用预陶瓷化聚合物树脂浸透的陶瓷衬的制作方法

专利名称：用预陶瓷化聚合物树脂浸透的陶瓷衬的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于机动车的具有陶瓷衬的铸造金属部件的制备，更精确地说涉及(1)制成具有抗破损的陶瓷衬的金属部件的方法，该方法包括步骤制成一种具有用于安装陶瓷衬的配合面的金属部件；制成一种含孔的陶瓷材料衬；用预陶瓷化(preceramic)聚合物树脂(在下文中可交换地使用术语聚合物衍生的陶瓷树脂)填充该孔；在可以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬，并且，将该陶瓷衬粘附在金属部件的配合面上；(2)可以完成相同结果的方法，该方法包括步骤制成一种含孔的陶瓷材料衬；用预陶瓷化聚合物树脂填充该孔；在可以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度时间内烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬；将衬放置在制备金属部件的模具中，并且使衬的配合面面向将要由制成部件的金属占据的模具部分；用熔融的金属填充模具以形成具有完整的、现场浇注的、陶瓷镶嵌物的部件；和(3)制成纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)部件和衬的方法，该方法包括步骤由在纤维增强陶瓷基复合材料中可以使用的类纤维体系中的纤维(在下文中可交换地使用术语增强纤维)制成部件形状的预制件；将该预制件放置在部件形状的模具的空腔中；迫使液体状的聚合物衍生的陶瓷树脂通过空腔以填充该空腔和浸透预制件；在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将被液体状的聚合物衍生陶瓷树脂浸透的预制件转化为聚合物复合材料部件的温度和时间下加热模具；从模具中取出聚合物复合材料部件；并且，在惰性气氛下，在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将聚合物衍生陶瓷树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料部件转化为纤维增强的陶瓷基复合材料部件。
由于各种不同的理由，例如为了减少由燃料的更完全燃烧产生的释放的污染物而改善燃烧效率和降低燃料空气比(例如稀混合气发动机)，已经提高了机动车和其它内燃机的操作温度。相应地，这里也存在保护承受这些高温的金属部件的需求。在现有技术中证明成功的显著的方法是给金属部件加陶瓷衬。因此，例如，在现有技术中已知存在具有单片陶瓷衬12的排气歧管10，如附

图1中所描述，以及存在具有陶瓷衬12的动力头14(power head)，如附图2所描述。
参照附图可以更好的理解这种现有技术中的方法所存在的问题。正如在放大的附图中所看到的一样，在现有技术中使用的衬12的单片陶瓷材料是具有许多孔16的多孔材料。因此，现有技术中的衬12是相当易碎的，具有极小的抗腐蚀性，并且如果部件跌落、碰撞或者承受巨大的外力，那么衬12容易破碎。如果动力头14的衬12破碎并且碎片掉入运转的发动机内部，那么发动机汽缸的内部将很可能被来回振动的坚硬陶瓷边擦伤。对于动力头14和排气歧管10这二者，陶瓷衬的任何裂缝或破损将最终导致损伤或破坏未保护的底层金属。贯穿排气歧管10或贯穿动力头14的开裂一般需要全部更换部件。
同样，根据现有技术，使用单片陶瓷材料给部件加衬是一种复杂的、昂贵的和耗时的步骤。
因此，本发明的目的是提供一种用于机动车内燃机部件或类似物的陶瓷衬，其中使该衬坚固以抗破损和耐腐蚀。
本发明的另一目的是提供一种将陶瓷衬用于机动车内燃机部件或类似物的方法，该方法是简单的、花费不多的并且可以快速安装以便不影响机动车部件的高效生产进度。
本发明的又一目的是提供一种将陶瓷衬用于机动车内燃机部件或类似物的方法，其中将衬浇注在部件中作为模制工序的一部分。
本发明的目的还在于提供一种在镶衬的机动车内燃机部件中使用的纤维增强陶瓷基复合材料预制件的生产方法和机动车内燃机部件的制备方法。
当结合说明书后面的附图阅读下面的说明书时，本发明的其他目的和优点将会更清楚。
在本发明的第一方面中上述目的是通过制成一种具有抗磨损陶瓷衬的金属部件的方法实现的，该方法包括步骤制成一种具有用于安装陶瓷衬的配合面的金属部件；制成一种含孔的陶瓷材料衬；用预陶瓷化聚合物树脂填充该孔；在可以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间(由树脂的制造商规定)下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬；并且，将该陶瓷衬粘结在金属部件的配合面上。
在一种实施方案中，制成含孔陶瓷材料衬的步骤包括将廉价的可浇注的胶凝料浆倒入衬形状的模具中，在可以使料浆转化为可处理的预陶瓷化制件的温度和时间下烧制该成形的料浆材料，从模具中取出预陶瓷化制件，在可以使预陶瓷化制件转化为含有通过排气产生的孔的陶瓷件的温度和时间下烧制预陶瓷化制件。并且，使用聚合物衍生的陶瓷树脂填充该孔的步骤包括将衬放置在含液体状预陶瓷化聚合物树脂的浴中直至孔被树脂充满。优选地，树脂是硅羧酸树脂(由Allied Signal出售，商品名为Blackglas)。
在第二种实施方案中，制成含孔陶瓷材料衬的步骤包括将纤维预制件放置在衬形状的模具中以占据模具体积的30～60％，迫使液体状的预陶瓷化聚合物树脂流过预制件以使液体预陶瓷化聚合物树脂填充模具的剩余体积，在可以使其转化为可处理的预陶瓷化制件的温度和时间下烧制模具，从模具中取出预陶瓷化制件，在可以使液态预制聚合物树脂转化为含有通过排气产生的孔的陶瓷基复合材料部件的温度和时间下烧制预陶瓷化制件。优选地，液体预陶瓷化聚合物树脂是硅羧酸树脂例如Blackglas。
在本发明的第二方面中上述目的也可以通过制成具有抗磨损陶瓷衬的金属部件的方法来实现，该方法包括步骤制成一种含孔的陶瓷材料衬；用预陶瓷化聚合物树脂填充该孔；在可以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间(由树脂的制造商规定)下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬；将衬放置在制备金属部件的模具中，并且使衬的配合面面向将要由制成部件的金属占据的模具部分；用熔融的金属填充模具以制成部件。
正如第一方面的情况一样，制成含孔的陶瓷材料衬的步骤包括上述的二种方法之一。并且，使用聚合物衍生的陶瓷树脂填充孔的步骤还包括将衬放置在含液态预陶瓷化聚合物树脂的浴中直至孔被树脂充满；在树脂可以在孔内转化为陶瓷的温度和时间下烧制预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬。
在所有的通过排气产生的孔被填充的情况下，优选重复几次填充孔和再加热步骤以便实际上完全从最终产品中除去孔。
在本发明的另一方面，公开了制备纤维增强陶瓷基复合材料机动车部件的方法，该方法包括步骤由在纤维增强陶瓷基复合材料中可以使用的类纤维体系中的纤维制成部件形状的预制件；将该预制件放置在部件形状的模具的空腔中；迫使液体状的聚合物衍生的陶瓷树脂通过空腔以填充该空腔和浸透预制件；在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将被液体状的聚合物衍生陶瓷树脂浸透的预制件转化为聚合物复合材料部件的温度和时间下加热模具；从模具中取出聚合物复合材料部件；并且，在惰性气氛下，在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将聚合物衍生陶瓷树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料部件转化为纤维增强的陶瓷基复合材料部件。
优选地，该方法同样包括步骤将含有在烧制期间通过排气产生的孔的纤维增强陶瓷基复合材料部件浸没在液态聚合物衍生陶瓷树脂浴中以便使液态聚合物衍生陶瓷树脂填充孔；在惰性气氛下，在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将聚合物衍生陶瓷树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制纤维增强陶瓷基复合材料部件；并且，重复该过程直至在最终纤维增强陶瓷基复合材料部件中孔密度小于预定的给该部件提供最大强度的百分比。
该优选的方法同样适合于制备中空部件例如发动机歧管，所采用的步骤包括由在纤维增强陶瓷基质复合材料中可以使用的类纤维体系中的纤维制成形状为歧管下部的第一预制件；将第一预制件放置在形状为歧管下部的第一模具的空腔中；迫使液体状的聚合物衍生的陶瓷树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第一预制件；在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将被液体状的聚合物衍生陶瓷树脂浸透的第一预制件转化为第一聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第一模具；从模具中取出第一聚合物复合材料部件；由类纤维体系中的纤维制成形状为歧管上部的第二预制件；将第二预制件放置在形状为歧管上部的第二模具的空腔中；迫使液体状的聚合物衍生的陶瓷树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第二预制件；在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将被液体状的聚合物衍生陶瓷树脂浸透的第二预制件转化为第二聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第二模具；从模具中取出第二聚合物复合材料部件；沿着配合边将第一聚合物复合材料部件和第二聚合物复合材料部件配合在一起以形成作为中空的管状部件的歧管；并且，在惰性气氛下，在与聚合物衍生的陶瓷树脂有关的可以将聚合物衍生陶瓷树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料歧管转化为纤维增强的陶瓷基复合材料歧管，并且上部和下部沿着配合边熔合在一起。
通过排气产生的孔优选以上述方式被堵塞以便使所得到的歧管具有最大强度并且堵塞任何沿着配合边存在的裂缝。
如果该歧管是一种内部将填充泡沫陶瓷催化剂基体结构的排气歧管，那么该过程和所需要的工具可以大大简化，其措施是在将第二预制件放置在形状为歧管上部的第二模具的空腔中之前附加地包括步骤放置第一预制件作为第二模具确定空腔壁的一部分；并且将泡沫陶瓷催化剂基质结构放置在第一预制件中，从而第一预制件和泡沫陶瓷催化剂基质结构相结合形成第二壁的空腔部分。
附图1是现有技术中衬有单片陶瓷的机动车排气歧管的简化剖面图。
附图2是现有技术中的衬有单片陶瓷的机动车动力头的简化剖面图。
附图3是在附图1和2的现有技术中使用的单片陶瓷材料的放大的简化图，并且描绘出其中包含的孔。
附图4是根据本发明的第一种方法，在制备衬有陶瓷的机动车部件中第一步骤的简化剖面图。
附图5是根据本发明在制备衬有陶瓷的机动车部件中第二步骤的简化剖面图。
附图6是根据本发明在制备衬有陶瓷的机动车部件中第三步骤的简化剖面图。
附图7是根据本发明的第二种方法，在制备衬有陶瓷的机动车部件中第三步骤的简化剖面图。
附图8是根据本发明的第二种方法，在制备衬有陶瓷的机动车部件中第四步骤的简化剖面图。
附图9是在优选方法中实施本发明中所使用的纤维增强陶瓷基复合材料预制件的基本制备步骤的原理框图。
附图10是在本发明的优选实施方案中附加的步骤的原理框图。
附图11是在本发明的优选实施方案中用于制备纤维增强陶瓷基复合材料预制件汽缸套筒的模具的详细剖面图。
附图12是在本发明的优选实施方案中用于制备纤维增强陶瓷基复合材料预制件活塞的模具的详细剖面图。
附图13是在本发明的优选实施方案中用于制备纤维增强陶瓷基复合材料预制件汽缸盖衬的模具的详细剖面图。
附图14是在本发明的优选实施方案中用于制备半个纤维增强陶瓷基复合材料歧管的模具的详细剖面图。
附图15是在本发明的优选实施方案中用于制备相配合的另外半个纤维增强陶瓷基复合材料歧管的模具的详细剖面图。
附图16是一种简化的剖面图，用于说明在附图14和15中制备的二个半个歧管在烧制期间是如何连接和熔合在一起的。
附图17是在本发明的优选实施方案中，当第一半和泡沫陶瓷核作为模具的一部分使用以减少所需工具时，用于制备相配合的另外半个纤维增强陶瓷基复合材料歧管的模具的简化剖面图。
根据本发明的一方面，如上面所描述的一般现有技术中通过将陶瓷衬做成聚合物衍生的陶瓷基质复合(CMC)材料以使其坚固来防止破损。在常规的聚合物衍生的CMC中，类纤维体系完全分布在整个预陶瓷化聚合物树脂中。然后，为了将树脂转化为陶瓷材料，在材料提供商建议的温度和时间下烧制该混合物，从而制成纤维增强陶瓷基复合(FRCMC)材料的部件。在本发明的这一方面，强度低、多孔的陶瓷材料以下述方式代替了纤维体系。
使用陶瓷给金属部件加衬的一种工艺是，制备一种具有配合面20的形状与附图4中描述的金属部件吻合的模具18。在模制之后，然后将所得到的衬12装配到金属部件的指定位置上，并且通过机械固定或使用商业上可得到的高温粘结剂或类似物粘结使其就位。为了采用本发明的这种方法，正如附图4所描述的一样，以常规的方式使用一种胶凝料浆材料例如商业上由AREMCO以商品名Ceramacast出售的材料(但并不限于此)浇注衬12。以常规的方式按照制造商的建议烧制浇注的衬12以成型低强度的陶瓷衬12’。根据本发明，然后将陶瓷衬12’浸没在含一种预陶瓷化聚合物树脂24的容器22中。优选的树脂24是一种预陶瓷化聚合物树脂，硅羧酸树脂(由Allied Signal出售，商品名为Blaclglas)。Blackglas树脂的粘度大体上等于水。因此，它容易渗透并充满孔16。许多液态树脂材料的粘度更象蜂蜜。这样的树脂是不能充满孔16的，因此，将不能实现本发明的目的。当树脂24已经充满陶瓷衬12’的孔16时，再次在树脂的制造商指定的使树脂24在孔16中转化为陶瓷的时间和温度下烧制衬12’，从而得到CMC衬12”。然后正如附图6中所描述的一样，将CMC衬12”与其配合部件26相粘结。
在附图7和8所描述的另一种方法中，工艺被大大地简化，并且通过将金属部件直接浇注到预先存在的坚硬CMC衬12’上或其周围使得到的衬12”和其相关的部件26之间的界面加固。如附图4一样首先浇注衬12。就附图5而论，在烧制衬12以形成衬12’，使用树脂24填充孔16和烧制衬12’以产生CMC衬12”的步骤后，如附图7描述的一样，将CMC衬12”放置在适合于浇注用于部件26的金属32的模具中30并且面向将被金属占据的模具30空间。然后，正如附图8所描述的一样使用熔融的金属32填充模具30以形成具有衬12”的部件26，其中当金属32冷却和硬化时该衬12”牢固地固定在金属32中的适当位置。因为衬12”是一种坚硬的CMC，所以它可以承受金属模制工序中的温度而不会因此被损坏。
因为已经描述一种用于改进陶瓷机动车部件衬的强度和用于直接将衬浇注入金属机动车部件中的替代方法，所以现在详细描述根据本发明优选实施方案的一种用于制成陶瓷基复合材料机动车部件或用于该部件的衬的优选树脂压铸(RTM)方法和设备。附图9描述了基本的RTM方法步骤的原理框图。
第一步是由将使用的类纤维体系制成一种具有一定形状的预制件。然后将其插入预制件的模具中并密封模具。在优选的方法中，类纤维体系占模具内部体积的30至约60％。作为另一种但不是优选的方法，可以使用类纤维碎片填充模具至相同的体积填充密度。然后迫使预陶瓷化聚合物树脂流过纤维以填充模具其余的内部体积。优选的树脂是前面所描述的预陶瓷化树脂、由Allied Signal以商品名Blackglas出售的硅羧酸树脂。这是因为其低的粘度从而可以使其被迫使着流过并浸透高体积密度的类纤维预制件。纤维越致密，部件将更坚固。因此，为了使用较高粘度的树脂，纤维的填充密度将不得不被大大地降低，从而导致部件强度的相应降低。
然后，将被树脂浸渍的模具内的预制件加热至一定的程度并保持一定的时间以便足以使浸透纤维预制件的树脂聚合。预制件象陶瓷中的素瓷器一样，所以到当时为止它并不具有全部的强度，但是可以进行处理。从模具中取出聚合物预制件，然后在树脂的制造商规定的温度和时间下烧制以便使聚合物陶瓷化。因此制成其中纤维含量优选是约50～60体积％的以其基本形式存在的陶瓷基复合材料部件和衬。
将聚合物转变为陶瓷的烧制工序由于在烧制工序中发生的排气而引起孔的产生。所产生的陶瓷部件具有约70％的固体和30％通过排气产生的孔。在这点上，非常类似于以前用于线机动车部件的单片陶瓷。当然，因为高的纤维含量，纤维增强的陶瓷基复合材料部件比单片陶瓷更坚固。然而，可以采取相同的技术制备甚至更坚固的部件。根据本发明优选的实施方案，正如附图10中所描述的一样，这正是所要作的。将陶瓷预制件浸渍在液态的Blackglas树脂中(或等同物中)。似水一样的粘度可以使树脂填充部件中30％的孔。然后在树脂的制造商规定的温度和时间下再次烧制部件。这可以使30％孔中的树脂转化为陶瓷。但是，该烧制工序造成该30％体积中的30％被排出气体。所以，将部件再次浸渍在液态树脂中并进行第三次烧制。可以重复该工序直至孔的除去达到所希望的水平。所得到的部件具有约95～98％的陶瓷和纤维，值得一提的是无排气产生的孔。因此，它具有最大的强度。
根据上述方法制备纤维增强陶瓷基复合材料汽缸套筒的RTM模具34被描述在附图11中。模具34包括确定模具底部和圆柱中心的基座/心轴刀具部分(base/mandrel tool portion)36。二个半圆柱体状的半边部分38与基座/心轴刀具部分36一起限定套筒模具的内部体积。上盖刀具(tool)40关闭和密封模具。套筒纤维预制件42在基座/心轴刀具部分36的圆柱中心上滑动。二个半边部分38围绕着预制件42布置并且使上盖刀具40放置在适当的位置。然后通过贯穿螺栓44和螺母46将整个模具34固定在一起。
由预制件42占据的模具内部体积通过一系列的进料孔48与50处的树脂储存槽连接。上盖刀具40具有一系列将模具的内部体积与54处的真空源连接在一起的排放孔52。因为树脂的稠度象水一样，所以必须通过O型环56防止构件之间的内部泄漏。
在模具34被关闭和密封以及预制件42就位时，启动真空源54以产生真空，并且打开通向树脂储存槽50的通道。在加压下，迫使树脂58流入模具34中并且由于固定压力和来自于真空源54的真空使树脂流过预制件42直至预制件完全被树脂58浸透。然后，加热整个模具34以聚合树脂58。然后，通过逆着进行上述步骤拆开模具34以模具34中取出聚合的预制件42。
附图12描述了一种用于根据RTM方法制备全陶瓷复合基质材料的活塞的模具34’。预制件42’是一种具有圆柱形侧壁和封闭顶部的活塞形预制件。正如所示的一样基座/心轴刀具部分36有一个改进的中心部分，其适合活塞预制件42’的内部形状。不同之处是，模具34’和其使用方式与上述附图11中的模具34的一样。
对于一般的平面物体例如用于汽缸盖的衬，可以使用附图13中描述的模具34’。在这种情况下，心轴部分是不需要的。因此，模具34’包括基座刀具部分36’和上盖刀具部分40’。同样，为了充分地浸透预制件42’可以需要更多的孔48和52。
可以根据本发明相同的RTM方法制备一种完全封闭的管道类部件例如歧管。制备这样的部件的几个方面描述在附图14～17中。在附图14和15中，我们看到分别用于制备半个歧管的二个模具34”’。按照上述方法，附图14的模具34”’制备歧管的上半部和附图15的模具34”’制备歧管的下半部。然后正如附图16所描述的一样将二个聚合的半个预制件42”’咬合在一起。当烧制它们以使树脂陶瓷化时，二条竖缝熔合在一起从而使二个预制件42结合成单个的陶瓷部件。
在排气歧管结合到泡沫陶瓷60作为催化剂基体的情况下，成形的泡沫和下半个预制件42”’一起可以作为模具34”’的一部分使用从而大大简化了模具盖40”的加工和安装工序。
已经从一般意义上描述了本发明，现在将描述三种由本发明的发明人制造和试验的部件的具体实施例。
实施例1FRCMC汽缸套筒的制造
1、制造或购买一种由纤维例如矾土、Altex、Nextel312、Nextel440、Nextel510、Nextel550、氮化硅、碳化硅、HPZ、石墨、碳或泥煤(但并不限于这些)制成的具有所要求尺寸的圆柱状预制件(有许多U.S.的卖主，他们编织纤维预制件用于复合材料)。应该这样制造该预制件以便其在模具工具中负荷时，它可以占据封闭工具中敞开体积(openvolume)的30～60％。在该实施例中，预制件是由发明人手工制造的。
2、然后，正如工业上最佳操作一样，预制件具有一个涂覆在其上的纤维界面涂层。该申请的受让人Northrop Corporation目前有许多关于界面涂层应用的专利，包括美国专利5,034,181，其题目是用于制造预制件方法和设备(APPARATUS FOR METHOD OF MANUFACTURINGPREFORMS)；美国专利5,110,771，其题目是METHOD OFFORMING A PRECRACKED FIBER COATING FOR TOUGHENINGCERAMIC FIBER-MATRIIX COMPOSITES[形成用于增韧陶瓷纤维基复合材料的预开裂纤维涂层的方法]；美国专利5,275,984，其题目是FIBER COATING OF UNBONDED MULTI-LAYERS FORTOUGHENING CERAMIC MATRIX COMPOSITES[用于增韧陶瓷纤维基复合材料的未粘结多层的纤维涂层]；美国专利5,162,271，其题目是METHOD OF FORMING A DUCTILE FIBER COATING FORTOUGHENING NON-OXIDE CERAMIC MATRIX COMPOSITES[形成用于增韧非氧化物陶瓷基复合材料的柔韧纤维涂的方法]；和美国专利5,221,578，其题目是WEAK FRANGIBLE FIBER COATING WITHUNFILLED PORES FOR TOUGHENING CERAMIC FIBER-MATRIXCOMPOSITES[用于增韧陶瓷纤维基复合材料的有未填充孔的弱松散纤维涂层]，在此引入他们的内容以供参考。同样，Allied Signal或Synterials是将提供界面涂层作为采购服务的商业公司。在该实施例中，本发明的发明人与在上述参考的待审查申请中描述的一样使用界面涂层。
3、然后，将圆柱形预制件放置在刀具的心轴部位，并围绕着它关闭和密封模具。应该注意到在一些情况下例如具有高纤维体积的预制件，需要使用液压机等来关闭模具。
4、模具中的低进料孔应该通过带阀门的挠性管路与含Blackglas树脂的容器连接。上通气孔通过带阀门的挠性透明管路与真空源连接。开始时打开这二个阀门以使树脂被模具吸收。
5、给含Blackglas树脂的容器施加15PSI以上即大气压以上的压力以产生迫使树脂通过模具的正压。当树脂流过模具并且在真空存在侧的管路中无空气气泡存在时，关闭二个阀门。
6、然后，按照下面的循环加热具有封闭的预制件和树脂混合物的模具A)以2.7°/分钟的速率从室温上升到150°FB)在150°F下保持30分钟C)以1.7°/分钟的速率上升至300°FD)在300°F下保持60分钟E)以1.2°/分钟的速率冷却直至温度低于部件的脱模温度140°F。
应该注意到这里存在各种不同的加热循环定义，他们将产生可使用的产品，并且上文仅仅作为例子而无排他性。
7、在模具冷却时，拆开模具并且从模具中取出聚合物复合材料部件以进行高温分解。
注意前面的7个步骤等同于制备聚合物复合材料部件的树脂压铸(RTM)方法。其他的可用于生产相同部件的方法是手铺法、拉出成形法、长丝缠绕法、丝束堆放法(Toe placement)、短纤维注入法。所有的适用的聚合物复合材料制备技术将包括在本发明和其后所附权利要求的范围和宗旨中。这里本发明人没有要求保护这些各种不同的技术，而仅仅是描述和要求保护所有的对这些发明人和这种应用是新颍的方法。
8、然后，加热分解聚合物复合材料构件。在这点上，需要制造可以承受1900°F的可密封容器例如不锈钢盒用于在标准炉中进行热解循环。在另一可采用的方案中，如果需要可以使用惰性气体炉。该盒子应该具有二个管道接头，一个在底部和一个在顶部以允许惰性气体充满盒子。在该实施例中，将套筒放置在盒子中，盒子放置在标准炉中，将不锈钢管道与盒子上的下接头连接并供给高纯度的氩气。当然可以使用任何等效的惰性气体。在整个加热循环中使氩气以5～10SCFH的速度流入盒子中并从上排气孔排出，因此，确保套筒完全沐浴在氩气环境中。关闭炉子并如下煅烧
A)以223°/小时的速率上升到300°FB)以43°/小时的速率上升到900°FC)以20°/小时的速率上升至1400°FD)以50°/小时的速率上升至1600°FE)在1600°F下保持4小时F)以-125°/小时的速率上升至77°F此外，还有各种各样的不同于实施例给出的这种加热方式，它们将制成可使用的制品。
9、当冷却时，从炉和盒子中取出套筒，并浸渍在Blackglas树脂浴中达足够长的时间以便从套筒中除去所有的空气(一般5分钟或更多)。该步骤中也可以采用真空浸渍步骤。
10、重复步骤8。
11、重复步骤9。
12、重复步骤8。
13、重复步骤9。
14、重复步骤8。
15、重复步骤9。
16、重复步骤8。
17、现在准备进行套筒的磨损涂层涂覆前的切削。珩磨(建议使用商业级金刚石切削刀)套筒以使内径为0.004～0.070”，该尺寸大于完工套筒孔尺寸。如果打算将套筒用在2冲程发动机上，那么这时应该使用常规的切割操作(建议使用商业级金刚石涂层铣刀(coated milling tool))切割出进气口和排气口。当完成切割步骤时，应该使用金刚砂纸打磨掉套筒内表面上的所有锐边。
18、然后，将套筒放置在炉中，其中温度和所放置的时间应该足以保证在切削加工中所使用的任何切削润滑液“烧尽”(一般是2小时，@700°F，但是取决于润滑液)。
19、现在准备套筒进行磨损涂层的涂覆，与＿＿申请的题目是“减少相互活动的由结构用纤维增强陶瓷基复合材料制备的汽车发动机部件的磨损”待审申请＿＿＿＿中所述一样。在使用耐磨损的涂层涂覆套筒表面的第一实施例中，使用一种纤维的机织或无纺布毡。在该实施方案中，使用能紧紧粘结在FRCMC结构磨损表面上的耐腐蚀涂层覆盖结构用纤维增强陶瓷基复合材料构件的接触表面。出于该目的，耐腐蚀涂层优选包括莫来石(也就是硅酸铝Al2Si4)、矾土(即三氧化二铝)或等效材料，它们可以根据本领域普通技术人员已知的技术通过等离子喷涂进行涂覆。
如下涂覆耐腐蚀的涂层。在耐腐蚀涂层涂覆之前，切削出所有的用于火花塞、阀门、活塞销等的孔。对于该目的建议使用商业级金刚石切割机。在这点上，后面所描述的任何其他切削机都可以。在切削加工完成后，使用金刚砂纸敲掉部件表面上所有锋利的边缘(若有的话)。
如果部件已经被切削，那么将其放置在炉中，其中温度和所放置的时间应该足以保证在切削加工中所使用的任何切削润滑液“烧尽”(一般是2小时，A700°F，但是取决于润滑液)。
关键是使耐腐蚀的涂层粘结到FRCMC结构上。如果不恰当地制备FRCMC结构的表面，那么耐腐蚀涂层易剥离并且不能提供长期的保护。在优选的方法中，轻微地喷砂处理FRCMC结构的表面以在FRCMC结构的陶瓷基中形成小的麻点。同样可以认为轻微的喷砂处理可以在类纤维体系中的可以插入耐腐蚀涂层中并与之粘结的暴露纤维上暴露出毛状物或须状物。已经成功证明的典型喷砂处理是100磨料@20PSI。
根据第二种可能的方法，FRCMC结构的表面可以具有一系列类似于螺母或螺栓细线的薄的、浅的、间隔规则的切槽，耐腐蚀的涂层机械地固定在切槽中。基本上，划伤表面以得到粗糙的表面而不是光滑的表面。切槽的深度、宽度和间隔不是关键的，可以根据每个部件或构件确定而无需大量的试验。一般，切槽的间隔应该尽可能的小以便使具有一种使耐腐蚀的涂层失去粘结性并剥离的潜能的表面的任何大的光滑面积降至最小。因此，除上切槽需要使用附加的磨损材料以便在最后打磨之后得到一种光滑的磨损表面之外，上切槽将优于下切槽。切槽应该浅以便对耐腐蚀涂层提供一种机械固定面积而不会将下垫的FRCMC结构的结构强度降低很大程度。
在表面制备之后，通过使用清洁的干燥压缩空气清洁部件，然后将部件固定在合适的夹紧装置中用于等离子喷涂加工。在耐腐蚀涂层涂覆期间，使用直接鼓风机冷却部件的背面。
然后以设置为5克/分钟或更高的沉积速度涂覆需等离子喷涂的耐腐蚀涂层。设置夹紧装置的速度、等离子枪移过表面的移动速度和喷涂的宽度以得到具有50％重叠的风暴极点(barber pole)状喷涂图案。相对于喷涂表面将喷涂枪固定在0.1～3英寸之外。用于该方法的颗粒尺寸是170～400目。使用足够的材料以便可以进行精加工。
在耐腐蚀的涂层涂覆之后，用金刚砂纸或合适的成形工具(建议使用商业级金刚石工具)将涂覆的表面弄平以得到最终的表面外形。
在另一实施方案中，在制成改进耐腐蚀性构件之前，可以将粉状的耐腐蚀材料分散在基质材料(例如树脂)中。此外，可以涂覆要等离子喷涂的涂层，然后可以用预陶瓷化聚合物树脂进一步渗透已粘结了耐腐蚀涂层的部件，然后将该部件转化为陶瓷状态。结果是通过使涂层混到由一种通过普通的陶瓷基质完全粘结在一起的FRCMC和一种陶瓷基质增强单片式磨损涂层的结合体制成的混合或结合的陶瓷基复合材料中从而得到一种额外坚韧的涂层。使用磨料和压力喷砂处理套筒以便足以除去任何松散的基质材料和暴露出CMC中的纤维。(一般100磨料@20PSI)。
20、然后，通过使用清洁的干燥压缩空气清洁套筒。
21、然后，将套筒放置在可以使套筒围绕着其中心线转动的转动台式夹具中以便进行等离子喷涂工序。
22、使用直接鼓风机冷却套筒的外侧，同时使通过任何气孔排出的空气降至最低。
23、然后以设置为5克/分钟或更高的沉积速度涂覆需等离子喷涂的耐腐蚀涂层。设置夹紧装置的速度、等离子枪的轴向移动速度(套筒的内和外)和喷涂的宽度以得到具有50％重叠的风暴极点(barber pole)状喷涂图案。相对于喷涂表面将喷涂枪固定在0.1～3英寸之外。用于该方法的颗粒尺寸是170～400目。使用足够的材料以便得到孔尺寸过小的构件。
24、在涂覆耐腐蚀涂层之后，珩磨(建议使用商业级的金刚石刀具)套筒以得到最终的套筒孔。此时，准备将套筒安装入发动机机组中。
实施例2FRCMC活塞的制备1、按照与实施例1中汽缸套筒的步骤1～16相同的方法用RTM制成CMC活塞。
2、现在准备进行构件的磨损涂层涂覆前的切削。珩磨(建议使用商业级金刚石切削刀)活塞以使外径为0.004～0.070”，该尺寸小于完工活塞的外径。当完成切削步骤时，应该使用金刚砂纸打磨掉活塞表面上所有锐边。
3、然后，将活塞放置在炉中，其中温度和所放置的时间应该足以保证在切削加工中所使用的任何切削润滑液“烧尽”(一般是2小时，A700°F，但是取决于润滑液)。
4、现在准备进行活塞的耐磨损涂层的涂覆，大体上与实施例1中描述的一样，只是对于套筒将磨损涂层涂覆在其内表面，即与活塞滑动接触的表面，而对于活塞将磨损涂层涂覆在其外表面，即与套筒滑动接触的表面。使用磨料和压力喷砂处理活塞的外表面以便足以除去任何松散的基质材料和暴露出CMC中的纤维。(一般100磨料@20PSI)。
5、然后，通过使用清洁的干燥压缩空气清洁活塞。
6、然后，将活塞放置在转动台式夹具中以便进行等离子喷涂工序。
7、使用直接鼓风机冷却活塞的内侧。
8、然后以设置为5克/分钟或更高的沉积速度涂覆需等离子喷涂的耐腐蚀涂层。设置夹紧装置的速度、等离子枪的轴向移动速度(活塞的上和下)和喷涂的宽度以得到具有50％重叠的风暴极点状喷涂图案。相对于喷涂表面将喷涂枪固定在0.1～3英寸之外。用于该方法的颗粒尺寸是170～400目。涂覆活塞的裙边和顶部这二者。使用足够的材料以便得到尺寸过大的活塞外径。
9、在涂覆耐磨损涂层之后，珩磨(建议使用商业级的金刚石刀具)活塞以得到最终的活塞外径，使用金刚石砂轮切割环槽，和任何根据活塞设计而变化的附加的切割要求。此时，准备将完成的活塞安装入发动机中。实施例3FRCMC汽缸头/汽缸头衬的制备1、按照与实施例1中汽缸套筒的步骤1～16相同的方法用RTM制成CMC汽缸头衬和CMC汽缸头。
2、现在准备进行构件的磨损涂层涂覆前的切削。此时，在磨损涂层涂覆之前，切削出(建议使用商业级金刚石切削刀)所有的孔(火花塞、阀门等)。当完成切削步骤时，应该使用金刚砂纸打磨掉汽缸头/汽缸头衬表面上所有锐边。
3、然后，将汽缸头/汽缸头衬放置在炉中，其中温度和所放置的时间应该足以保证在切削加工中所使用的任何切削润滑液“烧尽”(一般是2小时，A700°F，但是取决于润滑液)。
4、使用磨料和压力喷砂处理汽缸头/汽缸头衬的燃烧室侧以便足以除去任何松散的基质处理和暴露出CMC中的纤维。(一般100磨料@20PSI)。
5、然后，通过使用清洁的干燥压缩空气清洁汽缸头/汽缸头衬。
6、然后，将汽缸头/汽缸头衬放置在夹紧装置中以便进行等离子喷涂工序。
7、使用直接鼓风机冷却汽缸头/汽缸头衬的非燃烧室侧。
8、然后以设置为5克/分钟或更高的沉积速度涂覆需等离子喷涂的耐腐蚀涂层。设置夹紧装置的横向速度、等离子枪的垂直移动速度(表面的上和下)和喷涂的宽度以得到具有50％重叠的风暴极点状喷涂图案。相对于喷涂表面将喷涂枪固定在0.1～3英寸之外。用于该方法的颗粒尺寸是170～400目。涂覆足够的材料以便进行精加工。
9、在涂覆磨损涂层之后，使用金刚石砂纸和合适的成形工具修平汽缸头/汽缸头衬燃烧室表面(建议使用商业级金刚石刀具)以得到最终的内径。在汽缸头的情况下，此时也将汽缸头的整体配合面切削平并准备投入使用。
10、在汽缸头衬的情况下，将该部件固定在其金属接合面中。当然，也可以将它浇注入金属接合面中。在与其接合面装配之后，也将汽缸头衬的整体配合面切削平。然后准备将衬有陶瓷的金属汽缸头投入使用。
权利要求
1.用于一种部件的耐磨损和耐腐蚀陶瓷衬的制备方法，其包括步骤a)制成一种含孔的可浇注单片陶瓷材料衬；b)用预陶瓷化聚合物树脂填充孔；c)在足以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬，从而制成增强的陶瓷复合体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的制备含孔陶瓷材料衬的步骤包括a)将胶凝陶瓷材料料浆注入到模具中；和b)在足以使料浆材料烧结为多孔陶瓷衬的时间和温度下烧制料浆材料。
3.根据权利要求1的方法，其中所述的用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含液态预陶瓷化聚合物树脂的容器中直至树脂浸透孔，其中该树脂的粘度大体上等于水。
4.根据权利要求1的方法，其中所述的使用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含硅羧酸树脂的浴中。
5.一种具有耐磨损和耐腐蚀陶瓷衬的金属部件的制备方法，其包括步骤a)制成一种具有用于安装陶瓷衬的配合面的金属部件；b)制成一种含孔的可浇注单片陶瓷材料衬；c)用预陶瓷化聚合物树脂填充孔；d)在足以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬，从而制成增强的陶瓷复合体；和e)将该陶瓷衬粘结在金属部件的配合面上。
6.根据权利要求5的方法，其中所述的制备含孔陶瓷材料衬的步骤包括a)将胶凝陶瓷材料料浆注入到模具中；和b)在足以使料浆材料烧结为多孔陶瓷衬的时间和温度下烧制料浆材料。
7.根据权利要求5的方法，其中所述的使用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含液态预陶瓷化聚合物树脂的容器中直至树脂浸透孔，其中该树脂的粘度大体上等于水。
8.根据权利要求5的方法，其中所述的使用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含硅羧酸树脂的容器中。
9.一种具有耐磨损陶瓷衬的金属部件的制备方法，其包括步骤a)制成一种含孔的可浇注单片陶瓷材料衬；b)用预陶瓷化聚合物树脂填充孔；c)在足以使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬，从而制成增强的陶瓷复合体；d)将衬放置在制备金属部件的模具中，并且使衬的配合面面向将要由制成部件的金属占据的模具部分；和e)用熔融的金属填充模具以制成与衬结合在一起的部件。
10.根据权利要求9的方法，其中所述的制备含孔陶瓷材料衬的步骤包括a)将胶凝陶瓷材料料浆注入到模具中；和b)在足以使料浆材料烧结为多孔陶瓷衬的时间和温度下烧制料浆材料。
11.根据权利要求9的方法，其中所述的使用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含液态预陶瓷化聚合物树脂的浴中直至树脂浸透孔，其中该树脂的粘度大体上等于水。
12.根据权利要求9的方法，其中所述的使用预陶瓷化聚合物树脂填充孔的步骤包括将衬放置在含硅羧酸树脂的浴中。
13.一种用于内燃机的、耐热、耐腐蚀、无裂缝、具有陶瓷衬的排气歧管，其包括a)限定具有内壁的废气流通管道的金属歧管；和b所述管道的所述内壁衬有含孔的陶瓷材料衬，其中所述的孔含处于陶瓷状态的预陶瓷化聚合物树脂。
14.根据权利要求13的耐热、耐腐蚀、无裂缝、具有陶瓷衬的排气歧管，其中所述的预陶瓷化聚合物树脂包括处于陶瓷状态的硅羧酸树脂。
15.一种用于内燃机的、耐热、耐腐蚀、无裂缝、具有陶瓷衬的动力头，其包括a)具有面向汽缸的表面的金属动力头；和b)所述动力头的所述面向汽缸的表面衬有含孔的陶瓷材料，其中所述的孔含处于陶瓷状态的预陶瓷化聚合物树脂。
16.根据权利要求15的耐热、耐腐蚀、无裂缝、具有陶瓷衬的动力头，其中所述的预陶瓷化聚合物树脂包括处于陶瓷状态的硅羧酸树脂。
17.一种纤维增强陶瓷基复合材料机动车部件，其由下列步骤得到a)由可以在纤维增强陶瓷基质复合材料中使用的增强纤维制成部件形状的纤维预制件；b)将该预制件放置在具有部件形状的模具的空腔中；c)迫使液态预陶瓷化聚合物树脂通过空腔以填充该空腔和浸透预制件；d)在可以将被液态预陶瓷化聚合物树脂浸透的预制件转化为聚合物复合材料部件的温度和时间下加热模具；e)从模具中取出聚合物复合材料部件；并且f)在惰性气氛下，在可以将预陶瓷化聚合物树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料部件转化为纤维增强的陶瓷基复合材料部件。
18根据权利要求17的机动车部件，其中在步骤(f)之后附加地包括步骤g)将含有在烧制期间通过排气产生的孔的纤维增强陶瓷基复合材料部件浸没在液态预陶瓷化聚合物树脂浴中以便使液态预陶瓷化聚合物树脂填充孔；h)在惰性气氛下，在可以将预陶瓷化聚合物树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制纤维增强陶瓷基复合材料部件；并且i)重复步骤(g)和(h)直至在最终纤维增强陶瓷基复合材料部件中孔密度小于预先规定的给该部件提供最大强度的百分比。
19.一种纤维增强陶瓷基复合材料发动机歧管，其是这样得到的a)由可以在纤维增强陶瓷基复合材料中使用的增强纤维制成形状为歧管下部的第一预制件；b)将第一预制件放置在形状为歧管下部的第一模具的空腔中；c)迫使液态预陶瓷化聚合物树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第一预制件；d)在可以将被液态预陶瓷化聚合物树脂浸透的第一预制件转化为第一聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第一模具；e)从模具中取出第一聚合物复合材料部件；f)由增强纤维制成形状为歧管上部的第二预制件；g)将第二预制件放置在形状为歧管上部的第二模具的空腔中；h)迫使液态预陶瓷化聚合物树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第二预制件；i)在可以将被液态预陶瓷化聚合物树脂浸透的第二预制件转化为第二聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第二模具；j)从模具中取出第二聚合物复合材料部件；k)沿着配合边将第一聚合物复合材料部件和第二聚合物复合材料部件配合在一起以形成作为中空的管状部件的歧管；并且l)在惰性气氛下，在可以将预陶瓷化聚合物树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料部件转化为纤维增强的陶瓷基复合材料部件，并且上部和下部沿着配合边熔合在一起。
20.根据权利要求19的发动机歧管，在步骤(l)之后附加地包括步骤m)将含有在烧制期间通过排气产生的孔的纤维增强陶瓷基复合材料歧管浸没在液态预陶瓷化聚合物树脂浴中以便使液态预陶瓷化聚合物树脂填充孔；n)在惰性气氛下，在可以将预陶瓷化聚合物树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制纤维增强陶瓷基复合材料歧管；并且o)重复步骤(m)和(n)直至在最终纤维增强陶瓷基复合材料歧管中孔密度小于预先规定的给该部件提供最大强度的百分比。
21.纤维增强陶瓷基复合材料发动机歧管的制备方法，其包括步骤a)由可以在纤维增强陶瓷基复合材料中使用的增强纤维制成形状为歧管下部的第一预制件；b)将第一预制件放置在形状为歧管下部的第一模具的空腔中；c)迫使液态预陶瓷化聚合物树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第一预制件；d)在可以将被液态预陶瓷化聚合物树脂浸透的第一预制件转化为第一聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第一模具；e)从模具中取出第一聚合物复合材料部件；f)由增强纤维制成形状为歧管上部的第二预制件；g)将第二预制件放置在形状为歧管上部的第二模具的空腔中；h)迫使液态预陶瓷化聚合物树脂通过空腔以填充该空腔和浸透第二预制件；i)在可以将被液态预陶瓷化聚合物树脂浸透的第二预制件转化为第二聚合物复合材料部件的温度和时间下加热第二模具；j)从模具中取出第二聚合物复合材料部件；k)沿着配合边将第一聚合物复合材料部件和第二聚合物复合材料部件配合在一起以形成作为中空的管状部件的歧管；并且l)在惰性气氛下，在可以将预陶瓷化聚合物树脂转化为陶瓷的温度和时间下烧制聚合物复合材料部件，从而使聚合物复合材料歧管转化为纤维增强的陶瓷基复合材料歧管，并且上部和下部沿着配合边熔合在一起；该歧管是一种内部填充有泡沫陶瓷催化剂基体结构的排气歧管，在将第二预制件放置在形状为歧管上部的第二模具的空腔中的步骤(g)之前附加地包括步骤f1)放置第一预制件作为第二模具限定空腔壁的一部分；和f2)将泡沫陶瓷催化剂基质结构放置在第一预制件中，从而第一预制件和泡沫陶瓷催化剂基质结构相结合形成第二壁的空腔的一部分。
全文摘要
本发明涉及用于机动车的具有陶瓷衬的铸造金属部件的制备。本发明解决了承受高温的金属部件的过渡暴露问题,并且本发明体现在用于部件的陶瓷(10)衬(12)的制备方法,其包括步骤:制成一种含孔的陶瓷材料衬;用预陶瓷化聚合物树脂填充该孔;在使树脂在孔中转化为陶瓷的温度和时间下烧制用预陶瓷化聚合物树脂渗透的衬。衬(12)可以被机械地固定、粘合,或可以将金属部件浇注到衬(12)上。
文档编号B32B18/00GK1196008SQ961969
公开日1998年10月14日 申请日期1996年7月16日 优先权日1995年8月16日
发明者S·阿特默, E·斯特拉瑟 申请人:诺思路·格鲁曼公司