica que apresenta uma superficie ondulada e áspera, o método sendo caracterizado por uma camada vítrea refratária ser também depositada na superfície da peça, a camada vítrea contendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender também, antes do depósito da camada vítrea na superficie da peça, foimando uma camada cerâmica fabricada com a aplicação da composição de um líquido na superfície da peça, a composição liquida contendo um polírnero de cerâmica precursor e um excipiente refratário para sólidos que cura o polímero e transforma o polímero curado em cerâmica com tratamento térmico.

3. Método de acordo c.om a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela peça compreender reforço de fibra de carbono densificada por uma matriz de carboneto de silício.

4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela peça compreender reforço de fibra de carbono densincada por uma matriz baseada em silício.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pela camada vítrea conter em porcentagens por peso: 5S°/o a 70°4 de silício, 5°/0 a 20°4 de alumina, 5°/0 a 15% de bário e 5°'6a 10°4decal.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pela camada vítrea conter também, pelo menos, um composto adicional selecionado de, pelo menos, um óxido alcalino terroso e um óxido alcalino.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindieações de 1 a 6, caracterizado pela camada vítrea apresentar um coeficiente de

2 /3 expansã.o térmica iniciado por não menos do que + 0,5x10-6K-1 do coeficiente de expansão térmica do material CMC da peça.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pela camada vítrea apresentar uma temperatura de fúsão maior ou igual 1.300°C.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado peja camada vítrea ser depositada na peça com aspersão de plasma ou aspersão a chama de oxiacetileno.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pela camada vítrea ser depositada na peça por camada, com tratamento térmico da camada depositada sendo efetuada subsequentemente.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a lO, caracterizado pela peça de material conípósito de matriz cerâmica ser uma lâmina de turbina a gás.

12. Peça fabricada de material compósito termoestrutural caracterizada por compreender um reforço de fibra fabricado de fibras refratárias e densificado por uma matriz cerârnica, a peça sendo caracterizada no sentido de que a superfície acessível da peça inclui uma camada vítrea contendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.

13. Peça de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pela camada vítrea também conter, pelo menos, um composto adicional selecionado de, pelo menos, um óxido alcalino terroso e um óxido alcalino.

14. Peça de acordo com a reivindicação 12 ou reivindicação 13, caracterizada por incluir também uma camada cerâmica compree.ndendo uma fase cerâmica com um excipiente para sólidos.

15. Peça de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 14, caracterizada por constituir uma lâmina de turbina a gás.

16. Turbomáquina caracterizada por incluir uma Iâmina, de acordo com a reivindicação 15, ou fabricada utilizando o método da reivindicação 11.

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C ,? Ê 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5—0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 (cm) Comwimento medido na amostra FlG.2 (µm) !.iibF)"")""|'"")|)iiij,j{))/li,|')Ki;Q)')llii),l;) 0,60,8 1 1,21,41,61,8 2 2,22,42,62,8 3 3,23,43,63,8 4 4,24,44.6 (cm) Comprimento medido na amostra FlG.3

3 /4

FORMAÇÃO TEXTURA FIBROSA 1

CONSOLIDAÇÃO TEXTURA FIBROSA 20 r————d DENSIFlCAçÃO pré-forma r — _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ Bqj jpREpARAçÃo DE UMA COMPOS1ÇÃ¶ !0y--uE'yE'm±ENTo j r APL|CAçÃODACOMPOSlçÃC "1 |0y'°'"±í'5:'í'"9L'LÇt _i r"" SECAGEM :S""" " "I""" " """J [ RETICULAÇÃO DO POLÍMERO" 7 :0yE"2'°ZjE'gRÂMlc± _ j I CERAMIZAÇÃO DO 7 },y-Z°g"£'2?Z'Z'2?-_j

I l L — — — — —i DEPÓSITO REVESTIMENTO VÍTREO FlG.4

4/ 4

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FlG.5

RFSUMO Pedido de patente de invenção para "MÉTODO DE

ALISAMENTO DA SUPERFÍCIE DE UMA PEÇA DE MATERIAL COMPÓSITO DE MATRIZ CERÂMICA" A presente invenção se refere a um método de alisamento da superficie de uma peça de material eompósito de matriz cerâmica que apresenta uma superfície ondulada e áspera. O método compreende o depósito (90) de uma camada vítrea rehatária na superfície da peça, a camada vítrea contendo, essencialmente, sílica, alumina, bário e cal.