CN106609788B - 晶须加强高断裂韧性陶瓷螺纹紧固件 - Google Patents

晶须加强高断裂韧性陶瓷螺纹紧固件 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种包含螺栓和螺母的高温紧固件，其中螺栓和螺母由碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料或氮化硅构成。

Description

晶须加强高断裂韧性陶瓷螺纹紧固件
技术领域
本公开涉及包含螺栓和螺母的紧固件，其中螺栓和螺母由碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料构成。
背景技术
热防护系统(TPS)，例如航天器的再入热屏蔽、高超音速飞行器的机身部分、喷气发动机排气组件等，由需要耐热并必须能忍受非常恶劣环境的材料构成。再入交通工具表面尤其困难。因为再入交通工具表面的正前面的冲击波分离空气分子并提供额外加热的可能，所以表面必须具有低催化性(catalycity)。当空气分子分解并与表面相撞时，它们在一个放热反应中重新结合。由于表面充当催化剂的作用，因此表面具有低催化性是重要的，这将使增加来自该化学反应中的能量的趋势减小。这些材料也必须抗热氧化、尤其抗氧原子以最小化材料表面的剥落。材料必须具有高辐射性以确保通过辐射热传递进来的对流热量的最大排斥。这些要求在热防护系统应用(例如用于热防护系统的瓷片、毛毯和其他类似结构)中难以满足。
在采用瓷片、毛毯和陶瓷基复合组件的热防护系统中，例如瓷片主要被粘结在合适位置。对于许多TPS应用，用粘合剂粘结绝缘材料(例如瓷片)被用于将绝缘材料附接到飞行器(例如高超音速飞行器)的外型线。这对于机械地附接瓷片、毛毯和其他形式的陶瓷基复合材料以便简单快速更换或维修，以及对于许多粘合剂的温度限制是有益的。
然而，在诸如再进入交通工具的热屏蔽表面、发动机排气组件以及高超音速交通工具结构的应用中，这些应用中使用金属紧固件附接陶瓷基组件已经成为一个问题。大多数金属具有高催化性、低热辐射性、高热膨胀系数并随着温度的增加而变软和变弱。如果紧固件用于将TPS或排气衬垫附接到交通工具，那么紧固件通常由高温金属合金制成。如果TPS组件或面板被紧固在合适的位置，紧固件通常被用绝缘塞掩埋或覆盖以保护紧固件并保证表面具有低催化性、高辐射性和光滑度以免妨碍或中断(trip)将会升高温度的边界层。这保护金属紧固件避免其操作环境的极热，但缺点是不能够得到被非常容易地埋在TPS内的金属紧固件，或根本不能得到所述金属紧固件。附加地，大多数金属具有高催化性、低辐射性、高热膨胀系数，并且不满足在高温环境中使用的紧固件的多个要求，不具有与陶瓷基复合材料相匹配的低热膨胀系数。与金属不同，大多数陶瓷材料具有低催化性，一些陶瓷材料具有高辐射性并且非常坚硬和耐磨。
目前，大多数涡轮发动机排气组件和紧固件主要(如果不是所有)由超合金金属制成。该组件被主动冷却使得金属可以在环境中幸存。随着陶瓷基复合材料和其他陶瓷组件被实施到涡轮发动机排气系统中，由于金属不能承受温度，所以金属超合金紧固件可以不再被使用。更糟的是陶瓷基复合材料具有相比于金属更低的导热性，因此即使面板被冷却，紧固件将依然具有过热倾向。
发明内容
由于上面展示的原因以及其他原因，如果在热防护系统中用于固定陶瓷基复合材料的紧固件由陶瓷材料构成将会好很多。然而，大多数强陶瓷是整块的、易碎的、缺口敏感的、有热冲击问题并且容易严重故障，用于制作紧固件是不理想的。因为陶瓷紧固件易碎、坚硬并且缺口敏感，所以在陶瓷材料的紧固件上加工螺纹也非常困难，尤其是加工内螺纹。制作螺纹陶瓷紧固件通常在类似喷射模塑的过程中进行之后烧制，但是这些类型的螺纹是圆形的并且由于烧制收缩而不精确，并且该陶瓷紧固件的强度依然通常非常低，具有高散射并且不是完全可预知的。
本公开中的高温螺纹紧固件包括具有外螺纹表面的螺栓和具有内螺纹表面的螺母。螺栓和螺母两者都由碳化硅晶须加强的氧化铝陶瓷材料构成。高温螺纹紧固件满足在其遭受的整个温度范围内的高强度要求，其具有高断裂韧性、最小的凹口敏感、低催化性、高热辐射、高刚度、高硬度、良好的抗热冲击以及不被热氧原子剥落。相对于大多数金属，包括氧化铝的陶瓷具有天然的低催化性。再次相对于具有非常低辐射性的金属，具有氧化铝的碳化硅晶须不经可以改善断裂韧性，而且也可以增加紧固件的辐射性。碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料也具有与紧固件使用的氧化陶瓷基组件的热膨胀系数非常匹配的热膨胀系数。
在构建紧固件螺栓中，准备氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物。然后在高温高压下热压该混合物，形成具有头部和杆的坯件。
氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须产生具有可加工的高断裂韧性的硬陶瓷材料坯件。工具接口表面(例如六角头)被加工在坯件的头部。螺纹外表面被加工在坯件的杆上。在螺纹的谷中，螺纹没有被切割到ASTM标准，而代替地被削减以使得谷是浅的，以降低裂纹萌生和缺口敏感的可能性。
在构建紧固件螺母中，用与紧固件螺栓的方法类似的方法，准备碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料粉末的混合物。然后热压该混合物。为了在螺母内形成内螺纹，石墨预制件被加工为具有与螺母的内螺纹互补的外螺纹。预制件被放置在粉末混合物内使得在压实和加热混合物成为密实的成品陶瓷坯件过程中，螺母的内螺纹沿着石墨预制件形成。因为在烧结期间螺纹在压力下形成，消除了一般与烧制陶瓷相关的收缩，所以在热压混合物形成坯件完成之后，更柔软的石墨预制件被清理出坯件，在紧固件螺母中留下精确尺寸的内部凹螺纹。然后紧固件螺母的外部配置可以被加工为所需配置。
与TPS应用不同，涡轮发动机组件长时间周期运行并通常被主动冷却，以允许材料在严酷的环境中幸存。当在某些情况下陶瓷紧固件可以承受比金属更高的温度时，陶瓷紧固件需要被冷却。尤其是由于大多数陶瓷和陶瓷基复合材料组件的热导率相比于金属具有相当差的热导率。用与构建螺母的类似方式，预制可用于构建具有内部冷却槽、内螺纹和/或内工具接口表面(例如如果有可能加工将非常昂贵的通用扳手或Torx接口表面)的紧固件螺栓。
讨论的特性、功能和优势可以在不同的实施例中独立的实现，也可以结合其他实施例实现，进一步详细描述可以通过参考以下描述和附图看到。
附图说明
图1是本公开的紧固件螺栓和螺母的透视图的示图。
图2是本公开的紧固件螺栓和螺母的侧正视图的示图。
图3是构建本公开紧固件螺栓的方法的示图。
图4是在构建紧固件螺栓中形成的坯件的示图。
图5是构建本公开的紧固件螺母的方法的示图。
图6是形成本公开的紧固件螺栓中的冷却槽、内螺纹和/或内工具接口表面的方法的示图。
图7是形成本公开紧固件螺栓的方法步骤的流程图的示图。
图8是形成本公开紧固件螺母的方法步骤的流程图的示图。
具体实施方式
图1是本公开的包括螺栓12或螺栓和螺母14的紧固件10的透视图的图示。图2是螺栓12和螺母14的侧正视图。在图2中，螺栓12和螺母14的相对侧是在图2中表示的螺栓12和螺母14的侧视图的镜像。如图1和图2所表示的，螺栓12和螺母14的配置是常规的。
螺栓12被示出具有头部16和带有螺纹外表面22的杆18。螺栓头部16被显示具有六角形工具接口表面24。螺栓头部工具接口表面24的六角形配置只是螺栓头部16可具有的工具接口表面配置的一个示例。螺栓头部16可以由任何其他等同的工具接口表面配置构成。
紧固件螺母14具有圆形的内孔26，其中螺纹内表面28环绕着内孔26。螺纹内表面28被形成与螺栓12的螺纹外表面22互补，使螺母14能够通过螺纹拧到螺栓12上。螺母14也被形成为在螺母的外部具有六角形工具接口表面32。至于紧固件螺栓12，紧固件螺母14可以由任何其他等同工具接口表面配置构成。
如前所述，紧固件螺栓12和紧固件螺母14的配置是常规的。使紧固件螺栓12和紧固件螺母14独特的是它们被构成为高温螺纹紧固件。这通过螺栓12和螺母14由使用晶须加强技术的陶瓷复合材料构成来实现。硬陶瓷基被用非常强的，坚硬的，碳化硅晶体(通常称为晶须)增强。螺栓12和螺母14两者都由陶瓷基复合材料构成，陶瓷基复合材料是用碳化硅晶须增强的氧化铝陶瓷材料的混合物。用于构建螺栓12和螺母14的陶瓷基复合材料的一个示例是晶须加强陶瓷材料
Figure BSA0000134997210000041
(Greenleaf公司的注册商标)。在
Figure BSA0000134997210000042
中，碳化硅晶须在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中所占的百分比大约是30％。在用于构建螺栓12和螺母14的陶瓷复合材料的其他示例中，碳化硅晶须在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中所占的百分比的范围为混合物的10％到30％。
构建高温螺纹紧固件螺栓12的方法在图3中表示。在螺栓12的构建中，准备氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物34。该过程被表示为图7中的方法的第一步。氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物34被放入高温压力机36中以形成用于构建紧固件螺栓12的坯件。该过程被表示为图7中的方法的第二步。图3示出高温高压压力机36的图示。在图3中氧化铝陶瓷材料粉末38和碳化硅晶须42被示意地表示并且没有按比例显示。压力机36具有模具件44、46，其被配置为从氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物34中形成用于螺栓12的坯件。混合物34被放置在模具44、46之间的压力机36内并且被以高温(超过3000华氏度)热压并以高压压缩，以形成如图4所表示的具有头部52和杆54的螺栓12的坯件48。该过程被表示为图7中的方法的第三步。坯件48是密实的并具有细晶粒尺寸。连同压力机36的温度同时施加到混合物34上的外部压力产生氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须的良好的固结。
螺栓坯件48被允许冷却并且然后被从压力机36中移除。该过程被表示为图7中的方法的第四步。氧化铝陶瓷材料和加强碳化硅晶须54产生具有可加工的高断裂韧性的硬陶瓷材料的坯件48。
然后工具接口表面(例如图1和图2中表示的六角螺栓头部24)被加工在坯件48的头部52上。可替代地，工具接口表面24可以被模塑在坯件头部52上。螺纹外表面22(例如图1和图2中表示的)被加工在坯件48的杆54上。这些步骤被表示为图7中的方法的最后两个步骤。螺纹外表面22被加工在坯件48的杆54上，其中螺纹的谷的底部被设置浅以进一步降低紧固件10在负载下的缺口敏感。在加工坯件期间，坯件48内的晶须42有助于避免微裂纹形成并扩展穿过坯件48的杆54。螺栓12中的晶须42也使加工在螺栓12上的螺纹22具有更低的缺口敏感。在紧固件的使用中，晶须42也有助于避免微裂纹在负载下形成并扩展穿过紧固件10。
构建紧固件螺母14的方法类似于紧固件螺栓12的方法并由图5表示。在螺母14的构建中，准备氧化铝陶瓷材料粉末38和碳化硅晶须42的混合物34。该过程被表示为图8中的方法的第一步。氧化铝陶瓷材料粉末38和碳化硅晶须42的混合物34被放入高温压力机56中以形成用于构建紧固件螺母14的坯件。该过程被表示为图8中的方法的第二步。图5显示了高温高压压力机56的图示。在图5中，氧化铝陶瓷材料粉末38和碳化硅晶须42被示意地表示并且没有显示比例。压力机56具有模具件58、62，其被配置为从氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物34中形成用于螺母14的坯件。混合物34被放置在模具件58、62之间的压力机56内并且在超过3000华氏度的温度下被热压，同时混合物在高压下被压缩以形成螺母14的坯件。螺母14的坯件64是密实的并具有细晶粒尺寸。与压力机56的温度同时施加到混合物34上的外部压力产生氧化铝陶瓷材料和加强碳化硅晶须的良好的固结。氧化铝陶瓷材料和加强碳化硅晶须产生具有高断裂韧性的硬陶瓷材料的螺母14的坯件64。
在研发在螺母14的坯件64内形成内螺纹的方法过程中，认识到如果可能在螺母坯件64的非常硬的陶瓷材料中加工内螺纹，则至少有成本效益是非常困难的。为了在螺母14内形成螺纹内表面28，石墨预制件66被加工为具有与螺母14的螺纹内表面28互补的外螺纹68。如图5所表示的，预制件66被放置在压力机56中的混合物34内部。该过程被表示为图8中的方法的第三步。在将压力机56内的混合物34加热且加压成螺母14的密实的成品陶瓷坯件64期间，螺母14的螺纹内表面28绕着石墨预制件66形成。该过程被表示为图8中的方法的第四步。螺母坯件64被允许冷却并且然后从压力机56中移除。该过程被表示为图8中的方法的第五步。在将混合物34热压形成螺母坯件64完成之后，具有外螺纹68的柔性石墨预制件66很容易从螺母坯件64中被清除，在螺母坯件64内留下有成本效益的、清洁的、精确的螺纹内表面28。该过程被表示为图8中的方法的第六步。因为螺纹内表面28在加压烧结期间绕着预制件66形成，所以没有螺纹内表面28的收缩发生。这使能够产生与在配合的紧固件螺栓12上加工形成的螺纹外表面22紧密匹配的高公差螺纹内表面28。
作为在构建螺栓12和螺母14过程中使用氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物的替代，氮化硅(Si3N4)可以用于螺栓12和螺母14中。
然后工具接口表面(例如螺母14的六角形外表面32)被加工在螺母14上。该过程被表示为图8中的方法的第七步。可替代地，工具接口表面32可以被模塑在螺母坯件64上。
图6是构建具有冷却槽和/或内部工具接口表面的高温螺纹紧固件螺栓72的方法的图示。在图6所表示的构建方法中，紧固件螺栓72被用与之前描述的螺栓紧固件12相同的方法构成。然而，当氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物34被放入高温压力机36中时，一个或多个石墨预制件74、76被放置在混合物34内。
图6中表示的预制件74中的一个预制件沿将要形成的螺栓72的长度方向被放置在压力机36内的混合物34的中心。该预制件74可以具有圆柱形的外部配置以形成通过紧固件螺栓72的中心的圆柱形冷却槽。可替代地，或除了形成冷却槽之外，在混合物34中心的预制件74可以具有在紧固件螺栓72内形成内部工具表面的配置，例如具有在紧固件螺栓72内形成六角形内部工具接口表面的六角形横截面。具有六角形横截面的预制件74可以形成具有六角形配置的内部工具接口表面，该工具接口表面可以由通用扳手接合。
除了预制件74沿将要形成的螺栓12长度方向被放置在混合物34内之外，进一步的预制件76可以横跨将要形成的螺栓12宽度方向被放置在混合物34内。如图6所表示的，附加预制件76被放置在混合物34中将要形成紧固件螺栓72的头部的部分内。该附加的预制件76可以具有圆柱形外表面配置以形成穿过紧固件螺栓72的头部的中心的圆柱形冷却槽。
用与之前描述的同样方法，操作压力机36以加热和加压压力机内的混合物34以形成紧固件螺栓72。一旦用于紧固件螺栓72的坯件形成并从压力机36中移出，石墨预制件74、76可以用之前描述的关于紧固件螺母14的同样方法被从坯件中移除。该过程产生了在紧固件螺栓内具有内部冷却槽和/或在紧固件螺栓内具有内部工具接口表面的紧固件螺栓72。
由具有30％SiC晶须强化氧化铝的Greenleaf WG-300制成的紧固件螺栓和紧固件螺母具有6.0×10-6的热膨胀系数(CTE)，而由具有18％SiC晶须强化物的WG-150制成的紧固件螺栓和紧固件螺母具有7.0×10-6的CTE。这些紧固件具有与使用Nextel-720纤维强化物并具有6.56×10-6/C的平面内CTE的氧化物CMC或与使用Nextel-610纤维并具有7.87×10-6/C的平面内CTE的氧化物CMC相匹配的接近的CET。
作为在构建螺栓和螺母紧固件中使用氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的替代，氮化硅(Si3N4)可以用在螺栓和螺母紧固件中。尽管与Si3N4组件的6-7MPa√m的断裂韧性相比，SiC晶须强化氧化铝具有优选较高的断裂韧性10MPa√m，但是SiC晶须强化氧化铝的CTE非常低3.0-3.8×10-6/C，这使得其理想地可与像C/SiC和SiC/SiC这些同样具有范围为3.0-5×10-6/C的低CTE的非氧化CMC一起使用。尽管Si3N4的较低的断裂韧性使得它有更大的挑战以制造这些形状，但它仍应该可用于数个应用。
进一步，本公开包含根据以下条款的实施例：
条款1.一种紧固件，其包含：
螺栓(12)，所述螺栓具有长度；
头部(16)，其位于所述螺栓的所述长度的第一端；
螺纹外表面，其位于所述螺栓的所述长度的第二端；以及
所述螺栓由陶瓷材料构成。
条款2.根据条款1所述的紧固件，进一步包含：
所述陶瓷材料为被氧化铝陶瓷材料中的碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料。
条款3.根据条款1所述的紧固件，进一步包含：
所述陶瓷材料为氮化硅。
条款4.根据条款2所述的紧固件，进一步包含：
螺母(14)，所述螺母具有延伸穿过所述螺母的螺纹内表面，所述螺母的所述螺纹内表面与所述螺栓(12)的所述螺纹外表面互补；以及
所述螺母由被氧化铝陶瓷材料中的碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料构成。
条款5.根据条款2所述的紧固件，进一步包含：
所述螺栓(12)具有沿所述螺栓的所述长度的中心轴线；
所述螺栓的所述头部(16)和所述螺栓的所述螺纹外表面位于所述中心轴线的轴向相对两端；以及
轴向延伸到所述螺栓内部的槽，所述槽为冷却槽。
条款6.根据条款2所述的紧固件，进一步包含：
所述螺栓(12)具有沿所述螺栓的所述长度的中心轴线；
所述螺栓的所述头部(16)和所述螺栓的所述螺纹外表面位于所述中心轴线的轴向相对两端；以及
垂直于所述中心轴线方向延伸到所述螺栓内部的槽，所述槽为冷却槽。
条款7.根据条款2所述的紧固件，进一步包含：
所述螺栓(12)具有沿所述螺栓的所述长度的中心轴线；
所述螺栓的所述头部(16)和所述螺栓的所述螺纹外表面位于所述中心轴线的轴向相对两端；以及
从所述螺栓的所述头部轴向延伸到所述螺栓内部的槽，所述槽具有被形成为工具接口表面的内表面。
条款8.根据条款2所述的紧固件，进一步包含：
所述碳化硅晶须在所述氧化铝陶瓷材料中的百分比的范围为18％到30％。
由于在此描述和说明的装置的结构及其操作方法可以进行不同的修改并且不脱离本发明的范围，所以前面描述所包含的或在附图中显示的所有内容应该被解释为说明性，而不是限制。因此，本公开的宽度和范围不应该被上述示例性实施例所限制，但是应该仅根据所附权利要求以及其等同物来限定。

Claims (13)

1.一种制作紧固件的方法，包含：
从氧化铝陶瓷材料粉末和分散在所述氧化铝陶瓷材料粉末内的碳化硅晶须中制作陶瓷材料粉末的混合物；
将插入物放置在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的所述混合物内部；
同时加热和加压所述混合物以制作固体坯件；
从所述固体坯件内移除所述插入物的至少部分，以在所述固体坯件内形成槽；以及
通过加工所述固体坯件以在所述固体坯件上形成螺纹表面从而在所述固体坯件上形成螺纹外表面。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
从所述坯件内移除所述插入物的至少部分，以在坯件内制作工具接口内表面。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
从所述坯件内移除所述插入物的至少部分，以在所述坯件内制作冷却槽。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
从所述坯件内移除所述插入物的至少部分，以在所述坯件内制作螺纹内表面。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
制作氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物，其中所述碳化硅晶须在所述混合物中的百分比的范围为所述混合物的18％到30％。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
所述紧固件具有低催化性和高辐射性。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
制作具有头部和轴的硬陶瓷材料固体坯件。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在所述硬陶瓷材料固体坯件的所述头部上加工工具接口表面。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在所述硬陶瓷材料固体坯件的所述轴上加工螺纹外表面。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
加工具有浅的谷部的所述螺纹外表面以减小裂纹萌生的可能性并减小缺口敏感性。
11.一种制造紧固件的方法，进一步包括：
制作氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的第一混合物；
在高温和高压下热压氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的所述第一混合物，以制作硬陶瓷材料的固体第一坯件；
在硬陶瓷材料的所述固体第一坯件上加工螺纹外表面；
制作氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的第二混合物；
将具有外螺纹的预制件插入氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的所述第二混合物；
在高温和高压下热压氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的所述第二混合物，以制作硬陶瓷材料的固体第二坯件；以及
通过从硬陶瓷材料的所述固体第二坯件中去除所述预制件以在硬陶瓷材料的所述固体第二坯件中留下内螺纹以在硬陶瓷材料的所述固体第二坯件中形成内螺纹表面。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在硬陶瓷材料的所述固体第二坯件上加工工具接口表面。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在硬陶瓷材料的所述固体第一坯件上加工所述螺纹外表面，所述螺纹外表面具有浅的谷部，以减小裂纹萌生的可能性并减小缺口敏感性。
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