CN101531536A - 混合型金属-陶瓷基复合结构材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
采用一层或更多层金属增强物强化的层状陶瓷基复合结构材料。选择金属增强物以提供最优强度和与陶瓷基复合材料的热兼容性。金属增强物包含与陶瓷基复合材料相结合的外氧化层。其也可以在金属的表面上包含帮助阻止进一步氧化的屏蔽层。结构材料使用标准的复合材料预浸渍叠层技术形成。
Description
技术领域
本文公开的内容通常涉及尤其是那些使用陶瓷基体的层状复合结构材料，更加特别地涉及一种制造混合型金属增强陶瓷基复合结构材料的方法，以及所制造的复合结构材料。
背景技术
陶瓷基复合(CMC)结构材料，由于其能够耐受高运行温度而可以被用于航天和其他应用中。例如，在飞行器应用中CMC结构材料可以用于承受高温尾气的部分。通常，层状CMC复合结构材料可能具有相对低的抗冲击能力，特别地当冲击是由骤加点载荷造成的局部作用时。低的抗冲击能力部分源于下面的事实，即这些CMC层状材料可能由约束在陶瓷基体中的纤维形成，其可能不具有吸收或缓冲由局部冲击产生的能量的最佳能力。
对于上面所提到的问题的一种解决方法包括加入额外的CMC层状材料层以加强结构，然而这种解决方法由于给飞行器组件增加了额外的重量，在某些应用中可能是不希望的。
混合型层状材料是已知的，在其复合层中引入含有金属的层，复合层包括在树脂基体中的连续纤维。例如，TiGr层状材料已经被发展为包括石墨复合材料和钛的引入层。类似地，引入铝层的具有玻璃复合层的层状材料也为人所知。然而，这些先前的材料体系中没有一种容易适合用作增强CMC结构材料。
因此，需要一种混合型金属-陶瓷基复合结构材料，其中CMC层状材料被增强以抵抗局部冲击载荷，但还要避开给结构增加显著重量的材料。还需要一种制造上面提到的混合型结构材料的方法，其可重复且很好地适合生产环境的。
发明内容
公开的实施方案提供了一种制造具有更高的抗局部冲击载荷能力和提高的韧性的混合型金属-陶瓷基复合结构材料的方法。其他有利之处还包括，而不限于，提高的抗雷击能力和更高的热导率。
根据一种公开的方法，制造混合型金属-陶瓷基复合结构材料，通过：形成一层含有金属增强物的增强层；在金属增强物的表面形成一层氧化层；形成叠层材料，包括在以陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维层之间放置增强层；以及，使叠层材料固化以使陶瓷纤维层和增强层结合。形成增强层可以包括在一张金属板上轧碾网状图案。氧化层可以通过在金属增强物表面覆盖一层金属层，并且氧化此金属层而形成。此方法可以进一步包括通过在炉中加热已固化的叠层材料并持续预选的一段时间而烧结陶瓷基体。
根据另一公开的方法实施方案，制造复合结构材料，通过：提供多层以陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维；形成至少一个增强层，该增强层包含具有与陶瓷纤维热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的连续金属增强物；通过在多层的陶瓷纤维之间放置增强物层以形成叠层材料；以及，通过在高温下使叠层材料固化以使增强层和陶瓷基体相结合。增强层可以通过将金属和陶瓷纤维一起编织以形成金属-陶瓷网而形成。也可以形成增强层，通过：提供一张具有硅硼酸盐玻璃热膨胀特性的镍-钴铁合金板；在合金板上覆盖镍层，和加热合金板至足够氧化镍层的温度。
根据另一公开的实施方案，提供了一种层状复合结构材料，包括：多层约束在陶瓷基体中的陶瓷纤维；以及，至少一个增强层，含有结合于陶瓷基体且具有与陶瓷纤维的热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的金属。增强层中的金属可以包括网、打孔金属箔、编织织物，板带箔，或者线。金属的表面包括氧化屏蔽层，其可以是金属、玻璃或者层状的不能渗透的氧化物。
根据另一公开的方法实施方案，制造一种用于航天交通工具的增强陶瓷基体复合结构材料，可以包括，用陶瓷基体预浸渍连续纤维层，选择具有与陶瓷基体的热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的金属增强物；在金属增强物的表面覆盖金属层；氧化金属层；形成至少一层含有金属增强物的增强层；通过在至少两个预浸渍层之间放置增强层以形成叠层材料；使叠层材料处于加热和压力条件下，固化和压实叠层材料；以及，在固化和压实后烧结叠层材料。
根据另一公开的实施方案，提供了一种用于航天交通工具的金属-增强陶瓷复合结构材料，包括：多层约束在陶瓷基体中的纤维；和插入在多层纤维之间的至少一层增强层，增强层包括具有与陶瓷基体的热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的连续金属增强物，连续金属增强物进一步包括与陶瓷基体结合的金属氧化物外层。
公开的实施方案满足了对增强陶瓷基复合结构材料以抗机械冲击载荷以及热循环产生的压力，同时保持轻质的需要。
当根据附图和所附权利要求来考虑时，公开的技术方案的其他特性，有利之处和优点，将会从下面对实施方案的描述中变得明显。
附图说明
图1是根据公开的实施方案制造的高温、喷气发动机组件的飞机的透视图；
图2是根据公开实施方案之一的混合型金属-陶瓷复合结构材料的一部分的透视图；
图3是沿着图2中3-3线的断面图；
图4是在如图3中所示的复合结构材料中用作增强物的轧碾金属网的平面图；
图5是展示打孔金属箔网的平面图，包括一种增强物替代形式；
图6是展示编织金属织物的平面图，包括另一种增强物替代形式；
图7是交织的金属和陶瓷纤维的平面图，包括另一种增强物替代形式；
图8是展示两个直角排列的板带箔的透视图，包括另一种增强物替代形式；
图9是以连续的，插入的金属板增强的一种CMC结构材料的断面图，包括另一种增强物替代形式；
图10是具有直角排列的金属线的CMC结构材料的断面图，包括另一种增强物替代形式；
图11是一个方法实施方案的简化流程图；
图12是表示另一个实施方案的更加详细图解的流程图；
图13是一幅扩大的，由图12所示的方法制造的线网的一部分的平面图。
具体实施方式
首先参考图1-4，一种混合型金属-陶瓷基复合(CMC)结构材料20可被用于处在高温下的部件，例如，不加限制地，飞机28的喷气发动机26上的排气喷嘴22和排气口堵24或飞机废气收集装置。在此处使用的术语“陶瓷基复合材料”指一种由被束缚在陶瓷基体中的连续纤维制造的复合材料。纤维可以是带或布的形式而且可以包括，但不限于，由碳化硅，氧化铝，铝硅酸盐，铝硼硅酸盐，碳，氮化硅，硼化硅，硼氮化硅，和类似的材料形成的纤维。陶瓷基体可以包含，但不限于，由硅铝酸盐，氧化铝，碳化硅，氮化硅，碳，和类似的材料形成的基体。
混合型金属-CMC结构材料20主要包括一个或更多的增强层30，其插入在包含约束在基体中的连续纤维的多层32之间。在举例说明的例子中，混合型金属CMC结构材料20，如从图3所见的，从顶部到底部包括2层陶瓷基复合材料层32，单层增强层30，8层陶瓷基复合材料层32，1层增强层30，和2层陶瓷基复合材料层32。基于应用的多种其他三明治结构也是可能的。混合型金属-CMC结构材料20可以包含少至1层增强层30或者多个插入在陶瓷基复合材料层32之间不同位置的此种层30。
在图2-4举例说明的实施方案中，增强层30每个都包含具有开口的金属网40，其在制造混合型金属-CMC结构材料20过程中可以被陶瓷基体渗透，导致层30，32的融合。网40含有互相连接的具有结合到周围陶瓷基体的外氧化层36的金属元件34。
增强层30包含处于任何不同连续形式的金属。例如，如图5所示，增强层30可以包括有穿孔46的金属箔片44。可选地，如图6所示增强层30可以包括编织金属织物48。如图7所示，从交织的金属纤维50和陶瓷纤维52形成增强层30是可能的。
图8表明了增强层30的另一种形式，其中金属增强物通过金属箔平行带54形成。金属箔平行带54在多个层30a，30b中可以被安排在不同的角度，例如直角，其中多于1层的增强层30被用于加强混合型结构材料20。
图9表明了使用连续的，平滑的金属箔片56在陶瓷基复合材料层32之间形成三明治结构的可能性。图10还展示了另一实施方案，其中增强层30可以由在多个层30中成直角排列的平行金属线58形成。
在增强层30中使用的金属34可以具有与陶瓷基复合材料CTE大体相配的，且尽可能接近的热膨胀系数(CTE)。其中陶瓷基复合材料在硅铝酸盐基体中包括氧化铝纤维，可以选择相对柔软且具有相对低的CTE的金属34，目的是与CMC形成令人满意的结合。例如，像KOVAR
的铁和镍基金属合金和合金42可以是与氧化铝纤维基CMC共同使用的良好候选物。KOVAR是具有与硼硅酸盐玻璃相似的热膨胀特性的镍-钴铁合金，其在30℃和200℃之间大约是5×10-6/K，至在800℃大约是10×10-6/K。KOVAR一般包括29％镍，17％钴，0.2％硅，0.3％锰，和53.5％铁(以重量计)。术语KOVAR有时被用作为具有上述热膨胀特性的FeNi合金的一般术语。
基本合金元素通常是镍，钴，或者镍-铁的其他“超合金”也可能是合适的。超合金在高温下展示出良好的机械强度和抗蠕变能力，良好的表面稳定性，以及抗腐蚀和抗氧化能力。然而使用更硬的且具有更高CTE的金属34是可能的，取决于用作陶瓷基体38的材料(如图13所示)。
增强层30的精确几何形状随着应用而变化，且在选择包含在增强层30中的合金34的特征尺寸和几何形状时要对多种参数给予考虑，包括而不限于，例如直径(gauge)或厚度；每平方英寸的开放面积；每平方英寸的分布，以及图案和角度。
现在将注意力放到图11，其以简要形式说明了一种制造混合型金属-CMC结构材料20的方法实施方案的步骤。从步骤60开始，使用任何不同的工艺制造金属增强物34，例如轧碾形成金属箔，纺织，编织，或挤出，仅举几个例子。下一步，在步骤62，可能需要准备金属增强物34的表面，将在下面更加详细讨论。例如，可能需要在金属增强物34上覆盖屏蔽层(未表示)，目的是在接下来的工艺步骤中或者在混合型金属-CMC结构材料20被置于使用期间保护底层金属合金免受过度的氧化或其他化学变化。
在步骤64，氧化物涂层36(图3)在金属增强物34的表面上，或在施加屏蔽层的地方形成。正如随后将被讨论的，在步骤64应用的氧化物涂层36是想提高金属增强物34和陶瓷基体38之间的结合。金属氧化物的精确类型取决于用在陶瓷基体38中陶瓷氧化物的类型。
接下来，在步骤66，形成包括多个CMC层32的叠层材料，在多个CMC层之间插入一个或更多增强层30。在步骤68，利用传统的技术和设备使在步骤66形成的叠层材料被压实和固化，例如热压、真空装袋(vacuumbagging)和压热器。最终，如步骤70所示，对已固化的叠层材料进行后固化工艺，其可以包括，但不限于，在炉中对已固化的叠层材料进行烧结以使陶瓷基体38融合。
现在将注意力放到图12和13，其图解地举例说明使用选择的材料制造混合型金属-CMC结构材料20方法的附加的细节。以步骤72开始，所选的金属合金箔74，例如0.005英寸厚KOVAR，切开和利用轧碾工具76拉长以形成具有例如100开孔每平方英寸的金属网40。在被切开和拉长之后，网40在横截面上可能稍微不平，如步骤78所示。随后，网40在步骤80被轧碾和压平以使在网40上的开口是平的，如步骤82所示。网40然后在步骤84用合适的金属被覆层，例如镍。如步骤86所示，镍层88围住KOVAR网40。在步骤90，对镍涂层KOVAR网40进行热处理，例如在1500℉热处理下3小时，目的是氧化镍层88的表面且由此制造覆在镍层88上的氧化镍外层92。在此应该注意，虽然针对公开的实施方式示出了镍层88，但是其他合适的屏蔽层也是可行的，包括玻璃类型的层和合成物层，不可渗透氧化物。
在步骤94，将编织或针织陶瓷纤维片95浸渍于在96处的陶瓷浆体中以形成预浸渍陶瓷纤维片98。在步骤99，叠层材料98通过堆叠预浸渍片98和一个或更多被插入的包含金属增强物34的增强层30而形成。在一个实施方案中，合适的叠层材料98可以包括两层N610 CMC预浸渍片98，随后是1片网40，8层预浸渍片98，1层网40，接着是2层预浸渍片98。
接下来，在步骤102，叠层材料100被置于压板104之间且被密封在真空袋中(未展示)。真空袋压后的叠层材料100然后被置于印压机(未展示)上或者压热器108中，如步骤106所示。使叠层材料100在合适的温度和压力下在预选的一段时间内固化。例如，上面描述的叠层材料100可以处于可以在150至450℉间变化的低温固化成型和最高至100psi的压力之下。
在步骤110，可以对部件100进行后固化工艺，例如在炉中(未展示)烧结。例如，部件100可以在炉中进行高温、无压后固化成型，温度可以在500℉至2200℉之间变化。
图13更加清楚地举例说明了具有被氧化镍92覆盖的镍层88的KOVAR网40的一部分，其中氧化镍92与周围陶瓷基体38形成了界面结合。使氧化镍92和陶瓷基体38结合的强度适合于优化混合型复合材料性能。
结合图12的工艺说明了利用镍层88作为可能需要将KOVAR40结合到陶瓷基体38的氧化镍层92之间的隔板。如前面提到的，底层镍层88阻止KOVAR网40的过度氧化，其可能在制造混合型金属-CMC结构材料20阶段发生，或因结构材料20置于工作中受到持续高温而发生。然而，取决于被选作金属增强物层30的金属合金，可能不是必须利用屏蔽层，例如镍层88，而是可能直接氧化制造增强物层30的基体金属的外表面。在不使用屏蔽层88时，也可以使用其他技术来控制底层基体金属40可能的持续氧化。
尽管在上面举例说明的实施方案中通过氧化底层屏蔽层88来制造氧化物层92，可选地，在底层屏蔽层88上覆盖并结合氧化物涂层也是可能的，其包括不同于形成屏蔽层88的基体金属的氧化物。
尽管本文公开的实施方案已对特定的有代表性的实施方案进行了阐明，可以理解的是特定的实施方案是出于举例说明而不是限制的目的，因为本领域技术人员可以想到其他变化方式。
Claims (15)
1、一种制造混合型金属-陶瓷基复合结构材料的方法，包括：
形成包含金属增强物的增强层；
在金属增强物的表面形成氧化物；
形成叠层材料，其包括在以陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维层之间放置增强层；和，
固化叠层材料使陶瓷纤维层和增强层相结合。
2、如权利要求1所述的方法，其中形成氧化物层包括：
在金属增强物表面上覆盖一层金属层，并氧化此金属层。
3、如权利要求1所述的方法，其中固化叠层材料包括加热叠层材料至足够使金属增强物表面上的氧化物层和陶瓷纤维及陶瓷基体相结合的温度。
4、如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
通过在炉中加热已固化的叠层材料并持续预选的一段时间以烧结陶瓷基体。
5、如权利要求1所述的方法，其中形成增强层包括编织金属纤维和陶瓷纤维。
6、如权利要求1所述的方法，其中：
形成增强层，包括提供KOVAR
箔，和
在金属增强物表面上形成氧化物层，包括在KOVAR箔的表面上覆盖镍层和加热镍层至足够氧化此镍层的温度。
7、一种制造复合结构材料的方法，包括：
提供多层以陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维；
形成至少一层增强层，该增强层包含具有与陶瓷纤维的热膨胀系数(CTE)大致相配的CTE的连续金属增强物；
通过在多层陶瓷纤维之间放置增强层以形成叠层材料；和，
通过在高温下固化叠层材料使增强层和陶瓷基体相结合。
8、如权利要求7所述的方法，其中形成增强层包括在金属箔片上轧碾刀具以在箔上产生网状图案。
9、如权利要求7所述的方法，进一步包括：
在金属增强物表面上覆盖金属层，并氧化此金属层。
10、如权利要求7所述的方法，其中形成增强层包括一起编织金属和陶瓷纤维以形成金属-陶瓷网。
11、如权利要求7所述的方法，其中形成增强层包括：
提供一张具有硼硅酸盐玻璃热膨胀特性的镍-钴铁合金板，
在合金板上覆盖镍层，和
加热合金板至足够氧化此镍层的温度。
12、一种层状复合结构材料，包括：
多层约束在陶瓷基体中的陶瓷纤维；和
至少一层增强层，其包含与陶瓷基体结合且具有与陶瓷纤维的热膨胀系数(CTE)大致相配的CTE的金属。
13、如权利要求12所述的层状复合结构材料，其中增强层含有编织在一起的金属和陶瓷纤维。
14、如权利要求12所述的层状复合结构材料，其中金属表面含有氧化物屏蔽层。
15、如权利要求12所述的层状复合结构材料，其中金属包含与陶瓷基体相结合的氧化物外层。
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