ES2862300T3

ES2862300T3 - Fijadores roscados cerámicos con alta tenacidad a la fractura reforzados con fibra corta

Info

Publication number: ES2862300T3
Application number: ES19177492T
Authority: ES
Inventors: Robert A Dichiara
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2036-10-17
Also published as: JP2017106620A; CA2936949A1; CN106609788A; AU2021201613A1; US20170114819A1; RU2713363C2; KR102629758B1; AU2021201613B2; EP3549924A1; JP7072347B2; CN106609788B; AU2016204479B2; US11268560B2; KR20170046568A; EP3159321B1; ES2759869T3; CA2936949C; EP3159321A1; US20180187710A1; EP3549924B1

Abstract

Un perno de fijador que comprende: una pieza en bruto que tiene una superficie de interfase de herramienta de forma hexagonal, siendo la pieza en bruto construida de un material cerámico; y una superficie roscada sobre la pieza en bruto, siendo la superficie roscada una superficie exterior roscada del fijador, siendo el material cerámico un material cerámico de óxido de aluminio reforzado con fibras cortas de cristal de carburo de silicio en el material cerámico de óxido de aluminio.

Description

DESCRIPCIÓN

Fijadores roscados cerámicos con alta tenacidad a la fractura reforzados con fibra corta

Campo

La presente divulgación se refiere a un fijador comprendido de un perno y tuerca donde el perno y la tuerca se construyen de un material cerámico de óxido de aluminio reforzado con fibras cortas de cristal de carburo de silicio.

Antecedentes

Los sistemas de protección térmica (TPS), por ejemplo, las armaduras de calor de reentrada para naves espaciales, secciones de fuselaje de vehículos hipersónicos, componentes de escape de motores de reacción, etc., se construyen de materiales que necesitan ser resistentes al calor y deben soportar entornos muy duros. Las superficies de vehículos de reentrada son particularmente difíciles. La superficie debe tener catalicidad baja debido a que la onda de choque justo enfrente de la superficie del vehículo de reentrada disocia las moléculas de aire y proporciona la posibilidad de calentamiento adicional. A medida que se rompen las moléculas de aire y colisionan con la superficie, se recombinan en una reacción exotérmica. Puesto que la superficie actúa de catalizador, es importante que la superficie tenga una baja catalicidad, esto reducirá la tendencia a aumentar la energía de esta reacción química. Estos materiales también deben ser resistentes al oxígeno caliente, particularmente resistentes al oxígeno atómico para minimizar la formación de cascarilla de las superficies de material. Los materiales deben tener alta emisividad para garantizar el máximo rechazo del calor convectivo entrante mediante transferencia de calor radiativo. Estos requisitos son difíciles de cumplir en aplicaciones de sistemas de protección térmica tales como baldosas, mantas y otras estructuras similares usadas en los sistemas de protección térmica.

En los sistemas de protección térmica que emplean baldosas, mantas y componentes de material compuesto de matriz cerámica, las baldosas, por ejemplo, se unen principalmente en su sitio. Para muchas aplicaciones de TPS, se usa aislamiento por unión adhesiva, tal como baldosas para unir el aislamiento a las líneas de molde externo de vehículos, por ejemplo, vehículos hipersónicos. Existe un interés en unir mecánicamente baldosas, mantas y otras formas de materiales compuestos de matriz cerámica para sustituciones fáciles y rápidas, o para mantenimiento, así como la limitación en la temperatura de muchos adhesivos.

Sin embargo, en aplicaciones tales como las superficies de protección de calor de vehículos de reentrada, los componentes de escape del motor y en construcciones de vehículo hipersónico, ha sido un problema el uso de fijadores de metal en la unión de componentes de matriz cerámica en estas aplicaciones. La mayoría de los metales tienen alta catalicidad, baja emisividad térmica, un alto coeficiente de expansión térmica, y se vuelven más blandos y más débiles con el aumento en la temperatura. Si se usan fijadores para unir TPS o revestimientos de escape a un vehículo, normalmente están hechos de aleaciones metálicas de alta temperatura. Si los componentes o paneles de TPS se fijan en el sitio, los fijadores son normalmente enterrados o cubiertos con un tapón aislado para proteger el fijador y asegurar una superficie que es de baja catalicidad y alta emisividad, y suave para no perturbar o alterar la capa límite que aumentaría la temperatura. Esto protege el fijador metálico del extremo calor de su entorno operacional, pero existen desventajas en no ser capaces de conseguir un fijador metálico enterrado en el TPS muy fácilmente, o en absoluto. Además, la mayoría de los metales tienen alta catalicidad, baja emisividad, un alto coeficiente de expansión térmica, y no cumplen muchos de los requisitos para los fijadores usados en entornos de alta temperatura, no menos tienen un bajo coeficiente de expansión térmica para coincidir con los materiales compuestos de matriz cerámica. A diferencia del metal, la mayoría de los cerámicos tienen baja catalicidad, algunos tienen alta emisividad y son muy duros y resistentes al desgaste.

Actualmente, la mayoría de los componentes de escape de motores de turbina y fijadores están principalmente, si no todos, fabricados de metales de superaleación. Los componentes se enfrían activamente de manera que el metal pueda sobrevivir al entorno. A medida que los materiales compuestos de matriz cerámica y otros componentes cerámicos son implementados en sistemas de escape de motores de turbina, los fijadores metálicos de superaleación ya no se pueden usar debido a que el metal no puede tomar la temperatura. Esto empeora por el material compuesto de matriz cerámica que tiene una menor conductividad térmica en comparación con el metal, por lo que, aunque se enfriaran los paneles, los fijadores todavía habrían tenido una tendencia al sobrecalentamiento. MEI M ET AL, Carbon, Elsevier, vol. 48, n° 11, 1 de septiembre de 2011, de conformidad con su resumen, expone cómo se investigaron las propiedades de tracción y el comportamiento de oxidación de pernos 2D de C/SiC preparados por infiltración química de vapor en un entorno de reentrada simulada. Los resultados mostraron que todas las resistencias a la tracción de pernos 2D de C/SiC a las temperaturas de ensayo de 1300, 1600 y 1800 °C disminuyeron, respectivamente, reteniendo 85 %, 92 % y 94 % de las propiedades virgen a temperatura ambiente. Las resistencias a la tracción y los tiempos hasta el fallo de pernos 2D de C/SiC aumentaron ligeramente con el aumento de la temperatura de ensayo desde 1300 hasta 1800 °C. Las observaciones microestructurales indicaron que los pernos de C/SiC a temperatura más baja de 1300 °C fueron más susceptibles a la oxidación controlada por la reacción con los extremos de fibra romos que aquellos a alta temperatura de 1800 °C, dando como resultado a su vez una gran degradación mecánica y fuerte oxidación. El documento de patente US 4.975.104, de conformidad con su resumen, expone un fijador de alta temperatura de expansión térmica baja para unir materiales refractarios de baja expansión térmica y, que incluye una espiga con una porción de inserción en el eje de la espiga que forma un hombro orientado hacia la cabeza, al menos un inserto de armazón que es asentable alrededor de la porción de inserción, y un miembro internamente roscado que se puede roscar sobre la superficie externa roscada de los insertos de armazón para mantener los insertos en relación colindante con la porción de inserción. Las fuerzas dentro del fijador se transfieren desde el miembro internamente roscado hasta los insertos de armazón que a su vez presionan contra el hombro orientado hacia la cabeza sobre el eje de la espiga para poner el eje en tensión. Las partes de fijador, que incluyen un espaciador, se pueden seleccionar para compensar la expansión o contracción térmica de los elementos fijados.

Sumario

Por los motivos expuestos anteriormente y otros, sería mucho mejor que un fijador usado para fijar materiales compuestos de matriz cerámica en un sistema de protección térmica se construyera de un material cerámico. Sin embargo, la mayoría de los cerámicos fuertes son monolíticos, frágiles, sensibles a la entalladura, tienen problemas de choque térmico y tienen tendencia a fallo catastrófico, que no es ideal para fabricar fijadores. Debido a que los fijadores cerámicos son frágiles, duros y sensibles a la entalladura, el mecanizado de roscas de tornillo en un fijador de material cerámico también es muy difícil, especialmente el mecanizado de roscas internas de tornillo. La creación de fijadores cerámicos roscados se hace normalmente en procesos como moldeo por inyección antes de la cocción, pero estos tipos de roscas están redondeadas y no son precisas debido al encogimiento por cocción, y la resistencia del fijador cerámico es todavía normalmente muy baja, con alta dispersión, y no son muy predecibles.

El fijador roscado de alta temperatura de esta divulgación está de acuerdo con la reivindicación 1. El fijador roscado de alta temperatura puede estar comprendido por un perno que tiene una superficie exterior roscada y una tuerca que tiene una superficie interior roscada. Tanto el perno como la tuerca están construidos de un material cerámico de óxido de aluminio reforzado con fibras cortas de cristal de carburo de silicio. El fijador roscado de alta temperatura cumple el requisito de alta resistencia durante todo un intervalo de temperatura al que se expondrá el fijador, con alta tenacidad a la fractura, mínima sensibilidad a la entalladura, baja catalicidad, alta emisividad térmica, alta rigidez, alta dureza, buena resistencia al choque térmico y no se forma cascarilla por oxígeno atómico caliente. Los cerámicos que incluyen alúmina son naturalmente de baja catalicidad, lo opuesto de la mayoría de los metales. Las fibras cortas de cristal de carburo de silicio con óxido de aluminio no solo mejoran la tenacidad a la fractura, sino que también aumentan la emisividad del fijador. Nuevamente, lo opuesto del metal que tiene muy baja emisividad. El material cerámico de óxido de aluminio reforzado con las fibras cortas de cristal de carburo de silicio también tiene un coeficiente de expansión térmica que se corresponde estrechamente con el coeficiente de expansión térmica de los componentes de matriz cerámica de óxido con los que se usa el fijador.

En la construcción del perno de fijador, se prepara una mezcla de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio. La mezcla se comprime entonces en caliente a una alta temperatura y alta presión, formando una pieza en bruto que tiene una cabeza y un vástago.

El material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de refuerzo producen una pieza en bruto de material cerámico duro con alta tenacidad a la fractura que puede ser mecanizada. Se mecaniza una superficie de interfase de herramienta, por ejemplo una cabeza hexagonal sobre la cabeza de la pieza en bruto. Se mecaniza una superficie exterior de rosca de tornillo sobre el vástago de la pieza en bruto. En el valle de las roscas, las roscas no se cortan según normas ASTM, sino que en su lugar se cortan de manera que los valles sean poco profundos, reduciendo la probabilidad del inicio de fisuras y sensibilidad a la entalladura.

En la construcción de la tuerca de fijador, de una manera similar a la del perno de fijador, se prepara una mezcla del polvo de material cerámico de óxido de aluminio reforzado con las fibras cortas de cristal de carburo de silicio. La mezcla se presiona entonces en caliente. Para formar las roscas internas de tornillo en la tuerca, se mecaniza una preforma de grafito con roscas externas de tornillo que son complementarias a las roscas internas de tornillo de la tuerca. La preforma se coloca dentro de la mezcla en polvo de manera que durante la compactación y el calentamiento de la mezcla en una pieza en bruto cerámica acabada densa, las roscas internas de la tuerca se formen alrededor de la preforma de grafito. Después de completarse la compresión en caliente de la mezcla que forma la pieza en bruto, se limpia la preforma de grafito mucho más blanda de la pieza en bruto dejando las roscas hembra internas de tornillo en la tuerca de fijador a las dimensiones exactas, puesto que las roscas se formaron bajo presión durante la sinterización, eliminando el encogimiento normalmente asociado a la cocción de cerámicos. La configuración externa de la tuerca de fijador se puede mecanizar entonces a la configuración deseada.

A diferencia de las aplicaciones de TPS, los componentes de motor de turbina están en funcionamiento durante largos periodos de tiempo y normalmente se enfrían activamente, para permitir que el material sobreviva el duro entorno. Mientras que los fijadores cerámicos pueden tomar temperaturas más altas que los metales en algunos casos, se necesita enfriar el fijador cerámico. Especialmente puesto que la conductividad térmica de la mayoría de los cerámicos y los componentes de material compuesto de matriz cerámica tienen conductividad térmica bastante mala en comparación con los metales. De una manera similar a la construcción de la tuerca, se pueden usar preformas en la construcción del perno de fijador con canales de enfriamiento internos, roscado interno y/o superficies internas de interfase de herramienta tales como una llave Alien o una superficie de interfase Torx que sería muy cara, si no imposible de mecanizar.

Las características, funciones y ventajas que se han tratado se pueden lograr independientemente en diversas realizaciones o se pueden combinar en aún otras realizaciones, más detalles de los cuales se pueden observar con referencia a la siguiente descripción y dibujos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una representación de una vista en perspectiva del perno de fijador y la tuerca de la presente divulgación.

La Figura 2 es una representación de una vista en elevación lateral del perno de fijador y la tuerca de la presente divulgación.

La Figura 3 es una representación de un método de construcción del perno de fijador de la presente divulgación. La Figura 4 es una representación de una pieza en bruto formada en la construcción del perno de fijador.

La Figura 5 es una representación de un método de construcción de la tuerca de fijador de la presente divulgación. La Figura 6 es una representación de un método de formación de canales de enfriamiento, roscas internas de tornillo, y/o superficie interna de interfase de herramientas en el perno de fijador de la presente divulgación. La Figura 7 es una representación de un diagrama de flujo de las etapas de método de formación del perno de fijador de la presente divulgación.

La Figura 8 es una representación de un diagrama de flujo de las etapas de método de formación de la tuerca de fijador de la presente divulgación.

Descripción

La Figura 1 es una representación de una vista en perspectiva del fijador 10 de la presente divulgación que comprende un perno 12 o el perno y una tuerca 14. La Figura 2 es una vista en elevación lateral del perno 12 y la tuerca 14. En la figura 2, la cara opuesta del perno 12 y la tuerca 14 es una imagen especular de la vista lateral del perno 12 y la tuerca 14 representados en la Figura 2. Como se representa en las Figuras 1 y 2, las configuraciones del perno 12 y la tuerca 14 son convencionales.

El perno 12 se muestra con una cabeza 16 y un vástago 18 con una superficie exterior roscada 22. La cabeza de perno 16 se muestra que tiene una superficie de interfase de herramienta de forma hexagonal 24.

La tuerca de fijador 14 tiene un taladro interior cilíndrico 26 con una superficie interior roscada 28 que rodea el taladro interior 26. La superficie interior roscada 28 se forma complementaria a la superficie exterior roscada 22 del perno 12, que permite que la tuerca 14 sea roscada en el perno 12. La tuerca 14 también se forma con una superficie de interfase de herramienta de forma hexagonal 32 en el exterior de la tuerca. Al igual que con el perno de fijador 12, la tuerca de fijador 14 se podría construir con cualquier otra configuración equivalente de superficie de interfase de herramienta.

Como se estableció antes, las configuraciones de perno de fijador 12 y tuerca de fijador 14 son convencionales. Lo que hace únicos al perno de fijador 12 y la tuerca de fijador 14 es que se construyen como un fijador roscado de alta temperatura. Esto se logra siendo tanto el perno 12 como la tuerca 14 construidos de un material compuesto cerámico que usa la tecnología de refuerzo de fibra corta. La matriz cerámica dura se refuerza con cristales de carburo de silicio rígidos extremadamente fuertes, comúnmente denominados fibras cortas. Tanto el perno 12 como la tuerca 14 se construyen de un material compuesto de matriz cerámica que es una mezcla de material cerámico de óxido de aluminio reforzado con fibras cortas de cristal de carburo de silicio. Un ejemplo de un material compuesto de matriz cerámica usado para construir el perno 12 y la tuerca 14 es el material cerámico de fibra corta reforzado WG-300®, que es una marca registrada de Greenleaf Corporation. En WG-300®, el porcentaje de fibras cortas de cristal de carburo de silicio en la mezcla de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio es aproximadamente 30 %. En otros ejemplos del material compuesto cerámico usado para construir el perno 12 y la tuerca 14, el porcentaje de fibras cortas de cristal de carburo de silicio en la mezcla de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio está en un intervalo de 10 %-30 % de la mezcla.

El método de construcción del perno de fijador roscado de alta temperatura 12 se representa en la Figura 3. En la construcción del perno 12, se prepara una mezcla 34 del polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio. La mezcla 34 de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y fibras cortas de cristal de carburo de silicio se pone en una prensa a alta temperatura 36 para formar una pieza en bruto que se va a usar en la construcción del perno de fijador 12. La Figura 3 muestra una representación de una prensa de alta temperatura y alta presión 36. En la Figura 3, el polvo de material cerámico de óxido de aluminio 38 y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio 42 se representan esquemáticamente y no se muestran a escala. La prensa 36 tiene piezas de troquel de molde 44, 46 que se configuran para formar una pieza en bruto para el perno 12 a partir del polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de la mezcla 34. La mezcla 34 se sitúa en la prensa 36 entre los troqueles de prensa 44, 46 y se comprime en caliente a una alta temperatura (por encima de 3.000 grados Fahrenheit (1.649 °C)) y se comprime a una alta presión, formando una pieza en bruto 48 del perno 12 que tiene una cabeza 52 y un vástago 54 como se representa en la Figura 4. Esto se representa como la tercera etapa del método en la Figura 7. La pieza en bruto 48 es densa y tiene un tamaño de grano fino. La presión externa aplicada a la mezcla 34 simultáneamente con la temperatura de la prensa 36 produce buena consolidación del material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de refuerzo.

Se dejó enfriar la pieza en bruto de perno 48 y luego se retiró de la prensa 36. Esto se representa como la cuarta etapa del método en la Figura 7. El material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de refuerzo 54 producen la pieza en bruto 48 de material cerámico duro con alta tenacidad a la fractura que puede ser mecanizada.

Una superficie de interfase de herramienta, por ejemplo la cabeza de perno de forma hexagonal 24 representada en las Figuras 1 y 2, se mecaniza entonces sobre la cabeza 52 de la pieza en bruto 48. Alternativamente, la superficie de interfase de herramienta 24 se podría moldear sobre la cabeza de la pieza en bruto 52. Una superficie exterior roscada 22, por ejemplo que se representa en las Figuras 1 y 2, se mecaniza sobre el vástago 54 de la pieza en bruto 48. Estas etapas se representan como las dos etapas finales del método en la Figura 7. La superficie exterior roscada 22 se mecaniza sobre el vástago 54 de la pieza en bruto 48 con los fondos de los valles de las roscas de tornillo siendo fabricados poco profundos para reducir adicionalmente la sensibilidad a la entalladura del fijador 10 bajo carga. Las fibras cortas 42 en la pieza en bruto 48 ayudan a evitar la formación y propagación de microfisuras a través del vástago 54 de la pieza en bruto 48 durante el mecanizado de la pieza en bruto. Las fibras cortas 42 en el perno 12 también hacen que las roscas de tornillo 22 mecanizadas sobre el perno 12 sean mucho menos sensibles a la entalladura. Las fibras cortas 42 también ayudan a evitar que se formen y propaguen las microfisuras a través del fijador 10 bajo carga en uso del fijador.

El método de construcción de la tuerca de fijador 14 es similar al del perno de fijador 12 y se representa en la Figura 5. En la construcción de la tuerca 14, se prepara la mezcla 34 del polvo de material cerámico de óxido de aluminio 38 y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio 42. Esto se representa como la primera etapa del método en la Figura 8. La mezcla 34 del polvo de material cerámico de óxido de aluminio 38 y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio 42 se pone en una prensa a alta temperatura 56 para formar una pieza en bruto que se va a usar en la construcción de la tuerca de fijador 14. Esto se representa como la segunda etapa del método en la Figura 8. La Figura 5 muestra una representación de una prensa de alta temperatura y alta presión 56. En la Figura 5, el polvo de material cerámico de óxido de aluminio 38 y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio 42 se representan esquemáticamente y no se muestran a escala. La prensa 56 y tiene piezas de troquel de molde 58, 62 que se configuran para formar una pieza en bruto para la tuerca 14 a partir del polvo de material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de la mezcla 34. La mezcla 34 se sitúa en la prensa 56 entre las piezas de troquel de prensa 58, 62 y se comprime en caliente a una temperatura superior a 3000° Fahrenheit (1.649 °C) mientras que la mezcla se comprime a una alta presión para formar una pieza en bruto de la tuerca 14. La pieza en bruto 64 de la tuerca 14 es densa y tiene un tamaño de grano fino. La presión externa aplicada a la mezcla 34 simultáneamente con la temperatura de la prensa 56 produce una buena consolidación del material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de refuerzo. El material cerámico de óxido de aluminio y las fibras cortas de cristal de carburo de silicio de refuerzo producen la pieza en bruto 64 de la tuerca 14 de material cerámico duro con alta tenacidad a la fractura.

En el desarrollo del método de formación de roscas internas de tornillo en la pieza en bruto 64 de la tuerca 14, se reconoció que sería muy difícil, si es posible, mecanizar roscas internas de tornillo en el material cerámico muy duro de la pieza en bruto 64 de la tuerca, al menos rentablemente. Para formar la superficie interior roscada 28 en la tuerca 14, se mecaniza una preforma de grafito 66 con roscas externas de tornillo 68 que son complementarias a la superficie interior roscada 28 de la tuerca 14. Como se representa en la Figura 5, la preforma 66 se coloca dentro de la mezcla 34 en la prensa 56. Esto se representa como la tercera etapa del método en la Figura 8. Durante el calentamiento y la compresión de la mezcla 34 en la prensa 56 en la pieza en bruto 64 densa cerámica acabada de la tuerca 14, la superficie interior roscada 28 de la tuerca 14 se forma alrededor de la preforma de grafito 66. Esto se representa como la cuarta etapa del método en la Figura 8. Se dejó enfriar la pieza en bruto 64 de la tuerca y entonces se retiró de la prensa 56. Esto se representa como la quinta etapa del método en la Figura 8. Después de completarse la compresión en caliente de la mezcla 34 que forma la pieza en bruto 64 de la tuerca, la preforma de grafico blanda 66 que tiene la rosca externa de tornillo 68 se limpia fácilmente de la pieza en bruto 64 de la tuerca, dejando una superficie interior roscada 28 rentable, limpia y precisa en la pieza en bruto 64 de la tuerca. Esto se representa como la sexta etapa del método en la Figura 8. Debido a que la superficie interior roscada 28 se forma durante el sinterizado a presión alrededor de la preforma 66, no ocurre encogimiento de la superficie interior roscada 28. Esto permite la producción de una superficie interior roscada 28 de alta tolerancia que se corresponde estrechamente con la superficie exterior roscada mecanizada 22 sobre el perno de fijador de contacto 12.

En un ejemplo de referencia, como una alternativa a usar la mezcla de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y fibras cortas de carburo de silicio en la construcción del perno 12 y la tuerca 14, se podría usar en su lugar nitruro de silicio (Si3N4).

Entonces se mecaniza una superficie de interfase de herramienta, por ejemplo la superficie exterior de forma hexagonal 32 de la tuerca 14, sobre la tuerca 14. Esto se representa como la séptima etapa del método en la Figura 8. Alternativamente, la superficie de interfase de herramienta 32 se podría moldear sobre la pieza en bruto 64 de la tuerca.

La Figura 6 es una representación de un método de construcción del fijador roscado del perno de alta temperatura 72 con canales de enfriamiento y/o superficies internas de interfase de herramienta. En el método de construcción representado en la Figura 6, el perno de fijador 72 se construye del mismo modo que el perno de fijador 12 descrito antes. Sin embargo, cuando la mezcla 34 del polvo de material cerámico de óxido de aluminio y fibras cortas de cristal de carburo de silicio se pone en la prensa a alta temperatura 36, se ponen una o más preformas de grafito 74, 76 en la mezcla 34.

Una de las preformas 74 representadas en la Figura 6 se pone en el centro de la mezcla 34 en la prensa 36 a lo largo de la longitud del perno 72 a formar. Esta preforma 74 podría tener una configuración exterior cilíndrica para formar un canal de enfriamiento cilíndrico a través del centro del perno de fijador 72. Alternativamente, o además de formar un canal de enfriamiento, la preforma 74 en el centro de la mezcla 34 podría tener una configuración para formar una superficie interna de herramienta en el perno de fijador 72, por ejemplo una sección transversal hexagonal para formar una superficie interna de interfase de herramienta hexagonal en el perno de fijador 72. La preforma 74 con la sección transversal hexagonal formaría una superficie interna de interfase de herramienta que tiene una configuración hexagonal que podría ser acoplada por una llave Allen.

Además de la preforma 74 situada en la mezcla 34 a lo largo de la longitud del perno 12 a formar, se podría poner una preforma adicional 76 en la mezcla 34 a través de la anchura del perno 72 a formar. Como se representa en la Figura 6, la preforma adicional 76 se sitúa en la porción de la mezcla 34 que se formará como la cabeza del perno de fijador 72. Esta preforma adicional 76 podría tener una configuración de superficie exterior cilíndrica para formar un canal de enfriamiento cilíndrico que pasa a través del centro de la cabeza del perno de fijador 72.

La prensa 36 funciona para calentar y comprimir la mezcla 34 en la prensa para formar el perno de fijador 72 del mismo modo que se ha descrito antes. Una vez se forma la pieza en bruto para el perno de fijador 72 y se saca de la prensa 36, las preformas de grafito 74, 76 se pueden retirar de la pieza en bruto del mismo modo tratado antes con respecto a la tuerca de fijador 14. Esto produce el perno de fijador 72 con canales de enfriamiento internos en el perno de fijador y/o una superficie interior de interfase de herramienta en el perno de fijador.

Los pernos de fijador y las tuercas de fijador fabricadas de Greenleaf WG-300 con alúmina reforzada con 30 % de fibra corta de SiC tienen un coeficiente de expansión térmica (CTE) de 6,0 x 10-6 y WG-150 con refuerzo de 18 % de fibra corta de SiC tienen un CTE de 7,0 x 10-6 Este fijador tiene un emparejamiento de CTE próximo al CMC de óxido usando la fibra refuerzo Nextel-720 que tiene un c Te en el plano de 6,56 x 10-6/C o el CMC de óxido con la fibra Nextel-610 tiene un CTE en el plano de 7,87 x 10-6/C.

En un ejemplo de referencia, como una alternativa a usar la mezcla de polvo de material cerámico de óxido de aluminio y fibras cortas de cristal de carburo de silicio en la construcción del perno y la tuerca fijadores, se podría usar en su lugar carburo de silicio (Si3N4). Mientras que la alúmina reforzada con fibra corta de SiC tiene una tenacidad a la fractura más alta preferida de 10 MPaVm en comparación con 6-7 MPaVm para componentes de Si3N4, el CTE es mucho más bajo 3,0-3,8 x10-6/C, que lo haría ideal para ser usado con CMC no de óxido como C/SiC y SiC/SiC que también tiene un bajo CTE en el intervalo de 3,0-5 x10-6/C. Mientras que la tenacidad a la fractura más baja de Si3N4 hace más exigente fabricar estas formas, todavía debe funcionar para varias aplicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un perno de fijador que comprende:

una pieza en bruto que tiene una superficie de interfase de herramienta de forma hexagonal, siendo la pieza en bruto construida de un material cerámico; y

una superficie roscada sobre la pieza en bruto, siendo la superficie roscada una superficie exterior roscada del fijador,

siendo el material cerámico un material cerámico de óxido de aluminio reforzado con fibras cortas de cristal de carburo de silicio en el material cerámico de óxido de aluminio.

2. El perno de fijador de la reivindicación 1, que comprende además:

la pieza en bruto que es una primera pieza en bruto (48);

una segunda pieza en bruto (64), siendo la segunda pieza en bruto construida de un material cerámico de óxido de aluminio reforzado por fibras cortas de cristal de carburo de silicio en el material cerámico de óxido de aluminio; una superficie roscada sobre la segunda pieza en bruto; y,

la superficie de rosca sobre la segunda pieza en bruto que es una superficie interior roscada del fijador.

3. El perno de fijador de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además:

un canal que se extiende en un interior de la pieza en bruto, estando el canal rodeado por una superficie interior; y,

siendo la superficie interior una superficie de interfase de herramienta.