專利名稱：修改復合材料物件的方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及修改復合材料物件的方法。在特定實施例中，可利用慣性結合(inertia bonding)來修改這種復合材料物件。
背景技術：
具有分散在相同或不同組成的連續(xù)陶瓷基體中的纖維的增強陶瓷基體復合材料很好地適用于結構應用，因為它們的韌性、抗熱性、高溫強度和化學穩(wěn)定性。這樣的復合材料通常具有高的強度質量比，這使得它們在重量為關注點的應用中有吸引力，例如在航空應用中。它們在高溫下的穩(wěn)定性使得它們非常適合于構件與高溫氣體接觸的應用中，例如在燃氣渦輪發(fā)動機中。
·
陶瓷基體復合材料是十分昂貴的，因為它們的典型生產工藝是相當復雜的。因此，期望具有修改這種零件(其意外地或在使用期間可能損壞)的方法，使得它們可被挽救或者它們的使用壽命可延長。常規(guī)地，復合材料的損壞用外部結合的補塊來修補，其僅僅依靠與復合材料物件外表面的結合。不幸的是，這些類型的修改并未充分接合復合材料物件的基部而形成顯著結合到補塊。其它修改方法利用鉚釘或連結在一起的外部和內部兩半插塞來形成浮動的補塊，該補塊也不直接結合到復合材料物件。因此，存在著對于用于修改復合材料物件的改進方法的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點闡述在下面的描述中，或者根據該描述可能是明顯的，或者可通過本發(fā)明的實踐來了解。在本公開的某些實施例中，描述了一種用于修改復合材料物件的方法。該方法包括將由復合材料制成的插塞定位在復合材料物件上的部位。該方法還包括使插塞和物件中的至少一個以足以在插塞和復合材料物件的部位之間形成慣性結合的速率旋轉。插塞和部位被接合以在其間實現(xiàn)慣性結合。在本公開的其它實施例中，描述了一種用于修改復合材料物件的區(qū)域的方法。該方法包括將由纖維增強陶瓷基體復合材料制成的插塞定位在復合材料物件上的部位。復合材料物件包括纖維增強陶瓷基體復合材料。該方法還包括使插塞和物件中的至少一個以足以在插塞和復合材料物件的部位之間形成慣性結合的速率旋轉。插塞和部位被接合以在其間實現(xiàn)慣性結合。通過回顧說明書，本領域技術人員將更好地意識到這樣的實施例和其它實施例的特征和方面。


本發(fā)明的完整且能夠實現(xiàn)的公開，包括對于本領域技術人員而言的其最佳模式，更具體地闡述在說明書的剩余部分中，說明書包括對附圖的參考，在附圖中
圖1是根據本公開的某些實施例的復合材料物件的透視 圖2是根據本公開的某些方面的正被修改的圖1中的復合材料物件的剖面示意圖；以
及
圖3是根據本公開的某些實施例的復合材料物件的透視圖。附圖標記
10復合材料物件
14插塞
16軸
18修改部位。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細地參考本發(fā)明的所提出的實施例，這些實施例的一個或更多示例在附圖中示出。詳細的描述使用數(shù)字和字母標記來指代圖中的特征。附圖和描述中相同或類似的標記用于指代本發(fā)明的相同或類似的部分。每個示例以本發(fā)明的說明而不是本發(fā)明的限制的方式提供。事實上，對于本領域技術人員而言將顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中做出修改和變型。例如，作為一個實施例的部分所示出或描述的特征可用在另一實施例上而產生更進一步的實施例。因此，當落入所附權利要求及其等同的范圍內時，本發(fā)明意圖涵蓋這樣的修改和變型。陶瓷基體復合材料被用于形成暴露于航空發(fā)動機和燃氣渦輪中的熱燃燒氣體的構件，例如護罩、燃燒器襯套、噴嘴、動葉、葉片以及靜葉。陶瓷基體復合材料的有利于它們在這些應用中的使用的一個重要特性是它們的高韌性行為，該高韌性行為由材料中初始基體開裂后的上升的應力-應變曲線來表征。在工作中，燃氣渦輪構件在頻繁超過1200°C的溫度下運轉，并且經受顯著的溫度梯度。另外，這些構件被暴露于來自夾入熱氣中的具有高速度的顆粒的沖擊負荷。本公開的用于修改由復合材料(如陶瓷基體復合材料)制成的燃氣渦輪發(fā)動機構件中的損壞的方法能夠延長這些構件的壽命。另外，本公開的方法能夠修改新制造的構件，并且因此減少不合規(guī)格構件的數(shù)量。本公開的方法提供了表現(xiàn)出與新制造構件類似的韌性行為的改進構件。非常普遍地，本公開的方法利用慣性結合來修改復合材料。有利的是，可以修改復合材料元件而不必在修改之前拆卸或預熱。在某些實施例中，復合材料元件是纖維增強的陶瓷基體復合材料。在某些實施例中，纖維包括碳化硅。本文對碳化硅纖維的提及包括單晶或多晶纖維，或者其中碳化硅包封另一種材料(如碳或鎢)的芯。纖維還可包括有機前體，其將在制造過程中經歷的溫度范圍內的某一溫度下轉化為碳化硅。這樣的纖維還可包括硅和碳以外的元素。本公開的修改方法可應用于復合材料物件的修改，該復合材料物件通過復合材料生產的任何方法制成，包括陶瓷基體復合材料生產的方法。例如，陶瓷基體復合材料物件可通過預先浸潤/熔體浸潰、預先浸潤/化學氣相浸潰、漿鑄、漿 鑄/熔體浸潰、漿鑄/化學氣相浸潰、聚合物浸潰和熱解、或者它們的組合來制成。
例如，在預先浸潤/熔體浸潰方法中，陶瓷復合材料物件形成為包括多孔纖維預成型件和浸潰劑，多孔纖維預成型件包括陶瓷纖維和基體材料(一起，“纖維預成型件”)。通常，陶瓷纖維形成用于復合材料的增強體的網狀物并且被基體和浸潰劑包圍。陶瓷纖維預成型件是多孔的，因為盡管一些基體或基體前體材料可能與纖維一起提供，但是在纖維之間仍然有空間(纖維間空間或區(qū)域)。這些纖維間區(qū)域在生產陶瓷復合材料的過程中被浸潰劑填充。浸潰劑還可與基體前體反應。通常，纖維在直徑上在從O. 3微米到約150微米的范圍內，并且在長度上為大約100米或更長。纖維可用作連續(xù)細絲或非連續(xù)纖維，其通常具有至少為10和高達1000或更多的長寬比。成形的纖維預成型件可·以通過很多方式制成。除了用連續(xù)纖維制成的預成型件以外，低長寬比纖維可以與陶瓷基體材料或陶瓷基體前體材料的微粒和結合劑(如有機樹脂、纖維質材料或它們的組合)混合，并且形成為期望的形狀?；旌衔锟赏ㄟ^許多已知技術形成或成形為預成型件或壓塊。例如，它可被擠出、注塑、模壓、等靜壓或者流鑄，以產生期望形狀和尺寸的預成型件。優(yōu)選地，預成型件具有最終復合材料物件的形狀和尺寸。作為備選，纖維是連續(xù)的，并且如期望那么長。用包括基體或基體前體材料的懸浮液浸潰的連續(xù)纖維可為圍繞穩(wěn)定的成形支撐件的細絲纏繞物，以構成具有期望形狀和厚度的預成型件。這種被浸潰的連續(xù)纖維還可通過將較長纖維長度放置成彼此靠近和平行而首先被成形為預浸潰的板或帶。這種預浸潰的板或帶可由單層或多層細絲組成。連續(xù)的細絲也可被編織、編造或以其它方式排列成所期望的構造。纖維板或帶的部分可圍繞穩(wěn)定的成形支撐件設置，以構成具有期望形狀和厚度的纖維預成型件。當復合材料期望地具有連續(xù)的SiC基體時，有機樹脂或碳顆?？稍谒鼈儽恢瞥深A浸潰帶且形成為形狀之前引進纖維束中。如本文中使用的，術語“碳顆?！被颉疤嘉⒘！卑ǖ幌抻陬w粒、薄片、須狀物或者非晶纖維、單晶、多晶碳、石墨、碳化植物纖維、燈黑、細碎煤、木炭以及碳化聚合物纖維或毛氈，諸如人造絲、聚丙烯腈和聚乙炔。纖維可有利地由化合物涂覆，該化合物使得它們不向陶瓷基體材料的熔融前體中的一個或更多發(fā)生反應。在本公開的一個方面，纖維是用氮化物涂層(如氮化硼或摻硅氮化硼)涂覆的SiC纖維。其它涂層材料可以是為特定應用所選擇的金屬氮化物，諸如氮化鋁或氮化硅。當纖維必須長時期暴露于陶瓷基體材料的熔融前體時，涂層可以防止纖維的大量降解。涂層還可用于在苛刻的應力條件下在最終復合材料中賦予纖維的優(yōu)異剝離特性。氮化物涂層可通過本領域中公知的方法來沉積，以沉積連續(xù)的涂層而不損壞纖維。諸如化學氣相沉積或物理氣相沉積工藝(例如濺射)的涂覆工藝是合適的。通常，氮化物化合物的化學氣相沉積在部分真空中在范圍從約900°C到約1800°c的溫度下進行，該特定加工條件是本領域中公知的或憑經驗可決定的。氮化物涂層為至少足夠厚的，從而是連續(xù)的且無顯著空隙。涂層厚度可在從約O.1微米到約5微米的范圍內變化，并且對于直徑約8至15微米的纖維而言，其通常為大約I微米。涂層厚度應當足以防止在所用的特定加工條件下纖維與陶瓷基體材料的浸潰前體之間的反應或防止顯著反應。在SiC基體中的SiC纖維復合材料的情況下，陶瓷基體材料的前體通常為硅。在浸潰過程中，取決于時間和溫度，氮化物涂層可與或可不與熔融硅反應或者溶解在其中；即，氮化物涂層在更低的溫度下且對于更短的浸潰時間將保存得更好。通常，硅浸潰時間隨著預成型件的尺寸而增加。因此，更大尺寸的預成型件可能需要更厚的氮化物涂層。增強纖維可涂覆有多于一個涂層，每個包括不同的材料。作為備選，涂層組成可跨過涂層厚度連續(xù)地分級。這種分級涂層可通過在沉積過程中改變反應物的組成而制得?？蛇x地，涂覆氮化物的纖維可由第二連續(xù)涂層涂覆，該第二連續(xù)涂層選自由碳和金屬組成的組中，碳和金屬與硅反應而在氮化物涂層上形成硅化物、金屬碳化物、金屬硅化物、金屬氮化物和金屬硼化物。金屬碳化物可為硅、鉭、鈦或鎢的碳化物。金屬硅化物可為鉻、鑰、鉭、鈦、鎢或鋯的硅化物。氮化物可為硅、鋁、鈦、鋯、鉿、鈮、鉭或硼的氮化物。金屬硼化物可為鈦、鋯、鉿或鋁的二硼化物。纖維的外部涂層可通過毛細作用促進潤濕而改進浸潰，提供與基體的期望剝離，或者減少在高溫工作期間基體與纖維之間的反應。此外，纖維還可用一種材料來涂覆，該材料使得它們可容易地被陶瓷基體材料的熔融前體潤濕。 陶瓷基體材料或其前體被直接或間接應用于纖維預成型件的表面。間接應用可能受毛細作用影響。當陶瓷復合材料包括SiC連續(xù)相時，前體為硅。例如，硅粉可直接應用在纖維預成型件的表面上。作為備選，熔融硅可通過毛細作用供應至纖維預成型件的表面。帶有陶瓷基體材料或其前體的纖維預成型件在真空中(例如在封閉的爐內)被加熱到大于或等于陶瓷基體材料前體的熔點的溫度。優(yōu)選地，爐在加熱開始之前被抽真空，以避免氣孔夾帶在纖維預成型件內。在從約I Pa到約300 Pa的范圍內的真空通常是足夠的。優(yōu)選地，真空處于從大約2 Pa到大約150 Pa的范圍內。優(yōu)選地，用于浸潰工藝的爐為碳爐；即，其內部基本上由元素碳構成的爐。這種爐與爐內氣氛中的任何殘余氧氣反應而產生CO或CO2，其基本上不與碳支撐件、纖維預成型件或者陶瓷基體材料的前體反應。當碳爐未被使用時，它優(yōu)選地具有設置在爐內部的一定量的碳，使得它可與爐內氣氛中的任何殘余氧氣反應。浸潰在大于或等于陶瓷基體材料前體的熔點的溫度下進行。在硅的情況下，浸潰溫度在從約1400°C到約1600°C的范圍內，優(yōu)選地從約1415 °C到約1500°C，更優(yōu)選地從約1425°C到約1450°C。更高的溫度降低了熔融硅的粘度且促進了熔融硅更好地擴散到纖維預成型件中，但是它們可能不必要地加速了纖維的降解?？赏ㄟ^本公開的方法來修改的復合材料物件也可通過其它工藝制成。例如，這種復合材料物件可通過漿鑄方法制成?？赏ㄟ^編織或編造纖維形成的增強纖維板被層疊而形成本體。纖維可通過諸如化學氣相浸潰的方法來涂覆。本體被放置在模具中，該模具然后由包括微粒陶瓷基體材料、陶瓷基體前體材料或它們的混合物的漿料填充以形成預成型件。預成型件隨后通過熔體浸潰或化學氣相浸潰被致密化，從而形成最終的復合材料物件。陶瓷復合材料物件，諸如燃燒室襯套、組合燃燒器襯套和過渡件、噴嘴、護環(huán)、靜葉、動葉以及葉片，可使用上述的制造方法來制成。這些陶瓷復合材料物件中的損壞可通過本公開的方法來修改。本公開的修改方法利用慣性結合來修改復合材料物件。特別是，插塞通過慣性結合被結合到復合材料結構中的配合孔，以實現(xiàn)這種修改。在慣性結合中，第一工件被旋轉到一個特定速度，然后第二工件被迫與第一工件摩擦接觸，并且生成摩擦熱以將兩個構件連結在一起，而不在接觸區(qū)域中熔化。在基體材料在熔化時具有高流率的情況下，如在頻繁用于陶瓷基體復合材料中的硅中，如果基體材料過熱且基體材料快速流動遠離所期望的結合位置，則修改過程可能引入更多損壞。慣性結合的利用允許復合材料物件的修改，同時有效地控制基體修改區(qū)的局部溫度。慣性焊接是用于連結金屬構件的公知工藝，但是迄今未以本文描述的方式用于復合材料物件的修改。典型的慣性焊接機包括第一和第二相對的頭部，第一和第二工件可彼此相對地固定附連至所述頭部。第一頭部是可旋轉的并且由合適的馬達提供動力，用于使該頭部和第一工件旋轉到精確的旋轉速度。第二頭部是不可旋轉的并且簡單地支撐第二工件。第一頭部包括一個或更多飛輪，以提供轉動慣量用于實現(xiàn)兩個工件的焊接。通過被供以動力的活塞，第二頭部可在軸向上平移，該活塞在大量壓縮焊接負荷下使第一和第二工件接合在一起。第二工件因此摩擦結合且制動旋轉的第一工件，在它們之間的接觸區(qū)域產生摩擦熱，摩擦熱升高了它們的溫度以實現(xiàn)慣性焊接而 不熔化。在慣性焊接中只有四個控制變量。這些包括工件幾何形狀，諸如尺寸和構造；在兩個接合的工件的接觸區(qū)域處施加的焊接負荷和相應的焊接應力；兩個工件的初始接觸速度，其通常表示為基于接觸區(qū)域處的旋轉速度和半徑的接觸區(qū)域處的表面速度；以及最后，接觸區(qū)域處的單位能量輸入，其基于通常由飛輪函數(shù)表示的飛輪的質量慣性矩，該飛輪函數(shù)是飛輪重量和回轉半徑的平方的乘積。根據本公開，可利用這種常規(guī)的慣性焊接配置來用慣性結合修改復合材料物件，如本文中進一步描述的。參照圖1，受損的復合材料物件10示出為帶有損傷區(qū)域12。在慣性結合發(fā)生之前，損壞區(qū)域可通過機械或化學方法有利地清洗。例如，受損區(qū)域可通過機械作用被磨損。作為備選，在復合材料物件為陶瓷基體復合材料的實施例中，該物件可在還原氣氛中被處理，以從陶瓷基體復合材料物件的表面去除表面氧化物。這樣的還原氣氛可包括諸如氫氣、一氧化碳或者這些氣體之一與惰性氣體(例如，氮、氬或氦)的混合物。這些清洗作用可促進材料在它們之間的后續(xù)連結。在本公開的某些實施例中，損壞區(qū)域周圍的材料被去除而形成凹陷，具有恰當形狀、尺寸和組成的插塞可定位在其中。凹陷可采取若干不同形式中的一種，諸如圓筒、倒棱柱、倒圓錐或倒截頭圓錐。在復合材料為陶瓷基體復合材料的實施例中，優(yōu)選地，凹陷具有倒棱柱或倒圓錐的形狀，使得在原始陶瓷基體復合材料物件和插塞中的承載纖維之間有重疊。參照圖2，插塞14被連結到軸16。插塞14通常由與修改的復合材料物件互補的材料形成，并且，用于形成這種插塞的材料可包括用于形成復合材料物件的任何上述材料。軸直徑小于插塞直徑。軸16可被操作地連結到合適的馬達(未顯示)，諸如液壓馬達，用于在操作期間以合適的旋轉速度旋轉。一個或更多飛輪(未顯示)也可被連結到軸16，以控制軸的旋轉質量慣性矩，用于實現(xiàn)慣性結合能。插塞14可在高旋轉速率下旋轉，如在插塞和復合材料物件之間形成慣性結合所必需的。接觸速度可以以表面英尺每分鐘(SFM)來表述，并且可以從約100到約1000 SFM,以允許慣性結合的形成。軸16也可被連結到活塞(未顯示)，諸如液壓活塞，其構造成用于將插塞14按壓成與復合材料物件10的修改部位18接合。當插塞14被按壓成與修改部位18接合時，高旋轉速度R和豎直驅動力的法向壓力F產生熱效應，以局部加熱插塞并在修改部位將插塞結合到復合材料物件。修改的快速加熱和冷卻的速度可防止復合材料物件中的變形，如果復合材料物件整體被加熱到必需的基體結合溫度，則該變形將會發(fā)生。參照圖3，一旦復合材料物件10的基體結合到插塞14，插塞14的旋轉能就轉移到較小直徑的軸16，并且該能量從插塞14剪切軸16，從而防止一旦復合材料物件10的基體與插塞14形成結合時在修改部位18處的任何干擾影響。本文描述的修改方法可用于修改薄壁和厚壁的復合材料物件兩者。重要的是，取決于修改區(qū)域，復合材料物件可通過文中描述的方法來修改，而不需要在修改之前被拆卸或預熱。該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結合的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。這種其它的示例意圖在權利要求的范圍內，如果它們包括與權利要求書的字面 語言沒有區(qū)別的結構要素，或者如果它們包括與權利要求書的字面語言沒有實質區(qū)別的結構要素的話。
權利要求
1.一種用于修改復合材料物件的方法，包括將包括復合材料的插塞定位在所述復合材料物件上的部位；使所述插塞和所述物件中的至少一個以足以在所述插塞和所述復合材料物件的所述 部位之間形成慣性結合的速率旋轉；以及使所述插塞和所述部位接合以在其間實現(xiàn)慣性結合。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復合材料物件包括纖維增強的陶瓷 基體復合材料。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述纖維增強的陶瓷基體復合材料包括SiC。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述插塞包括纖維增強的陶瓷基體復合 材料。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述纖維增強的陶瓷基體復合材料包括SiC。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述部位形成凹陷以接受所述插塞。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述凹陷能夠容納圓錐形狀。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述凹陷能夠容納棱柱形狀。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述插塞包括圓錐形狀。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述插塞與連結至所述插塞的心軸一起 被旋轉。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述軸被構造成當所述插塞和所述部 位在其間實現(xiàn)慣性結合時與所述插塞分離。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在將包括復合材料的插塞定位在 所述部位之前清理所述部位。
13.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括從所述部位去除所述復合材料物 件的一部分。
14.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復合材料物件包括燃燒室襯套、噴 嘴、護環(huán)、靜葉、動葉或葉片。
15.一種用于修改復合材料物件的區(qū)域的方法，包括將包括纖維增強陶瓷基體復合材料的插塞定位在所述復合材料物件上的部位，所述復 合材料物件包括纖維增強陶瓷基體復合材料；使所述插塞和所述物件中的至少一個以足以在所述插塞和所述復合材料物件的所述 部位之間形成慣性結合的速率旋轉；以及使所述插塞和所述部位接合以在其間實現(xiàn)慣性結合。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述插塞和所述復合材料物件包括SiC。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括在所述部位形成凹陷以接受所述插塞。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述凹陷能夠容納圓錐形狀。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述插塞與連結至所述插塞的心軸一起被旋轉。
20.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述軸被構造成當所述插塞和所述部位在其間實現(xiàn)慣性結合時與所述插塞分離。
全文摘要
在本公開的某些實施例中，描述了用于修改復合材料物件的方法。該方法包括將由復合材料制成的插塞定位在復合材料物件上的某個部位。該方法還包括使插塞和物件中的至少一個以足以在插塞和復合材料物件的部位之間形成慣性結合的速率旋轉。插塞和該部位被接合而在其間實現(xiàn)慣性結合。
文檔編號C04B35/76GK102992797SQ20121032688
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權日2011年9月9日
發(fā)明者H.C.羅伯茨三世, P.E.格雷, R.L.K.馬特素莫托, J.H.博伊, P.H.莫納漢, J.哈拉達 申請人:通用電氣公司