本公開(kāi)涉及由用碳化硅晶須加強(qiáng)的氧化鋁陶瓷材料構(gòu)成的托板螺母(nut plate)和聯(lián)接槽(gang channel)。在可替代的結(jié)構(gòu)中，托板螺母和聯(lián)接槽由氮化硅構(gòu)成。

背景技術(shù)：

熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)(例如航天器再入熱屏蔽、遠(yuǎn)超音速飛行器的機(jī)身部分、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣組件等)由需要耐高溫并且必須能忍受非常惡略環(huán)境的材料構(gòu)成。再入運(yùn)載工具表面尤其困難。因?yàn)樵偃脒\(yùn)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(shì)能，所以表面必須具有低催化性(catalycity)。當(dāng)空氣分子分裂并與表面相撞時(shí)，它們?cè)诜艧岱磻?yīng)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(lái)自化學(xué)反應(yīng)的能量增加的趨勢(shì)。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(guò)輻射傳熱進(jìn)來(lái)的對(duì)流熱量。這些要求在熱防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用(例如用于熱防護(hù)系統(tǒng)的瓷片、毛毯和其他類(lèi)似結(jié)構(gòu))中難以滿足。

在采用瓷片、毛毯和陶瓷基質(zhì)復(fù)合組件的熱防護(hù)系統(tǒng)中，例如瓷片主要被結(jié)合在合適位置。對(duì)于許多TPS應(yīng)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(yuǎn)超音速運(yùn)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(duì)機(jī)械地附著瓷片、毛毯和其他形式的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的興趣。

然而，在諸如再入運(yùn)載工具的熱屏蔽表面、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣組件以及遠(yuǎn)超音速運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，使用金屬托板螺母和金屬聯(lián)接槽來(lái)附連這些應(yīng)用中的陶瓷基質(zhì)組件已成為一個(gè)問(wèn)題。大多數(shù)金屬具有高催化性、低熱輻射性、高熱膨脹系數(shù)并隨著溫度的增加而變軟和變?nèi)?。如果托板螺母和?lián)接槽被用于將TPS或排氣管道附連到運(yùn)載工具，則它們通常由高溫金屬合金制成。目前大多數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣組件、托板螺母和聯(lián)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(dòng)冷卻以使得金屬可以在環(huán)境中幸存。隨著陶瓷基質(zhì)復(fù)合件和其他陶瓷組件在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，由于金屬不能承受此溫度，金屬超合金托板螺母和聯(lián)接槽不能再被使用。更糟的是陶瓷基質(zhì)復(fù)合件相比于金屬具有更低的導(dǎo)熱性，因此即使面板被冷卻，托板螺母和聯(lián)接槽將依然具有過(guò)熱傾向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

對(duì)于上面展示的原因以及其他原因，用于在熱防護(hù)系統(tǒng)中緊固陶瓷基質(zhì)復(fù)合件的托板螺母或聯(lián)接槽最好由陶瓷材料構(gòu)成。然而，大多數(shù)強(qiáng)陶瓷是龐大的、易碎的、切口敏感的、有熱沖擊問(wèn)題并且容易出現(xiàn)嚴(yán)重故障，這對(duì)于制作托板螺母和聯(lián)接槽是不理想的。因?yàn)樵谕邪迓菽钢谢蚵?lián)接槽的螺母中的陶瓷易碎、堅(jiān)硬并且切口敏感，所以機(jī)械加工陶瓷材料的內(nèi)螺紋非常困難。制造螺紋陶瓷緊固件通常用類(lèi)似烘烤前注模的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這些類(lèi)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(qiáng)度通常依然非常低、具有高散射并且不是非常可預(yù)知的。

本公開(kāi)的高斷裂韌性陶瓷支撐托板螺母和聯(lián)接槽螺母由用晶須加強(qiáng)的氧化鋁陶瓷材料構(gòu)成。在可替代的實(shí)施例中，托板螺母和聯(lián)接槽螺母由氮化硅構(gòu)成。托板螺母和聯(lián)接槽螺母滿足在其將暴露于的整個(gè)溫度范圍內(nèi)的高強(qiáng)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(shù)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(lián)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(qiáng)化的氧化鋁陶瓷材料也具有與托板螺母使用的和聯(lián)接槽螺母使用的氧化陶瓷基質(zhì)組件的熱膨脹系數(shù)非常匹配的熱膨脹系數(shù)。

在構(gòu)建托板螺母和聯(lián)接槽的螺母時(shí)，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(jié)構(gòu)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(lián)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(lián)接槽的螺母中形成內(nèi)螺紋，石墨預(yù)成型件被機(jī)械加工出外螺紋。所述外螺紋與托板螺母中的螺栓孔的內(nèi)螺紋以及聯(lián)接槽的螺母的內(nèi)螺紋是互補(bǔ)的。預(yù)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(nèi)，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(nèi)螺紋以及聯(lián)接槽的螺母的內(nèi)螺紋在石墨預(yù)成型件周?chē)纬?。形成托板螺母和?lián)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(yù)成型件被清理出托板螺母的螺栓孔和聯(lián)接槽的螺母，在托板螺母的螺栓孔和聯(lián)接槽的螺母中留下精密尺寸的內(nèi)部凹螺紋。由于內(nèi)螺紋在燒結(jié)期間在壓力下形成，因此消除了一般與烘烤陶瓷相關(guān)的收縮。

聯(lián)接槽的槽構(gòu)件的構(gòu)建中，使用陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料。

托板螺母用于通過(guò)對(duì)準(zhǔn)復(fù)合面板的緊固件孔和在托板螺母形成的內(nèi)螺紋孔來(lái)將相鄰組件(例如，陶瓷基質(zhì)復(fù)合面板)緊固在一起。然后外螺紋緊固件穿過(guò)復(fù)合面板和托板螺母的對(duì)準(zhǔn)孔插入。旋擰穿過(guò)復(fù)合面板的孔的緊固件并擰進(jìn)托板螺母的內(nèi)螺紋孔將復(fù)合面板固定在一起。

在使用聯(lián)接槽將組件(例如，陶瓷基質(zhì)復(fù)合組件)固定在一起時(shí)，內(nèi)螺紋螺母以常規(guī)的方式被放置在聯(lián)接槽的槽構(gòu)件中。然后以常規(guī)的方式使用聯(lián)接槽將兩個(gè)組件固定在一起。

已經(jīng)討論的特性、功能和優(yōu)勢(shì)可以在不同的實(shí)施例中獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)或者可以結(jié)合其他實(shí)施例實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以通過(guò)參考以下描述和附圖看到。

附圖說(shuō)明

圖1是本公開(kāi)的托板螺母的平面圖的表現(xiàn)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(cè)正視圖。

圖4是構(gòu)建本公開(kāi)的托板螺母的方法的表現(xiàn)形式。

圖5是用于將兩個(gè)組件固定在一起的本公開(kāi)的托板螺母的平面圖的表現(xiàn)形式。

圖6是圖5中的托板螺母的端視圖的表現(xiàn)形式。

圖7是用于將兩個(gè)組件固定在一起的兩個(gè)托板螺母的端視圖的表現(xiàn)形式。

圖8是本公開(kāi)的聯(lián)接槽的螺母和槽構(gòu)件的透視圖的表現(xiàn)形式。

圖9是構(gòu)建本公開(kāi)的聯(lián)接槽的螺母的方法的表現(xiàn)形式。

圖10是被裝配在一起的本公開(kāi)的聯(lián)接槽的螺母和槽構(gòu)件的表現(xiàn)形式。

具體實(shí)施方式

圖1是本公開(kāi)的托板螺母10的平面圖的表現(xiàn)形式。圖2是托板螺母10的端視圖的表現(xiàn)形式。托板螺母10的相對(duì)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(cè)視圖的表現(xiàn)形式。托板螺母10的相對(duì)側(cè)是表示在圖3中的托板螺母一側(cè)的鏡像。如圖1-圖3所表示，托板螺母10的配置是常規(guī)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(duì)的平坦光滑的后表面16。托板螺母10具有穿過(guò)托板螺母的多個(gè)圓柱形內(nèi)孔或緊固件孔18。內(nèi)孔18中的每一個(gè)具有在內(nèi)孔周?chē)穆菁y內(nèi)表面20。在圖1中，托板螺母10用八個(gè)內(nèi)孔18和八個(gè)內(nèi)螺紋表面20來(lái)表現(xiàn)。應(yīng)該理解的是，在圖1中表示的八個(gè)內(nèi)孔18僅是可以提供在托板螺母10中的內(nèi)孔18的數(shù)量的一個(gè)示例。

在圖1-圖3中表示的托板螺母10獨(dú)特之處在于其被構(gòu)建為高溫托板螺母。這通過(guò)托板螺母10由使用晶須強(qiáng)化技術(shù)的陶瓷復(fù)合材料構(gòu)成來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬陶瓷基質(zhì)由極強(qiáng)的剛性晶體(通常稱為晶須)強(qiáng)化。托板螺母10由陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成，該陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料是用碳化硅晶須強(qiáng)化的氧化鋁陶瓷材料粉末的混合物。用于構(gòu)建托板螺母10的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料的一個(gè)示例是晶須強(qiáng)化的陶瓷材料WG-，WG-是綠葉公司(Greenleaf Corporation)的注冊(cè)商標(biāo)。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(gòu)建托板螺母10的陶瓷復(fù)合材料的另一個(gè)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(nèi)。

在托板螺母10的可替代實(shí)施例中，該托板螺母由陶瓷材料氮化硅構(gòu)成。

圖4中示出構(gòu)建托板螺母10的方法。在構(gòu)建托板螺母10時(shí)，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(jī)28中，以便形成托板螺母10。圖4顯示了高溫高壓壓力機(jī)28的表現(xiàn)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(jī)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?；旌衔?2被放置在壓力機(jī)28中壓力模具件32、34之間并在超過(guò)3000華氏度的溫度下被熱壓，同時(shí)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(xì)晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部壓力同時(shí)伴隨著壓力機(jī)28的溫度產(chǎn)生氧化鋁陶瓷材料粉末24和強(qiáng)化碳化硅晶須26的良好固結(jié)。混合物22的氧化鋁陶瓷材料和強(qiáng)化碳化硅晶須產(chǎn)生具有高斷裂韌性的硬陶瓷材料的托板螺母10。

在發(fā)展在托板螺母10中形成具有內(nèi)螺紋表面20的內(nèi)孔18的方法時(shí)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(jī)械加工內(nèi)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(nèi)表面20，石墨預(yù)成型件或插入件36被機(jī)械加工為具有與托板螺母10的螺紋內(nèi)表面20互補(bǔ)的外螺紋38。如圖4所示，預(yù)成型件36被放置在壓力機(jī)28中的混合物22內(nèi)部。預(yù)成型件36被放置在內(nèi)孔18的螺紋內(nèi)表面20的期望位置處。在將壓力機(jī)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(nèi)表面20在石墨預(yù)成型件36周?chē)纬伞Ｔ谛纬赏邪迓菽?0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(yù)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(nèi)表面20。因?yàn)槁菁y內(nèi)表面20在加壓燒結(jié)期間在預(yù)成型件36周?chē)纬?，所以沒(méi)有發(fā)生螺紋內(nèi)表面20的收縮。這使得能夠生產(chǎn)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(nèi)表面20。

在可替代的托板螺母結(jié)構(gòu)中，使用氮化硅來(lái)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(gòu)建托板螺母10的方法是相同的并且根據(jù)該方法構(gòu)建的托板螺母10是相同的。

圖5是用于將兩個(gè)陶瓷基質(zhì)復(fù)合組件42、44連接在一起的托板螺母10的表現(xiàn)形式。在圖5的表現(xiàn)形式中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合組件42、44是面板。在將面板42、44連接在一起時(shí)，面板配有內(nèi)孔或緊固件孔46、48，內(nèi)孔或緊固件孔46、48穿過(guò)面板被定位在與托板螺母10的螺紋內(nèi)表面20對(duì)應(yīng)的位置處。然后如圖5所示的多個(gè)緊固件或螺栓被插入穿過(guò)面板孔46、48并擰進(jìn)托板螺母10的螺紋內(nèi)表面20。螺栓52可以被構(gòu)造成常規(guī)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(gòu)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(xiàn)形式。

圖7是類(lèi)似于圖6的表現(xiàn)形式，但示出兩個(gè)托板螺母10以及一個(gè)頂蓋板，該頂蓋板具有在面板42、44的相對(duì)側(cè)面上將這些面板固定在一起的僅通孔(無(wú)螺紋)10’。

圖8是用在本公開(kāi)的聯(lián)接槽中的螺母54之一的表現(xiàn)形式。構(gòu)建螺母54的方法與托板螺母10的構(gòu)建方法類(lèi)似并且在圖9中示出。在構(gòu)建螺母54時(shí)，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?；旌衔?2被放入高溫高壓壓力機(jī)56中以便形成用于構(gòu)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(jī)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?；旌衔?2被放置在壓力機(jī)56的壓力模具件58、62之間并在超過(guò)3000華氏度的溫度下被熱壓，同時(shí)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(xì)晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部壓力同時(shí)伴隨著壓力機(jī)56的溫度產(chǎn)生氧化鋁陶瓷材料和強(qiáng)化碳化硅晶須的良好固結(jié)。氧化鋁陶瓷材料和強(qiáng)化碳化硅晶須產(chǎn)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(nèi)表面64，石墨預(yù)成型插入件66再次被機(jī)械加工為具有與螺母54的螺紋內(nèi)表面64互補(bǔ)的外螺紋68。如圖9所示，預(yù)成型件66被放置在壓力機(jī)56中的混合物22內(nèi)部。在將壓力機(jī)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(nèi)表面64在石墨預(yù)成型件66周?chē)纬?。在熱壓混合?2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(yù)成型件66易于從螺母54中清除，在螺母54內(nèi)留下有成本效益的、清潔的、精密的螺紋內(nèi)表面64。因?yàn)槁菁y內(nèi)表面64在加壓燒結(jié)期間在預(yù)成型件66周?chē)纬?，所以沒(méi)有發(fā)生螺紋內(nèi)表面64的收縮。這使得能夠生產(chǎn)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(nèi)表面64。

然后可以在螺母54上機(jī)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(xiàn)形式。槽74由陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)(諸如氧化CMC或非氧化CMC)構(gòu)造，但是也可以由其他等效類(lèi)型的材料構(gòu)造。由于熱膨脹系數(shù)即CTE相似，因此SiC晶須強(qiáng)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(shù)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(shè)定，以便用產(chǎn)生圖10所示的聯(lián)接槽78的常規(guī)方式以滑動(dòng)接合裝配在槽構(gòu)件74的內(nèi)槽76中。在構(gòu)建聯(lián)接槽78時(shí)，一個(gè)或多個(gè)螺母54可以被插入內(nèi)槽76。這種類(lèi)型的陶瓷聯(lián)接槽的設(shè)計(jì)允許CMC槽將各個(gè)陶瓷螺紋螺母保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，但是允許螺母在槽中滑動(dòng)以及浮動(dòng)。這有助于解決容差和失調(diào)。螺母作為單獨(dú)的實(shí)體，同時(shí)被保持在合適的位置并且在緊固組件時(shí)僅允許一側(cè)進(jìn)入以擰緊螺栓。

此外，本公開(kāi)包含根據(jù)以下條款的實(shí)施例：

條款1.一種聯(lián)接槽(78)，其包含：

槽構(gòu)件(74)；以及

在所述槽構(gòu)件(74)中的螺母(54)，所述螺母由陶瓷材料(24)構(gòu)成。

條款2.根據(jù)條款1所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)一步包含：

所述槽構(gòu)件(74)由諸如氧化CMC或非氧化CMC如SiC/SiC的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)成。

條款3.根據(jù)條款1所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)一步包含：

所述螺母是在所述槽構(gòu)件(74)中的多個(gè)螺母(54)之一。

條款4.根據(jù)條款1所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)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(qiáng)化的所述氧化鋁陶瓷材料(24)的混合物。

條款5.根據(jù)條款4所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)一步包含：

所述晶須(26)是碳化硅晶須。

條款6.根據(jù)條款1所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)一步包含：

所述陶瓷材料是氮化硅。

條款7.根據(jù)條款1所述的聯(lián)接槽(78)，進(jìn)一步包含：

所述螺母(54)是在所述槽構(gòu)件(74)中的多個(gè)螺母(54)之一；

所述多個(gè)螺母(54)中的每個(gè)螺母(54)以滑動(dòng)接合裝配在所述槽構(gòu)件(74)中；以及

所述多個(gè)螺母(54)中的每個(gè)螺母(54)被固定以防止在所述槽構(gòu)件(74)內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

由于在此描述和說(shuō)明的裝置的結(jié)構(gòu)及其操作方法可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行不同的修改，期望的是包含在前面說(shuō)明書(shū)的或顯示在附圖中的所有事物應(yīng)該被解釋為是說(shuō)明性而不是限制性的。因此，本公開(kāi)的寬度和范圍不應(yīng)該被任何上述示例性實(shí)施例所限制，而是應(yīng)該僅根據(jù)隨附的權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)限定。