高断裂韧性陶瓷支撑托板螺母和联接槽的制作方法

本公开涉及由用碳化硅晶须加强的氧化铝陶瓷材料构成的托板螺母(nut plate)和联接槽(gang channel)。在可替代的结构中，托板螺母和联接槽由氮化硅构成。

背景技术：

热防护系统(TPS)(例如航天器再入热屏蔽、远超音速飞行器的机身部分、喷气发动机排气组件等)由需要耐高温并且必须能忍受非常恶略环境的材料构成。再入运载工具表面尤其困难。因为再入运载工具表面正前方的冲击波分离空气分子并提供用于额外加热的势能，所以表面必须具有低催化性(catalycity)。当空气分子分裂并与表面相撞时，它们在放热反应中重新组合。由于该表面起到催化剂的作用，因此表面具有低催化性是重要的，这将降低使来自化学反应的能量增加的趋势。这些材料也必须抗热氧化(尤其抗氧原子氧化)，以最小化材料表面的脱落。材料必须具有高辐射性以确保最大程度地排斥通过辐射传热进来的对流热量。这些要求在热防护系统应用(例如用于热防护系统的瓷片、毛毯和其他类似结构)中难以满足。

在采用瓷片、毛毯和陶瓷基质复合组件的热防护系统中，例如瓷片主要被结合在合适位置。对于许多TPS应用，胶接绝缘材料(例如瓷片)被用于将绝缘件附着到飞行器(例如远超音速运载工具)的外模制管线。为了容易且快速的更换或维修以及许多粘合剂的温度限制，存在对机械地附着瓷片、毛毯和其他形式的陶瓷基质复合物的兴趣。

然而，在诸如再入运载工具的热屏蔽表面、发动机排气组件以及远超音速运载工具结构的应用中，使用金属托板螺母和金属联接槽来附连这些应用中的陶瓷基质组件已成为一个问题。大多数金属具有高催化性、低热辐射性、高热膨胀系数并随着温度的增加而变软和变弱。如果托板螺母和联接槽被用于将TPS或排气管道附连到运载工具，则它们通常由高温金属合金制成。目前大多数涡轮发动机排气组件、托板螺母和联接槽主要(如果不是所有)由超合金金属制成。这些组件被主动冷却以使得金属可以在环境中幸存。随着陶瓷基质复合件和其他陶瓷组件在涡轮发动机排气系统中得以实现，由于金属不能承受此温度，金属超合金托板螺母和联接槽不能再被使用。更糟的是陶瓷基质复合件相比于金属具有更低的导热性，因此即使面板被冷却，托板螺母和联接槽将依然具有过热倾向。

技术实现要素：

对于上面展示的原因以及其他原因，用于在热防护系统中紧固陶瓷基质复合件的托板螺母或联接槽最好由陶瓷材料构成。然而，大多数强陶瓷是庞大的、易碎的、切口敏感的、有热冲击问题并且容易出现严重故障，这对于制作托板螺母和联接槽是不理想的。因为在托板螺母中或联接槽的螺母中的陶瓷易碎、坚硬并且切口敏感，所以机械加工陶瓷材料的内螺纹非常困难。制造螺纹陶瓷紧固件通常用类似烘烤前注模的工艺来实现，但是这些类型的螺纹是圆形的并且由于烘烤收缩而不精确，并且该陶瓷紧固件的强度通常依然非常低、具有高散射并且不是非常可预知的。

本公开的高断裂韧性陶瓷支撑托板螺母和联接槽螺母由用晶须加强的氧化铝陶瓷材料构成。在可替代的实施例中，托板螺母和联接槽螺母由氮化硅构成。托板螺母和联接槽螺母满足在其将暴露于的整个温度范围内的高强度要求，具有高断裂韧性、最小的切口敏感性、低催化性、高热辐射性、高刚度、高硬度、良好的抗热冲击性以及不被高温氧原子剥落。与大多数金属相反，包括氧化铝的陶瓷具有天然的低催化性。与氧化铝混合的晶须不仅提升断裂韧性，而且增加托板螺母和联接槽螺母的辐射性。这同样与具有非常低辐射性的金属相反。用晶须强化的氧化铝陶瓷材料也具有与托板螺母使用的和联接槽螺母使用的氧化陶瓷基质组件的热膨胀系数非常匹配的热膨胀系数。

在构建托板螺母和联接槽的螺母时，氧化铝陶瓷材料粉末和晶须的混合物被制备。在可替代的结构中，使用氮化硅。晶须是碳化硅晶须。然后该混合物在高温下被热压以形成托板螺母。联接槽的螺母用同样的方式制备。为了在托板螺母的螺栓孔中和在联接槽的螺母中形成内螺纹，石墨预成型件被机械加工出外螺纹。所述外螺纹与托板螺母中的螺栓孔的内螺纹以及联接槽的螺母的内螺纹是互补的。预成型件被放置在氧化铝陶瓷材料粉末和晶须的粉末混合物内，使得在混合物的加压和加热期间，托板螺母中的螺栓孔的内螺纹以及联接槽的螺母的内螺纹在石墨预成型件周围形成。形成托板螺母和联接槽的螺母的混合物的加热加压完成之后，非常柔软的石墨预成型件被清理出托板螺母的螺栓孔和联接槽的螺母，在托板螺母的螺栓孔和联接槽的螺母中留下精密尺寸的内部凹螺纹。由于内螺纹在烧结期间在压力下形成，因此消除了一般与烘烤陶瓷相关的收缩。

联接槽的槽构件的构建中，使用陶瓷基质复合材料。

托板螺母用于通过对准复合面板的紧固件孔和在托板螺母形成的内螺纹孔来将相邻组件(例如，陶瓷基质复合面板)紧固在一起。然后外螺纹紧固件穿过复合面板和托板螺母的对准孔插入。旋拧穿过复合面板的孔的紧固件并拧进托板螺母的内螺纹孔将复合面板固定在一起。

在使用联接槽将组件(例如，陶瓷基质复合组件)固定在一起时，内螺纹螺母以常规的方式被放置在联接槽的槽构件中。然后以常规的方式使用联接槽将两个组件固定在一起。

已经讨论的特性、功能和优势可以在不同的实施例中独立地实现或者可以结合其他实施例实现，其进一步的细节可以通过参考以下描述和附图看到。

附图说明

图1是本公开的托板螺母的平面图的表现形式。

图2是图1中的托板螺母的端正视图。

图3是图1中的托板螺母的侧正视图。

图4是构建本公开的托板螺母的方法的表现形式。

图5是用于将两个组件固定在一起的本公开的托板螺母的平面图的表现形式。

图6是图5中的托板螺母的端视图的表现形式。

图7是用于将两个组件固定在一起的两个托板螺母的端视图的表现形式。

图8是本公开的联接槽的螺母和槽构件的透视图的表现形式。

图9是构建本公开的联接槽的螺母的方法的表现形式。

图10是被装配在一起的本公开的联接槽的螺母和槽构件的表现形式。

具体实施方式

图1是本公开的托板螺母10的平面图的表现形式。图2是托板螺母10的端视图的表现形式。托板螺母10的相对端是表示在图2中的托板螺母一端的镜像。图3是托板螺母10的侧视图的表现形式。托板螺母10的相对侧是表示在图3中的托板螺母一侧的镜像。如图1-图3所表示，托板螺母10的配置是常规的。

托板螺母10通常具有由托板螺母10的外围边缘12限定的矩形配置。托板螺母10具有平坦光滑的前表面14和相对的平坦光滑的后表面16。托板螺母10具有穿过托板螺母的多个圆柱形内孔或紧固件孔18。内孔18中的每一个具有在内孔周围的螺纹内表面20。在图1中，托板螺母10用八个内孔18和八个内螺纹表面20来表现。应该理解的是，在图1中表示的八个内孔18仅是可以提供在托板螺母10中的内孔18的数量的一个示例。

在图1-图3中表示的托板螺母10独特之处在于其被构建为高温托板螺母。这通过托板螺母10由使用晶须强化技术的陶瓷复合材料构成来实现。硬陶瓷基质由极强的刚性晶体(通常称为晶须)强化。托板螺母10由陶瓷基质复合材料构成，该陶瓷基质复合材料是用碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料粉末的混合物。用于构建托板螺母10的陶瓷基质复合材料的一个示例是晶须强化的陶瓷材料WG-，WG-是绿叶公司(Greenleaf Corporation)的注册商标。在WG-中，碳化硅晶须在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中的百分比大约是30％。在用于构建托板螺母10的陶瓷复合材料的另一个示例中，碳化硅晶须在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中的百分比是在混合物的18％-30％范围内。

在托板螺母10的可替代实施例中，该托板螺母由陶瓷材料氮化硅构成。

图4中示出构建托板螺母10的方法。在构建托板螺母10时，氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26的混合物22被制备。氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26的混合物22被放入高温高压压力机28中，以便形成托板螺母10。图4显示了高温高压压力机28的表现形式。在图4中，氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26被示意性地表示并且未按比例显示。压力机28具有模具件32、34，模具件32、34被配置为用混合物22的氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26形成托板螺母10。混合物22被放置在压力机28中压力模具件32、34之间并在超过3000华氏度的温度下被热压，同时混合物22在高压下被压缩以形成托板螺母10。托板螺母10是致密的并具有细晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部压力同时伴随着压力机28的温度产生氧化铝陶瓷材料粉末24和强化碳化硅晶须26的良好固结。混合物22的氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须产生具有高断裂韧性的硬陶瓷材料的托板螺母10。

在发展在托板螺母10中形成具有内螺纹表面20的内孔18的方法时，已经认识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机械加工内螺纹是非常困难的(如果不是不可能的)。为了在托板螺母10中形成螺纹内表面20，石墨预成型件或插入件36被机械加工为具有与托板螺母10的螺纹内表面20互补的外螺纹38。如图4所示，预成型件36被放置在压力机28中的混合物22内部。预成型件36被放置在内孔18的螺纹内表面20的期望位置处。在将压力机28中的混合物22加热并加压为致密的成品陶瓷托板螺母10期间，托板螺母10的螺纹内表面20在石墨预成型件36周围形成。在形成托板螺母10的混合物22的热压完成之后，具有外螺纹表面38的柔软的石墨预成型件36易于从托板螺母10中清除，在托板螺母10中留下有成本效益的、清洁的、精密的螺纹内表面20。因为螺纹内表面20在加压烧结期间在预成型件36周围形成，所以没有发生螺纹内表面20的收缩。这使得能够生产与配合的紧固件螺栓上的螺纹外表面紧密匹配的高容差的螺纹内表面20。

在可替代的托板螺母结构中，使用氮化硅来替代氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物。除了这一改变，构建托板螺母10的方法是相同的并且根据该方法构建的托板螺母10是相同的。

图5是用于将两个陶瓷基质复合组件42、44连接在一起的托板螺母10的表现形式。在图5的表现形式中，陶瓷基质复合组件42、44是面板。在将面板42、44连接在一起时，面板配有内孔或紧固件孔46、48，内孔或紧固件孔46、48穿过面板被定位在与托板螺母10的螺纹内表面20对应的位置处。然后如图5所示的多个紧固件或螺栓被插入穿过面板孔46、48并拧进托板螺母10的螺纹内表面20。螺栓52可以被构造成常规金属螺栓，或者也可以由氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物或者氮化硅构造成。

图6是图5中表示的托板螺母10、面板42、44以及螺栓52的端视图的表现形式。

图7是类似于图6的表现形式，但示出两个托板螺母10以及一个顶盖板，该顶盖板具有在面板42、44的相对侧面上将这些面板固定在一起的仅通孔(无螺纹)10’。

图8是用在本公开的联接槽中的螺母54之一的表现形式。构建螺母54的方法与托板螺母10的构建方法类似并且在图9中示出。在构建螺母54时，氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26的混合物22被制备。混合物22被放入高温高压压力机56中以便形成用于构建螺母54的坯件。在图9中，氧化铝陶瓷材料粉末24和碳化硅晶须26被示意性地表示并且未按比例显示。压力机56具有模具件58、62，模具件58、62被配置为用混合物22的氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须形成用于螺母54的坯件。混合物22被放置在压力机56的压力模具件58、62之间并在超过3000华氏度的温度下被热压，同时混合物在高压下被压缩以形成螺母54的坯件。螺母54的坯件是致密的并具有细晶粒尺寸。施加到混合物22上的外部压力同时伴随着压力机56的温度产生氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须的良好固结。氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须产生具有高断裂韧性的硬陶瓷材料的螺母54的坯件。

为了在螺母54中形成螺纹内表面64，石墨预成型插入件66再次被机械加工为具有与螺母54的螺纹内表面64互补的外螺纹68。如图9所示，预成型件66被放置在压力机56中的混合物22内部。在将压力机56中的混合物22加热并加压为螺母54的致密的成品陶瓷坯件期间，螺母54的螺纹内表面64在石墨预成型件66周围形成。在热压混合物22形成螺母54的坯件完成之后，具有外螺纹68的柔软的石墨预成型件66易于从螺母54中清除，在螺母54内留下有成本效益的、清洁的、精密的螺纹内表面64。因为螺纹内表面64在加压烧结期间在预成型件66周围形成，所以没有发生螺纹内表面64的收缩。这使得能够生产与配合的紧固件螺栓上的螺纹外表面紧密匹配的高容差的螺纹内表面64。

然后可以在螺母54上机械加工槽接口表面(例如螺母54的六边形外表面72)。可替代地，槽接口表面72可以被模塑在螺母54上。

图8是螺母54和与该螺母一起使用的槽74的一端的透视图的表现形式。槽74由陶瓷基质复合材料(CMC)(诸如氧化CMC或非氧化CMC)构造，但是也可以由其他等效类型的材料构造。由于热膨胀系数即CTE相似，因此SiC晶须强化的氧化铝的螺母很可能与氧化CMC制成的槽一起使用，然而由于热膨胀系数即CTE也相似并且都很低，Si₃N₄很可能与非氧化CMC如SiC/SiC一起使用。螺母54的槽接口表面72的尺寸被设定，以便用产生图10所示的联接槽78的常规方式以滑动接合装配在槽构件74的内槽76中。在构建联接槽78时，一个或多个螺母54可以被插入内槽76。这种类型的陶瓷联接槽的设计允许CMC槽将各个陶瓷螺纹螺母保持在适当的位置，但是允许螺母在槽中滑动以及浮动。这有助于解决容差和失调。螺母作为单独的实体，同时被保持在合适的位置并且在紧固组件时仅允许一侧进入以拧紧螺栓。

此外，本公开包含根据以下条款的实施例：

条款1.一种联接槽(78)，其包含：

槽构件(74)；以及

在所述槽构件(74)中的螺母(54)，所述螺母由陶瓷材料(24)构成。

条款2.根据条款1所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述槽构件(74)由诸如氧化CMC或非氧化CMC如SiC/SiC的陶瓷基质复合材料构成。

条款3.根据条款1所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述螺母是在所述槽构件(74)中的多个螺母(54)之一。

条款4.根据条款1所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述陶瓷材料是用氧化铝陶瓷材料中的晶须(26)强化的所述氧化铝陶瓷材料(24)的混合物。

条款5.根据条款4所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述晶须(26)是碳化硅晶须。

条款6.根据条款1所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述陶瓷材料是氮化硅。

条款7.根据条款1所述的联接槽(78)，进一步包含：

所述螺母(54)是在所述槽构件(74)中的多个螺母(54)之一；

所述多个螺母(54)中的每个螺母(54)以滑动接合装配在所述槽构件(74)中；以及

所述多个螺母(54)中的每个螺母(54)被固定以防止在所述槽构件(74)内旋转。

由于在此描述和说明的装置的结构及其操作方法可以在不偏离本发明的范围的情况下进行不同的修改，期望的是包含在前面说明书的或显示在附图中的所有事物应该被解释为是说明性而不是限制性的。因此，本公开的宽度和范围不应该被任何上述示例性实施例所限制，而是应该仅根据随附的权利要求及其等价物来限定。