高斷裂韌性陶瓷支撐托板螺母和聯接槽的制作方法

本公開涉及由用碳化硅晶須加強的氧化鋁陶瓷材料構成的托板螺母(nut plate)和聯接槽(gang channel)。在可替代的結構中，托板螺母和聯接槽由氮化硅構成。

背景技術：

熱防護系統(TPS)(例如航天器再入熱屏蔽、遠超音速飛行器的機身部分、噴氣發動機排氣組件等)由需要耐高溫并且必須能忍受非常惡略環境的材料構成。再入運載工具表面尤其困難。因為再入運載工具表面正前方的沖擊波分離空氣分子并提供用于額外加熱的勢能，所以表面必須具有低催化性(catalycity)。當空氣分子分裂并與表面相撞時，它們在放熱反應中重新組合。由于該表面起到催化劑的作用，因此表面具有低催化性是重要的，這將降低使來自化學反應的能量增加的趨勢。這些材料也必須抗熱氧化(尤其抗氧原子氧化)，以最小化材料表面的脫落。材料必須具有高輻射性以確保最大程度地排斥通過輻射傳熱進來的對流熱量。這些要求在熱防護系統應用(例如用于熱防護系統的瓷片、毛毯和其他類似結構)中難以滿足。

在采用瓷片、毛毯和陶瓷基質復合組件的熱防護系統中，例如瓷片主要被結合在合適位置。對于許多TPS應用，膠接絕緣材料(例如瓷片)被用于將絕緣件附著到飛行器(例如遠超音速運載工具)的外模制管線。為了容易且快速的更換或維修以及許多粘合劑的溫度限制，存在對機械地附著瓷片、毛毯和其他形式的陶瓷基質復合物的興趣。

然而，在諸如再入運載工具的熱屏蔽表面、發動機排氣組件以及遠超音速運載工具結構的應用中，使用金屬托板螺母和金屬聯接槽來附連這些應用中的陶瓷基質組件已成為一個問題。大多數金屬具有高催化性、低熱輻射性、高熱膨脹系數并隨著溫度的增加而變軟和變弱。如果托板螺母和聯接槽被用于將TPS或排氣管道附連到運載工具，則它們通常由高溫金屬合金制成。目前大多數渦輪發動機排氣組件、托板螺母和聯接槽主要(如果不是所有)由超合金金屬制成。這些組件被主動冷卻以使得金屬可以在環境中幸存。隨著陶瓷基質復合件和其他陶瓷組件在渦輪發動機排氣系統中得以實現，由于金屬不能承受此溫度，金屬超合金托板螺母和聯接槽不能再被使用。更糟的是陶瓷基質復合件相比于金屬具有更低的導熱性，因此即使面板被冷卻，托板螺母和聯接槽將依然具有過熱傾向。

技術實現要素：

對于上面展示的原因以及其他原因，用于在熱防護系統中緊固陶瓷基質復合件的托板螺母或聯接槽最好由陶瓷材料構成。然而，大多數強陶瓷是龐大的、易碎的、切口敏感的、有熱沖擊問題并且容易出現嚴重故障，這對于制作托板螺母和聯接槽是不理想的。因為在托板螺母中或聯接槽的螺母中的陶瓷易碎、堅硬并且切口敏感，所以機械加工陶瓷材料的內螺紋非常困難。制造螺紋陶瓷緊固件通常用類似烘烤前注模的工藝來實現，但是這些類型的螺紋是圓形的并且由于烘烤收縮而不精確，并且該陶瓷緊固件的強度通常依然非常低、具有高散射并且不是非常可預知的。

本公開的高斷裂韌性陶瓷支撐托板螺母和聯接槽螺母由用晶須加強的氧化鋁陶瓷材料構成。在可替代的實施例中，托板螺母和聯接槽螺母由氮化硅構成。托板螺母和聯接槽螺母滿足在其將暴露于的整個溫度范圍內的高強度要求，具有高斷裂韌性、最小的切口敏感性、低催化性、高熱輻射性、高剛度、高硬度、良好的抗熱沖擊性以及不被高溫氧原子剝落。與大多數金屬相反，包括氧化鋁的陶瓷具有天然的低催化性。與氧化鋁混合的晶須不僅提升斷裂韌性，而且增加托板螺母和聯接槽螺母的輻射性。這同樣與具有非常低輻射性的金屬相反。用晶須強化的氧化鋁陶瓷材料也具有與托板螺母使用的和聯接槽螺母使用的氧化陶瓷基質組件的熱膨脹系數非常匹配的熱膨脹系數。

在構建托板螺母和聯接槽的螺母時，氧化鋁陶瓷材料粉末和晶須的混合物被制備。在可替代的結構中，使用氮化硅。晶須是碳化硅晶須。然后該混合物在高溫下被熱壓以形成托板螺母。聯接槽的螺母用同樣的方式制備。為了在托板螺母的螺栓孔中和在聯接槽的螺母中形成內螺紋，石墨預成型件被機械加工出外螺紋。所述外螺紋與托板螺母中的螺栓孔的內螺紋以及聯接槽的螺母的內螺紋是互補的。預成型件被放置在氧化鋁陶瓷材料粉末和晶須的粉末混合物內，使得在混合物的加壓和加熱期間，托板螺母中的螺栓孔的內螺紋以及聯接槽的螺母的內螺紋在石墨預成型件周圍形成。形成托板螺母和聯接槽的螺母的混合物的加熱加壓完成之后，非常柔軟的石墨預成型件被清理出托板螺母的螺栓孔和聯接槽的螺母，在托板螺母的螺栓孔和聯接槽的螺母中留下精密尺寸的內部凹螺紋。由于內螺紋在燒結期間在壓力下形成，因此消除了一般與烘烤陶瓷相關的收縮。

聯接槽的槽構件的構建中，使用陶瓷基質復合材料。

托板螺母用于通過對準復合面板的緊固件孔和在托板螺母形成的內螺紋孔來將相鄰組件(例如，陶瓷基質復合面板)緊固在一起。然后外螺紋緊固件穿過復合面板和托板螺母的對準孔插入。旋擰穿過復合面板的孔的緊固件并擰進托板螺母的內螺紋孔將復合面板固定在一起。

在使用聯接槽將組件(例如，陶瓷基質復合組件)固定在一起時，內螺紋螺母以常規的方式被放置在聯接槽的槽構件中。然后以常規的方式使用聯接槽將兩個組件固定在一起。

已經討論的特性、功能和優勢可以在不同的實施例中獨立地實現或者可以結合其他實施例實現，其進一步的細節可以通過參考以下描述和附圖看到。

附圖說明

圖1是本公開的托板螺母的平面圖的表現形式。

圖2是圖1中的托板螺母的端正視圖。

圖3是圖1中的托板螺母的側正視圖。

圖4是構建本公開的托板螺母的方法的表現形式。

圖5是用于將兩個組件固定在一起的本公開的托板螺母的平面圖的表現形式。

圖6是圖5中的托板螺母的端視圖的表現形式。

圖7是用于將兩個組件固定在一起的兩個托板螺母的端視圖的表現形式。

圖8是本公開的聯接槽的螺母和槽構件的透視圖的表現形式。

圖9是構建本公開的聯接槽的螺母的方法的表現形式。

圖10是被裝配在一起的本公開的聯接槽的螺母和槽構件的表現形式。

具體實施方式

圖1是本公開的托板螺母10的平面圖的表現形式。圖2是托板螺母10的端視圖的表現形式。托板螺母10的相對端是表示在圖2中的托板螺母一端的鏡像。圖3是托板螺母10的側視圖的表現形式。托板螺母10的相對側是表示在圖3中的托板螺母一側的鏡像。如圖1-圖3所表示，托板螺母10的配置是常規的。

托板螺母10通常具有由托板螺母10的外圍邊緣12限定的矩形配置。托板螺母10具有平坦光滑的前表面14和相對的平坦光滑的后表面16。托板螺母10具有穿過托板螺母的多個圓柱形內孔或緊固件孔18。內孔18中的每一個具有在內孔周圍的螺紋內表面20。在圖1中，托板螺母10用八個內孔18和八個內螺紋表面20來表現。應該理解的是，在圖1中表示的八個內孔18僅是可以提供在托板螺母10中的內孔18的數量的一個示例。

在圖1-圖3中表示的托板螺母10獨特之處在于其被構建為高溫托板螺母。這通過托板螺母10由使用晶須強化技術的陶瓷復合材料構成來實現。硬陶瓷基質由極強的剛性晶體(通常稱為晶須)強化。托板螺母10由陶瓷基質復合材料構成，該陶瓷基質復合材料是用碳化硅晶須強化的氧化鋁陶瓷材料粉末的混合物。用于構建托板螺母10的陶瓷基質復合材料的一個示例是晶須強化的陶瓷材料WG-，WG-是綠葉公司(Greenleaf Corporation)的注冊商標。在WG-中，碳化硅晶須在氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物中的百分比大約是30％。在用于構建托板螺母10的陶瓷復合材料的另一個示例中，碳化硅晶須在氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物中的百分比是在混合物的18％-30％范圍內。

在托板螺母10的可替代實施例中，該托板螺母由陶瓷材料氮化硅構成。

圖4中示出構建托板螺母10的方法。在構建托板螺母10時，氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26的混合物22被制備。氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26的混合物22被放入高溫高壓壓力機28中，以便形成托板螺母10。圖4顯示了高溫高壓壓力機28的表現形式。在圖4中，氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26被示意性地表示并且未按比例顯示。壓力機28具有模具件32、34，模具件32、34被配置為用混合物22的氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26形成托板螺母10。混合物22被放置在壓力機28中壓力模具件32、34之間并在超過3000華氏度的溫度下被熱壓，同時混合物22在高壓下被壓縮以形成托板螺母10。托板螺母10是致密的并具有細晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部壓力同時伴隨著壓力機28的溫度產生氧化鋁陶瓷材料粉末24和強化碳化硅晶須26的良好固結。混合物22的氧化鋁陶瓷材料和強化碳化硅晶須產生具有高斷裂韌性的硬陶瓷材料的托板螺母10。

在發展在托板螺母10中形成具有內螺紋表面20的內孔18的方法時，已經認識到至少以成本有效的方式在托板螺母10的非常硬的陶瓷材料中機械加工內螺紋是非常困難的(如果不是不可能的)。為了在托板螺母10中形成螺紋內表面20，石墨預成型件或插入件36被機械加工為具有與托板螺母10的螺紋內表面20互補的外螺紋38。如圖4所示，預成型件36被放置在壓力機28中的混合物22內部。預成型件36被放置在內孔18的螺紋內表面20的期望位置處。在將壓力機28中的混合物22加熱并加壓為致密的成品陶瓷托板螺母10期間，托板螺母10的螺紋內表面20在石墨預成型件36周圍形成。在形成托板螺母10的混合物22的熱壓完成之后，具有外螺紋表面38的柔軟的石墨預成型件36易于從托板螺母10中清除，在托板螺母10中留下有成本效益的、清潔的、精密的螺紋內表面20。因為螺紋內表面20在加壓燒結期間在預成型件36周圍形成，所以沒有發生螺紋內表面20的收縮。這使得能夠生產與配合的緊固件螺栓上的螺紋外表面緊密匹配的高容差的螺紋內表面20。

在可替代的托板螺母結構中，使用氮化硅來替代氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物。除了這一改變，構建托板螺母10的方法是相同的并且根據該方法構建的托板螺母10是相同的。

圖5是用于將兩個陶瓷基質復合組件42、44連接在一起的托板螺母10的表現形式。在圖5的表現形式中，陶瓷基質復合組件42、44是面板。在將面板42、44連接在一起時，面板配有內孔或緊固件孔46、48，內孔或緊固件孔46、48穿過面板被定位在與托板螺母10的螺紋內表面20對應的位置處。然后如圖5所示的多個緊固件或螺栓被插入穿過面板孔46、48并擰進托板螺母10的螺紋內表面20。螺栓52可以被構造成常規金屬螺栓，或者也可以由氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物或者氮化硅構造成。

圖6是圖5中表示的托板螺母10、面板42、44以及螺栓52的端視圖的表現形式。

圖7是類似于圖6的表現形式，但示出兩個托板螺母10以及一個頂蓋板，該頂蓋板具有在面板42、44的相對側面上將這些面板固定在一起的僅通孔(無螺紋)10’。

圖8是用在本公開的聯接槽中的螺母54之一的表現形式。構建螺母54的方法與托板螺母10的構建方法類似并且在圖9中示出。在構建螺母54時，氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26的混合物22被制備。混合物22被放入高溫高壓壓力機56中以便形成用于構建螺母54的坯件。在圖9中，氧化鋁陶瓷材料粉末24和碳化硅晶須26被示意性地表示并且未按比例顯示。壓力機56具有模具件58、62，模具件58、62被配置為用混合物22的氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須形成用于螺母54的坯件。混合物22被放置在壓力機56的壓力模具件58、62之間并在超過3000華氏度的溫度下被熱壓，同時混合物在高壓下被壓縮以形成螺母54的坯件。螺母54的坯件是致密的并具有細晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部壓力同時伴隨著壓力機56的溫度產生氧化鋁陶瓷材料和強化碳化硅晶須的良好固結。氧化鋁陶瓷材料和強化碳化硅晶須產生具有高斷裂韌性的硬陶瓷材料的螺母54的坯件。

為了在螺母54中形成螺紋內表面64，石墨預成型插入件66再次被機械加工為具有與螺母54的螺紋內表面64互補的外螺紋68。如圖9所示，預成型件66被放置在壓力機56中的混合物22內部。在將壓力機56中的混合物22加熱并加壓為螺母54的致密的成品陶瓷坯件期間，螺母54的螺紋內表面64在石墨預成型件66周圍形成。在熱壓混合物22形成螺母54的坯件完成之后，具有外螺紋68的柔軟的石墨預成型件66易于從螺母54中清除，在螺母54內留下有成本效益的、清潔的、精密的螺紋內表面64。因為螺紋內表面64在加壓燒結期間在預成型件66周圍形成，所以沒有發生螺紋內表面64的收縮。這使得能夠生產與配合的緊固件螺栓上的螺紋外表面緊密匹配的高容差的螺紋內表面64。

然后可以在螺母54上機械加工槽接口表面(例如螺母54的六邊形外表面72)。可替代地，槽接口表面72可以被模塑在螺母54上。

圖8是螺母54和與該螺母一起使用的槽74的一端的透視圖的表現形式。槽74由陶瓷基質復合材料(CMC)(諸如氧化CMC或非氧化CMC)構造，但是也可以由其他等效類型的材料構造。由于熱膨脹系數即CTE相似，因此SiC晶須強化的氧化鋁的螺母很可能與氧化CMC制成的槽一起使用，然而由于熱膨脹系數即CTE也相似并且都很低，Si₃N₄很可能與非氧化CMC如SiC/SiC一起使用。螺母54的槽接口表面72的尺寸被設定，以便用產生圖10所示的聯接槽78的常規方式以滑動接合裝配在槽構件74的內槽76中。在構建聯接槽78時，一個或多個螺母54可以被插入內槽76。這種類型的陶瓷聯接槽的設計允許CMC槽將各個陶瓷螺紋螺母保持在適當的位置，但是允許螺母在槽中滑動以及浮動。這有助于解決容差和失調。螺母作為單獨的實體，同時被保持在合適的位置并且在緊固組件時僅允許一側進入以擰緊螺栓。

此外，本公開包含根據以下條款的實施例：

條款1.一種聯接槽(78)，其包含：

槽構件(74)；以及

在所述槽構件(74)中的螺母(54)，所述螺母由陶瓷材料(24)構成。

條款2.根據條款1所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述槽構件(74)由諸如氧化CMC或非氧化CMC如SiC/SiC的陶瓷基質復合材料構成。

條款3.根據條款1所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述螺母是在所述槽構件(74)中的多個螺母(54)之一。

條款4.根據條款1所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述陶瓷材料是用氧化鋁陶瓷材料中的晶須(26)強化的所述氧化鋁陶瓷材料(24)的混合物。

條款5.根據條款4所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述晶須(26)是碳化硅晶須。

條款6.根據條款1所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述陶瓷材料是氮化硅。

條款7.根據條款1所述的聯接槽(78)，進一步包含：

所述螺母(54)是在所述槽構件(74)中的多個螺母(54)之一；

所述多個螺母(54)中的每個螺母(54)以滑動接合裝配在所述槽構件(74)中；以及

所述多個螺母(54)中的每個螺母(54)被固定以防止在所述槽構件(74)內旋轉。

由于在此描述和說明的裝置的結構及其操作方法可以在不偏離本發明的范圍的情況下進行不同的修改，期望的是包含在前面說明書的或顯示在附圖中的所有事物應該被解釋為是說明性而不是限制性的。因此，本公開的寬度和范圍不應該被任何上述示例性實施例所限制，而是應該僅根據隨附的權利要求及其等價物來限定。