專利名稱：混合型金屬-陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的內(nèi)容通常涉及尤其是那些使用陶覺基體的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材 料，更加特別地涉及一種制造混合型金屬增強陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法， 以及所制造的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。
背景技術(shù)：
陶瓷基復(fù)合(CMC)結(jié)構(gòu)材料，由于其能夠耐受高運行溫度而可以被用于 航天和其他應(yīng)用中。例如，在飛行器應(yīng)用中CMC結(jié)構(gòu)材料可以用于承受高 溫尾氣的部分。通常，層狀CMC復(fù)合結(jié)構(gòu)材料可能具有相對低的抗沖擊能 力，特別地當(dāng)沖擊是由驟加點載荷造成的局部作用時。低的抗沖擊能力部分 源于下面的事實，即這些CMC層狀材料可能由約束在陶瓷基體中的纖維形 成，其可能不具有吸收或緩沖由局部沖擊產(chǎn)生的能量的最佳能力。
對于上面所提到的問題的一種解決方法包括加入額外的CMC層狀材料 層以加強結(jié)構(gòu)，然而這種解決方法由于給飛行器組件增加了額外的重量，在 某些應(yīng)用中可能是不希望的。
混合型層狀材料是已知的，在其復(fù)合層中引入含有金屬的層，復(fù)合層包 括在樹脂基體中的連續(xù)纖維。例如，TiGr層狀材料已經(jīng)被發(fā)展為包括石墨復(fù) 合材料和鈦的引入層。類似地，引入鋁層的具有玻璃復(fù)合層的層狀材料也為 人所知。然而，這些先前的材料體系中沒有一種容易適合用作增強CMC結(jié) 構(gòu)材料。
因此，需要一種混合型金屬-陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中CMC層狀材料 被增強以抵抗局部沖擊載荷，但還要避開給結(jié)構(gòu)增加顯著重量的材料。還需 要一種制造上面提到的混合型結(jié)構(gòu)材料的方法，其可重復(fù)且很好地適合生產(chǎn) 環(huán)境的。
發(fā)明內(nèi)容
公開的實施方案提供了一種制造具有更高的抗局部沖擊載荷能力和提高的韌性的混合型金屬-陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法。其他有利之處還包括， 而不限于，提高的抗雷擊能力和更高的熱導(dǎo)率。
根據(jù)一種公開的方法，制造混合型金屬-陶資基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，通過
形成一層含有金屬增強物的增強層；在金屬增強物的表面形成一層氧化層； 形成疊層材料，包括在以陶瓷基體預(yù)浸漬的連續(xù)陶瓷纖維層之間放置增強 層；以及，使疊層材料固化以使陶瓷纖維層和增強層結(jié)合。形成增強層可以 包括在一 張金屬板上軋碾網(wǎng)狀圖案。氧化層可以通過在金屬增強物表面覆蓋 一層金屬層，并且氧化此金屬層而形成。此方法可以進一步包括通過在爐中 加熱已固化的疊層材料并持續(xù)預(yù)選的一段時間而燒結(jié)陶f;基體。
根據(jù)另一公開的方法實施方案，制造復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，通過提供多層以 陶瓷基體預(yù)浸漬的連續(xù)陶瓷纖維；形成至少一個增強層，該增強層包含具有 與陶資纖維熱膨脹系數(shù)(CTE)大體相配的CTE的連續(xù)金屬增強物；通過在多 層的陶瓷纖維之間放置增強物層以形成疊層材料；以及，通過在高溫下使疊 層材料固化以使增強層和陶資基體相結(jié)合。增強層可以通過將金屬和陶乾纖
維一起編織以形成金屬-陶瓷網(wǎng)而形成。也可以形成增強層，通過提供一 張具有硅硼酸鹽玻璃熱膨脹特性的鎳-鈷鐵合金板；在合金板上覆蓋鎳層，
和加熱合金板至足夠氧化鎳層的溫度。
根據(jù)另一公開的實施方案，提供了一種層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括多層 約束在陶覺基體中的陶資纖維；以及，至少一個增強層，含有結(jié)合于陶瓷基 體且具有與陶資纖維的熱膨脹系數(shù)(CTE)大體相配的CTE的金屬。增強層中 的金屬可以包括網(wǎng)、打孔金屬箔、編織織物，板帶箔，或者線。金屬的表面 包括氧化屏蔽層，其可以是金屬、玻璃或者層狀的不能滲透的氧化物。
根據(jù)另 一公開的方法實施方案，制造一種用于航天交通工具的增強陶瓷 基體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，可以包括，用陶瓷基體預(yù)浸漬連續(xù)纖維層，選擇具有與 陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)(CTE)大體相配的CTE的金屬增強物；在金屬增強物 的表面覆蓋金屬層；氧化金屬層；形成至少一層含有金屬增強物的增強層； 通過在至少兩個預(yù)浸漬層之間放置增強層以形成疊層材料；使疊層材料處于 加熱和壓力條件下，固化和壓實疊層材料；以及，在固化和壓實后燒結(jié)疊層 材料。
根據(jù)另一公開的實施方案，提供了一種用于航天交通工具的金屬-增強 陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括多層約束在陶瓷基體中的纖維；和插入在多層纖維之間的至少 一層增強層，增強層包括具有與陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)(CTE) 大體相配的CTE的連續(xù)金屬增強物，連續(xù)金屬增強物進一步包括與陶資基 體結(jié)合的金屬氧化物外層。
公開的實施方案滿足了對增強陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料以抗機械沖擊載荷 以及熱循環(huán)產(chǎn)生的壓力，同時保持輕質(zhì)的需要。
當(dāng)根據(jù)附圖和所附權(quán)利要求來考慮時，公開的技術(shù)方案的其他特性，有 利之處和優(yōu)點，將會從下面對實施方案的描述中變得明顯。
圖1是根據(jù)公開的實施方案制造的高溫、噴氣發(fā)動機組件的飛機的透視
圖2是根據(jù)公開實施方案之一的混合型金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的一部 分的透視圖3是沿著圖2中3-3線的斷面圖4是在如圖3中所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中用作增強物的軋碾金屬網(wǎng)的平 面圖5是展示打孔金屬箔網(wǎng)的平面圖，包括一種增強物替代形式； 圖6是展示編織金屬織物的平面圖，包括另一種增強物替代形式； 圖7是交織的金屬和陶瓷纖維的平面圖，包括另一種增強物替代形式； 圖8是展示兩個直角排列的板帶箔的透視圖，包括另一種增強物替代形
式；
圖9是以連續(xù)的，插入的金屬板增強的一種CMC結(jié)構(gòu)材料的斷面圖，
包括另一種增強物替代形式；
圖IO是具有直角排列的金屬線的CMC結(jié)構(gòu)材料的斷面圖，包括另一種
增強物替代形式；
圖11是一個方法實施方案的簡化流程圖12是表示另一個實施方案的更加詳細圖解的流程圖13是一幅擴大的，由圖12所示的方法制造的線網(wǎng)的一部分的平面圖。
具體實施例方式
首先參考圖1-4, 一種混合型金屬-陶瓷基復(fù)合(CMC)結(jié)構(gòu)材料20可被用于處在高溫下的部件，例如，不加限制地，飛機28的噴氣發(fā)動機26上的 排氣噴嘴22和排氣口堵24或飛機廢氣收集裝置。在此處使用的術(shù)語"陶瓷 基復(fù)合材料"指一種由被束縛在陶瓷基體中的連續(xù)纖維制造的復(fù)合材料。纖 維可以是帶或布的形式而且可以包括，但不限于，由^ 友化硅，氧化鋁，鋁硅 酸鹽，鋁硼硅酸鹽，碳，氮化硅，硼化硅，硼氮化硅，和類似的材料形成的 纖維。陶瓷基體可以包含，但不限于，由硅鋁酸鹽，氧化鋁，碳化硅，氮化 硅，碳，和類似的材料形成的基體。
混合型金屬-CMC結(jié)構(gòu)材料20主要包括一個或更多的增強層30，其插 入在包含約束在基體中的連續(xù)纖維的多層32之間。在舉例說明的例子中， 混合型金屬CMC結(jié)構(gòu)材料20,如從圖3所見的，從頂部到底部包括2層陶 瓷基復(fù)合材料層32，單層增強層30， 8層陶瓷基復(fù)合材料層32， l層增強層 30,和2層陶資基復(fù)合材料層32?；趹?yīng)用的多種其他三明治結(jié)構(gòu)也是可能 的?；旌闲徒饘?CMC結(jié)構(gòu)材料20可以包含少至1層增強層30或者多個插 入在陶瓷基復(fù)合材料層32之間不同位置的此種層30。
在圖2-4舉例說明的實施方案中，增強層30每個都包含具有開口的金 屬網(wǎng)40,其在制造混合型金屬-CMC結(jié)構(gòu)材料20過程中可以被陶瓷基體滲 透，導(dǎo)致層30, 32的融合。網(wǎng)40含有互相連接的具有結(jié)合到周圍陶瓷基體 的外氧化層36的金屬元件34。
增強層30包含處于任何不同連續(xù)形式的金屬。例如，如圖5所示，增 強層30可以包括有穿孔46的金屬箔片44。可選地，如圖6所示增強層30 可以包括編織金屬織物48。如圖7所示，從交織的金屬纖維50和陶瓷纖維 52形成增強層30是可能的。
圖8表明了增強層30的另一種形式，其中金屬增強物通過金屬箔平行 帶54形成。金屬箔平行帶54在多個層30a， 30b中可以被安排在不同的角 度，例如直角，其中多于l層的增強層30被用于加強混合型結(jié)構(gòu)材料20。
圖9表明了使用連續(xù)的，平滑的金屬箔片56在陶瓷基復(fù)合材料層32之 間形成三明治結(jié)構(gòu)的可能性。圖IO還展示了另一實施方案，其中增強層30 可以由在多個層30中成直角排列的平行金屬線58形成。
在增強層30中使用的金屬34可以具有與陶瓷基復(fù)合材料CTE大體相 配的，且盡可能接近的熱膨脹系數(shù)(CTE)。其中陶瓷基復(fù)合材料在硅鋁酸鹽 基體中包括氧化鋁纖維，可以選擇相對柔軟且具有相對低的CTE的金屬34，目的是與CMC形成令人滿意的結(jié)合。例如，像KOVAR⑧的鐵和鎳基金屬合 金和合金42可以是與氧化鋁纖維基CMC共同使用的良好候選物。KOVAR 是具有與硼硅酸鹽玻璃相似的熱膨脹特性的鎳-鈷鐵合金，其在3(TC和200 。C之間大約是5xlO—6/K,至在800。C大約是10xlO K。 KOVAR⑧一般包括 29%鎳，17%鈷，0.2%硅，0.3%錳，和53.5%鐵(以重量計)。術(shù)語KOVAR 有時被用作為具有上述熱膨脹特性的FeNi合金的一般術(shù)語。
基本合金元素通常是鎳，鈷，或者鎳-鐵的其他"超合金"也可能是合適的。 超合金在高溫下展示出良好的機械強度和抗蠕變能力，良好的表面穩(wěn)定性， 以及抗腐蝕和抗氧化能力。然而使用更硬的且具有更高CTE的金屬34是可 能的，取決于用作陶瓷基體38的材料(如圖13所示)。
增強層30的精確幾何形狀隨著應(yīng)用而變化，且在選擇包含在增強層30 中的合金34的特征尺寸和幾何形狀時要對多種參數(shù)給予考慮，包括而不限 于，例如直徑(gauge)或厚度；每平方英寸的開》文面積；每平方英寸的分 布，以及圖案和角度。
現(xiàn)在將注意力放到圖11，其以簡要形式說明了一種制造混合型金屬 -CMC結(jié)構(gòu)材料20的方法實施方案的步驟。從步驟60開始，使用任何不同 的工藝制造金屬增強物34,例如軋碾形成金屬箔，紡織，編織，或擠出，僅 舉幾個例子。下一步，在步驟62，可能需要準(zhǔn)備金屬增強物34的表面，將 在下面更加詳細討論。例如，可能需要在金屬增強物34上覆蓋屏蔽層(未表 示)，目的是在接下來的工藝步驟中或者在混合型金屬-CMC結(jié)構(gòu)材料20被 置于使用期間保護底層金屬合金免受過度的氧化或其他化學(xué)變化。
在步驟64，氧化物涂層36(圖3)在金屬增強物34的表面上，或在施加 屏蔽層的地方形成。正如隨后將被討論的，在步驟64應(yīng)用的氧化物涂層36 是想提高金屬增強物34和陶瓷基體38之間的結(jié)合。金屬氧化物的精確類型 取決于用在陶瓷基體38中陶瓷氧化物的類型。
接下來，在步驟66,形成包括多個CMC層32的疊層材料，在多個CMC 層之間插入一個或更多增強層30。在步驟68，利用傳統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備使在 步驟66形成的疊層材料被壓實和固化，例如熱壓、真空裝袋(vacuum bagging)和壓熱器。最終，如步驟70所示，對已固化的疊層材料進行后固 化工藝，其可以包括，但不限于，在爐中對已周化的疊層材料進行燒結(jié)以使 陶瓷基體38融合。8現(xiàn)在將注意力放到圖12和13，其圖解地舉例說明使用選擇的材料制造
混合型金屬-CMC結(jié)構(gòu)材料20方法的附加的細節(jié)。以步驟72開始，所選的 金屬合金箔74,例如0.005英寸厚KOVAR⑧，切開和利用軋碾工具76拉長 以形成具有例如100開孔每平方英寸的金屬網(wǎng)40。在被切開和拉長之后，網(wǎng) 40在橫截面上可能稍微不平，如步驟78所示。隨后，網(wǎng)40在步驟80被軋 碾和壓平以使在網(wǎng)40上的開口是平的，如步驟82所示。網(wǎng)40然后在步驟 84用合適的金屬被覆層，例如鎳。如步驟86所示，鎳層88圍住KOVAR⑧ 網(wǎng)40。在步驟90,對鎳涂層KOVAR⑧網(wǎng)40進行熱處理，例如在1500。F熱 處理下3小時，目的是氧化鎳層88的表面且由此制造覆在鎳層88上的氧化 鎳外層92。在此應(yīng)該注意，雖然針對公開的實施方式示出了鎳層88，但是 其他合適的屏蔽層也是可行的，包括玻璃類型的層和合成物層，不可滲透氧 化物。
在步驟94,將編織或針織陶資纖維片95浸漬于在96處的陶瓷漿體中以 形成預(yù)浸漬陶瓷纖維片98。在步驟99，疊層材料98通過堆疊預(yù)浸漬片98 和一個或更多被插入的包含金屬增強物34的增強層30而形成。在一個實施 方案中，合適的疊層材料98可以包括兩層N610CMC預(yù)浸漬片98,隨后是 l片網(wǎng)40， 8層預(yù)浸漬片98, l層網(wǎng)40，接著是2層預(yù)浸漬片98。
接下來，在步驟102,疊層材料IOO被置于壓板104之間且被密封在真 空袋中(未展示)。真空袋壓后的疊層材料100然后被置于印壓機(未展示)上 或者壓熱器108中，如步驟106所示。使疊層材料IOO在合適的溫度和壓力 下在預(yù)選的一段時間內(nèi)固化。例如，上面描述的疊層材料IOO可以處于可以 在150至450。F間變化的低溫固化成型和最高至100psi的壓力之下。
在步驟110，可以對部件100進行后固化工藝，例如在爐中(未展示)燒 結(jié)。例如，部件IOO可以在爐中進行高溫、無壓后固化成型，溫度可以在500 。F至2200。F之間變化。
圖13更加清楚地舉例說明了具有被氧化鎳92覆蓋的鎳層88的 KOVAR⑧網(wǎng)40的一部分，其中氧化鎳92與周圍陶瓷基體38形成了界面結(jié) 合。使氧化鎳92和陶瓷基體38結(jié)合的強度適合于優(yōu)化混合型復(fù)合材料性能。
結(jié)合圖12的工藝說明了利用鎳層88作為可能需要將KOVAR⑧40結(jié)合 到陶瓷基體38的氧化鎳層92之間的隔板。如前面提到的，底層鎳層88阻 止KOVAR⑧網(wǎng)40的過度氧化，其可能在制造混合型金屬-CMC結(jié)構(gòu)材料20階段發(fā)生，或因結(jié)構(gòu)材料20置于工作中受到持續(xù)高溫而發(fā)生。然而，取決 于被選作金屬增強物層30的金屬合金，可能不是必須利用屏蔽層，例如鎳 層88，而是可能直接氧化制造增強物層30的基體金屬的外表面。在不使用 屏蔽層88時，也可以使用其他技術(shù)來控制底層基體金屬40可能的持續(xù)氧化。
盡管在上面舉例說明的實施方案中通過氧化底層屏蔽層88來制造氧化 物層92,可選地，在底層屏蔽層88上覆蓋并結(jié)合氧化物涂層也是可能的， 其包括不同于形成屏蔽層88的基體金屬的氧化物。
盡管本文公開的實施方案已對特定的有代表性的實施方案進行了闡明， 可以理解的是特定的實施方案是出于舉例說明而不是限制的目的，因為本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以想到其他變化方式。
權(quán)利要求
1、一種制造混合型金屬-陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，包括形成包含金屬增強物的增強層；在金屬增強物的表面形成氧化物；形成疊層材料，其包括在以陶瓷基體預(yù)浸漬的連續(xù)陶瓷纖維層之間放置增強層；和，固化疊層材料使陶瓷纖維層和增強層相結(jié)合。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中形成氧化物層包括 在金屬增強物表面上覆蓋一層金屬層，并氧化此金屬層。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中固化疊層材料包括加熱疊層材料至 足夠使金屬增強物表面上的氧化物層和陶瓷纖維及陶瓷基體相結(jié)合的溫度。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其進一步包括通過在爐中加熱已固化的疊層材料并持續(xù)預(yù)選的一段時間以燒結(jié)陶瓷 基體。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成增強層包括編織金屬纖維和陶 瓷纖維。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中 形成增強層，包括提供KOVAR⑧箔，和在金屬增強物表面上形成氧化物層，包括在KOVAR⑧箔的表面上覆蓋 鎳層和加熱鎳層至足夠氧化此鎳層的溫度。
7、 一種制造復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，包括 提供多層以陶瓷基體預(yù)浸漬的連續(xù)陶瓷纖維；形成至少 一層增強層，該增強層包含具有與陶瓷纖維的熱膨脹系數(shù)(CTE) 大致相配的CTE的連續(xù)金屬增強物；通過在多層陶t:纖維之間放置增強層以形成疊層材料；和， 通過在高溫下固化疊層材料使增強層和陶瓷基體相結(jié)合。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中形成增強層包括在金屬箔片上軋碾 刀具以在箔上產(chǎn)生網(wǎng)狀圖案。
9、 如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括 在金屬增強物表面上覆蓋金屬層，并氧化此金屬層。
10、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中形成增強層包括一起編織金屬和陶 瓷纖維以形成金屬-陶瓷網(wǎng)。
11、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中形成增強層包括 提供一張具有硼硅酸鹽玻璃熱膨脹特性的鎳-鈷鐵合金板， 在合金板上覆蓋鎳層，和加熱合金板至足夠氧化此鎳層的溫度。
12、 一種層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括 多層約束在陶資基體中的陶資纖維；和至少 一層增強層，其包含與陶瓷基體結(jié)合且具有與陶瓷纖維的熱膨脹系 數(shù)(CTE)大致相配的CTE的金屬。
13、 如權(quán)利要求12所述的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中增強層含有編織在 一起的金屬和陶資纖維。
14、 如權(quán)利要求12所述的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中金屬表面含有氧化 物屏蔽層。
15、 如權(quán)利要求12所述的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中金屬包含與陶瓷基 體相結(jié)合的氧化物外層。
全文摘要
采用一層或更多層金屬增強物強化的層狀陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。選擇金屬增強物以提供最優(yōu)強度和與陶瓷基復(fù)合材料的熱兼容性。金屬增強物包含與陶瓷基復(fù)合材料相結(jié)合的外氧化層。其也可以在金屬的表面上包含幫助阻止進一步氧化的屏蔽層。結(jié)構(gòu)材料使用標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料預(yù)浸漬疊層技術(shù)形成。
文檔編號C04B35/71GK101531536SQ20091013468
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者利安娜·萊曼, 威廉·P·基思, 巴德哈德夫·查克拉巴蒂, 阿里·尤塞菲亞尼 申請人:波音公司