用于復(fù)合制品的制造的可消耗芯部及相關(guān)方法
【專利摘要】公開了適合于復(fù)合制品(例如，陶瓷復(fù)合制品)(特別是包括中空特征的復(fù)合制品)的容易制造的系統(tǒng)、方法和裝置。在一個實施例中，一種系統(tǒng)包括：形成為配置在復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)的可消耗芯部，可消耗芯部適合于在制造過程期間轉(zhuǎn)換為浸滲劑并滲透復(fù)合前體。
【專利說明】用于復(fù)合制品的制造的可消耗芯部及相關(guān)方法
[0001]政府特許權(quán)
[0002]本發(fā)明在能源部授予的合同號DE-FC26-05NT42643下利用政府支持完成。政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文中公開的主題涉及復(fù)合材料，并且更特別地，涉及用于在復(fù)合制品的制造中使用的可消耗芯部及相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0004]當前的制造陶瓷復(fù)合制品的方法(例如，熔化滲透過程)包括液相浸滲劑材料(例如，硅，硅合金等)的使用，該液相浸滲劑材料引入到容積材料/復(fù)合前體中以形成復(fù)合制品。在制造期間，該浸滲劑材料吸收在復(fù)合前體的暴露表面上面，芯吸到復(fù)合前體中以形成復(fù)合制品。在具有中空特征的復(fù)合制品的制造中，典型過程是將可移除芯部插入到中空復(fù)合前體的內(nèi)部分中以形成空腔。芯部隨后被移除，從而使復(fù)合前體的內(nèi)表面暴露。芯部移除必須在熔化滲透之前發(fā)生，以防止浸滲劑與芯部反應(yīng)，使芯部與復(fù)合制品結(jié)合并阻止芯部移除。一些制造方法包括可移除芯部，其設(shè)計成在復(fù)合制品的形成之后的單獨過程中熔盡或燒盡。一些其它的制造者設(shè)計了復(fù)合制品，其具有足夠大以從制品內(nèi)提出可移除芯部的結(jié)構(gòu)孔。這些方法可限制制品的設(shè)計或性能，在制造過程中要求附加的步驟，并且/或者使復(fù)合制品的構(gòu)件和部分暴露于可損壞或破壞制品的熱極端。

【發(fā)明內(nèi)容】

·[0005]公開了適合于復(fù)合制品的容易制造的方法和系統(tǒng)。在一個實施例中，一種系統(tǒng)包括:形成為配置在復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)的可消耗芯部，可消耗芯部適合于在制造過程期間滲透復(fù)合前體并基本上騰出復(fù)合前體的內(nèi)部分。
[0006]本公開的第一方面提供了一種系統(tǒng)，其包括:可消耗芯部，其形成為配置在復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)，可消耗芯部適合于在制造過程期間轉(zhuǎn)換為浸滲劑并滲透復(fù)合前體。
[0007]第二方面提供了一種系統(tǒng)，其包括:復(fù)合前體；可消耗芯部，其配置在復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)，可消耗芯部適合于在制造過程期間轉(zhuǎn)換為浸滲劑并滲透復(fù)合前體；以及外部供給部，其經(jīng)由芯部連接于可消耗芯部，外部供給部適合于將浸滲劑材料流供應(yīng)至復(fù)合前體。
[0008]第三方面提供了一種方法，其包括:將可消耗芯部插入到復(fù)合前體中；將外部供給部連接于復(fù)合制品制造系統(tǒng)以供應(yīng)附加的浸滲劑；調(diào)整關(guān)于復(fù)合制品制造系統(tǒng)的至少一個環(huán)境條件，以經(jīng)由可消耗芯部使復(fù)合前體滲透有加強材料；消耗可消耗芯部；以及重新調(diào)整環(huán)境條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]本發(fā)明的這些和其它特征從結(jié)合描繪本發(fā)明的各個實施例的附圖進行的本發(fā)明的各個方面的下列詳細描述將被更容易地理解，其中:
[0010]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的復(fù)合制品制造系統(tǒng)的一部分的三維透視圖。
[0011]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的復(fù)合制品的三維透視圖。
[0012]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的復(fù)合制品制造系統(tǒng)的一部分的三維透視圖。
[0013]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的說明步驟的方法流程圖。
[0014]注意，本公開的附圖不必按比例繪制。附圖意圖僅描繪本公開的典型方面，并且因此不應(yīng)當被認為是限制本公開的范圍。理解，附圖之間相似地編號的元件可為大致相似的。此外，在參考附圖示出和描述的實施例中，同樣的標記可表示同樣的元件。為了清楚，這些元件的重復(fù)說明已被省略。最后，理解，附圖的構(gòu)件和它們的附帶描述可應(yīng)用于本文中描述的任何實施例。
[0015]部件列表
[0016]100,300復(fù)合制品制造系統(tǒng)
[0017]110外部供給塊
[0018]112,312,316 芯部
[0019]120貯存器
[0020]122排出部
[0021]130,330可消耗芯部
[0022]140,340 復(fù)合前體
[0023]200復(fù)合制品
[0024]230內(nèi)/中空特征
[0025]240 復(fù)合本體
[0026]250 頂面
[0027]270 底面
[0028]310第一外部供給塊
[0029]314第二外部供給塊
[0030]380,382 外部塊組。
具體實施例
[0031]如本文中指示的，本發(fā)明的方面提供了適合于復(fù)合制品(特別是包括中空特征的復(fù)合制品)的容易制造的系統(tǒng)、方法和裝置。這些方法和系統(tǒng)使用適合于配合在復(fù)合前體的中空特征內(nèi)的可消耗芯部，可消耗芯部將浸滲劑材料施加于復(fù)合前體的內(nèi)表面，并且芯部本身在制造過程期間被消耗。
[0032]在復(fù)合制品制造的現(xiàn)有技術(shù)中，可移除的芯部通常用于在制作期間形成復(fù)合前體的內(nèi)表面。在這些系統(tǒng)中，在復(fù)合制品的形成之后，可移除芯部必須從復(fù)合制品內(nèi)抽出。一些系統(tǒng)使用可經(jīng)由暴露于熱源從復(fù)合制品熔盡或燒盡的可移除芯部，一些其它系統(tǒng)要求復(fù)合制品本身包括足夠大以適應(yīng)可移除芯部的抽出的結(jié)構(gòu)孔。然而，這些方法可限制制品的設(shè)計和性能，在制造過程中要求附加的步驟，并且/或者使復(fù)合制品的構(gòu)件和部分暴露于可損壞或破壞制品的熱極端。
[0033]當前發(fā)明的實施例提供了系統(tǒng)、方法和裝置，包括可消耗芯部在復(fù)合制品制造過程中的使用?？上男静堪ńB劑前體材料，并且適合于將浸滲劑材料施加于包括中空特征的復(fù)合前體的內(nèi)表面。在制造期間，該可消耗芯部吸收到復(fù)合前體中(例如，經(jīng)由吸收和毛細作用，從復(fù)合前體內(nèi)自消耗，并且在騰出中空特征的內(nèi)部時成為復(fù)合制品本身的一部分)。該可消耗芯部簡化了制造過程，并且在其形成復(fù)合制品整體時消除了對燒盡、熔盡、溶解、二次組裝、結(jié)構(gòu)孔或其它芯部移除方法的需要。
[0034]轉(zhuǎn)向附圖，示出包括可消耗芯部的復(fù)合制品制造方法和系統(tǒng)的實施例，其中，可消耗芯部可簡化制造過程，并且增加復(fù)合制品的質(zhì)量和設(shè)計靈活性。附圖中的構(gòu)件中的每一個可經(jīng)由常規(guī)器件連接，例如經(jīng)由普通導(dǎo)管或其它已知的器件，如圖1-4所示。具體地，參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括復(fù)合前體140內(nèi)的可消耗芯部130(以虛線示出)的復(fù)合制品制造系統(tǒng)100的三維透視圖。復(fù)合前體140可為多孔碳化復(fù)合前體，其適合于在浸滲劑材料(例如，具有二次元素(諸如硼)的較少添加的硅)的吸收之后形成復(fù)合制品200 (如圖2所示)?？上男静?30放置在復(fù)合前體140內(nèi)，并且可經(jīng)由芯部112(例如，適合于輸送熔融混合物的可滲透帶)連接于外部供給塊110。供給塊110可將附加部分的浸滲劑材料供應(yīng)至可消耗芯部130，并且可包括由固體、壓制和/或燒結(jié)的顆粒形成的硅塊?？上男静?30還可連接于可包括貯存器120的排出部122 (例如，適合于輸送熔融混合物的可滲透帶)。在復(fù)合制品的形成(例如，熔化滲透過程)期間，復(fù)合制品制造系統(tǒng)100可經(jīng)受包括熱和壓力波動的環(huán)境條件的循環(huán)。該循環(huán)使浸滲劑材料(例如，硅)從供給塊110經(jīng)過至可消耗芯部130，從而使可消耗芯部130吸收到復(fù)合前體140中。過量部分的浸滲劑材料可經(jīng)由排出部122流至貯存器120。在一個實施例中，來自可消耗芯部130的材料可經(jīng)由毛細作用吸收到復(fù)合前體140中。
[0035]復(fù)合前體140可完全包含(例如，包封)可消耗芯部130?？上男静?30可由金屬、硅或現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何其它材料壓制、鑄造或機械加工。預(yù)形成可使可消耗芯部130成形為與復(fù)合前體140的中空特征的輪廓互補?？上男静?30的復(fù)合物可包括純娃或娃加合金材料。在一個實施例中，可消耗芯部130可包括娃和硼。在一個實施例中，可消耗芯部130可包括燒結(jié)的顆粒，并且包括大約95%的硅和大約5%的硼。在另一個實施例中，可消耗芯部130可包括大約20%硼(B)、20%碳(C)或20%難熔金屬(例如，鉭、錯、鈮等)以及作為剩余物的硅的復(fù)合物?？上男静?30可在于復(fù)合前體140中內(nèi)在化之前鑄造為設(shè)定的尺寸和形狀。理解，雖然在本文中描述關(guān)于某些示例性復(fù)合物和化學(xué)物的可消耗芯部130，但是這些復(fù)合物和化學(xué)物僅為說明性的，并且現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何燒結(jié)化學(xué)物、固體鑄造化學(xué)物和復(fù)合物可包括在可消耗芯部130中。
[0036]在制造期間，可消耗芯部130可自消耗到復(fù)合前體140中，從而形成復(fù)合制品200。在一個實施例中，可消耗芯部130可被完全消耗(例如，內(nèi)在化成復(fù)合制品200)。在一個實施例中，可消耗芯部130和供給塊110可包括大致相同的材料。供給塊110可包括純硅、硼、硅加合金材料，或現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何其它材料。
[0037]芯部112和排出部122可包括相似的材料和復(fù)合物，兩者適合于輸送熔融混合物(例如，熔融硅硼)。在一個實施例中，芯部112和排出部122可為可互換的。芯部112和排出部122可包括編織或編制成形成芯部112和排出部122的惰性材料。在一個實施例中，芯部112和排出部122可包括編織碳纖維。
[0038]轉(zhuǎn)向圖2，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的復(fù)合制品200的部分的三維透視圖。在該實施例中，復(fù)合制品200可包括限定內(nèi)/中空特征230(以虛線示出)的復(fù)合本體240。復(fù)合本體240可具有形成復(fù)合制品200的大致均勻的材料復(fù)合物。內(nèi)/中空特征230可基本上沒有可消耗芯部130 (在圖1中示出)，其騰出內(nèi)/中空特征230，這是因為其在熔化滲透過程期間被消耗干凈。復(fù)合本體240可包括密封內(nèi)/中空特征230的頂面250和底面270。[0039]轉(zhuǎn)向圖3，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括內(nèi)在化在復(fù)合前體340內(nèi)的可消耗芯部330(以虛線示出)的復(fù)合制品制造系統(tǒng)300的示意性三維透視圖。在該實施例中，一組外部塊380和382配置在復(fù)合前體340周圍，并且適合于向復(fù)合前體340的外表面施加浸滲劑材料。附加的浸滲劑塊380和382可在材料成分上與可消耗芯部330相似。附加的浸滲劑塊380和382的施加和/或包括可取決于完全填充復(fù)合前體340內(nèi)的毛細孔所需的浸滲劑的體積。復(fù)合前體340經(jīng)由芯部312連接于第一外部供給塊310，并且經(jīng)由芯部316連接于第二外部供給塊314。在制造過程(例如，熔化滲透過程)期間，高溫可施加于復(fù)合制品制造系統(tǒng)300，從而引起浸滲劑材料(例如，基質(zhì))經(jīng)由可消耗芯部330、外部供給塊310、外部供給塊314、外部塊380和/或外部塊382引入到復(fù)合前體340 (例如，容積材料)中。如可在圖3中看到的，可消耗芯部330和復(fù)合前體340可形成為生產(chǎn)任何形式的復(fù)合制品，包括復(fù)雜的幾何形狀，翼型件，渦輪葉片等。根據(jù)確保浸滲劑材料包圍復(fù)合前體340的全部纖維并填充陶瓷復(fù)合物中的全部空隙的需要，浸滲劑材料可經(jīng)由外部塊380、外部塊382、外部供給塊310、外部供給塊314以及可消耗芯部330中的任何一個引入到復(fù)合前體340中。[0040]轉(zhuǎn)向圖4，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性方法流程圖:在初始步驟Pl(以虛線示出)中，可消耗芯部130配置在復(fù)合前體140內(nèi)?？上男静?30可內(nèi)在化在復(fù)合前體140內(nèi)，被復(fù)合前體140完全包封。這可通過技術(shù)人員和/或機械響應(yīng)于預(yù)定或用戶提示的制造過程進行。在一個實施例中，可消耗芯部130可在復(fù)合前體140的組裝期間插入在復(fù)合前體140中，其中，在插入之后，復(fù)合前體140的剩余部分形成為將可消耗芯部130基本上密封在復(fù)合前體140內(nèi)。在步驟Pl之后，在步驟P2中，外部供給塊110經(jīng)由芯部112連接于可消耗芯部130。在步驟P2之后，在步驟P3中，可消耗芯部130經(jīng)由排出部122連接于存器120，由此形成復(fù)合制品制造系統(tǒng)100。在步驟P3之后，在步驟P4中，復(fù)合制品制造系統(tǒng)100經(jīng)受一組環(huán)境調(diào)整(例如，熔化滲透過程，增大的溫度，增大的壓力等)，這使可消耗芯部130轉(zhuǎn)換為浸滲劑材料并開始滲透復(fù)合前體140的部分。在步驟P4之后，在步驟P5中，可消耗芯部130在熔化滲透過程期間被消耗，從而與復(fù)合前體140集成以騰出內(nèi)/中空特征230并形成復(fù)合制品200。在步驟P5之后，在步驟P6中，關(guān)于復(fù)合制品制造系統(tǒng)100的環(huán)境條件重新調(diào)整至周圍環(huán)境，并且芯部112和排出部122從復(fù)合制品200斷開。[0041]附圖中的數(shù)據(jù)流程圖和方框圖示出根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的系統(tǒng)、方法和計算機程序產(chǎn)品的可能實施的構(gòu)架、功能和操作。在這點上，流程圖或方框圖中的每個方框可表示代碼的模塊、節(jié)段或部分，其包括一個或更多個可執(zhí)行指令，用于實施(多個)特定邏輯功能。還應(yīng)當注意到，在一些可選的實施中，方框中提到的功能可不按附圖中提到的順序發(fā)生。例如，事實上，接連地示出的兩個方框可基本上同時執(zhí)行，或者方框有時可以以相反的順序執(zhí)行，這取決于涉及的功能。還將注意到，方框圖和/或流程圖的每個方框以及方框圖和/或流程圖中的方框的組合可通過基于特殊用途硬件的系統(tǒng)實施，該基于特殊用途硬件的系統(tǒng)執(zhí)行特定功能或動作，或特殊用途硬件和計算機指令的組合。[0042]本公開的可消耗芯部、系統(tǒng)和方法不受限于任何一種特定的復(fù)合材料、復(fù)合制品、過程或其它系統(tǒng)，并且可與其它制造過程和/或系統(tǒng)一起使用。另外，本發(fā)明的可消耗芯部和系統(tǒng)可與本文中未描述的其它系統(tǒng)一起使用，該其它系統(tǒng)可受益于自消耗、精加工和本文中描述的制造益處。
[0043]本文中使用的術(shù)語僅出于描述特定實施例的目的，并且不意圖限制本公開。如本文中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”意圖也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確地指出。將進一步理解，用語“包含”和/或“包括”在于本說明書中使用時表明敘述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或構(gòu)件的存在，但是不排除一個或更多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、構(gòu)件和/或它們的組的存在或添加。
[0044]該書面的描述使用實例以公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明(包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何并入的方法)。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言 無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，其包括: 可消耗芯部，其形成為配置在復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)，所述可消耗芯部適合于在制造過程期間轉(zhuǎn)換為浸滲劑并滲透所述復(fù)合前體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括外部供給部，其經(jīng)由芯部連接于所述可消耗芯部，用于將浸滲劑材料流供應(yīng)至所述復(fù)合前體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可消耗芯部適合于在所述制造過程期間基本上騰出所述復(fù)合前體的內(nèi)部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可消耗芯部包括鑄造材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可消耗芯部包括硅或硼中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可消耗芯部被所述復(fù)合前體基本上包封。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括外部塊，其配置在所述復(fù)合前體附近，用于將浸滲劑材料供應(yīng)至所述復(fù)合前體。
8.一種系統(tǒng)，其包括: 復(fù)合前體； 可消耗芯部，其配置在所述復(fù)合前體的內(nèi)部分內(nèi)，所述可消耗芯部適合于在制造過程期間轉(zhuǎn)換為浸滲劑并滲透所述復(fù)合前體；以及 外部供給部，其經(jīng)由芯部連接于所述可消耗芯部，所述外部供給部適合于將浸滲劑材料流供應(yīng)至所述復(fù)合前體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括外部塊，其基本上配置在所述復(fù)合前體附近，并且適合于供應(yīng)用以滲透所述復(fù)合前體的附加浸滲劑材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)合前體包封所述可消耗芯部。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括經(jīng)由排出部連接于所述可消耗芯部的貯存器，所述貯存器適合于接收來自所述可消耗芯部的浸滲劑材料流。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可消耗芯部由燒結(jié)的粉末形成，并且包括娃和硼中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述芯部包括編織碳纖維。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)合前體為多孔且碳化的。
15.一種方法，其包括: 將可消耗芯部插入到復(fù)合前體中； 經(jīng)由芯部將外部供給部連接于所述復(fù)合前體，以形成復(fù)合制品制造系統(tǒng)； 調(diào)整關(guān)于所述復(fù)合制品制造系統(tǒng)的至少一個環(huán)境條件，以使所述復(fù)合前體滲透有來自所述可消耗芯部的浸滲劑； 消耗所述可消耗芯部；以及 重新調(diào)整所述環(huán)境條件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括經(jīng)由排出部將貯存器連接于所述可消耗芯部，所述排出部適合于接收來自所述可消耗芯部的過量的浸滲劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，消耗所述可消耗芯部包括使所述可消耗芯部內(nèi)在化到所述復(fù)合前體中。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，調(diào)整所述環(huán)境的至少一個環(huán)境條件包括: 增大所述環(huán)境的溫度；和 增大所述環(huán)境的壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述可消耗芯部包括硅、硼和難熔金屬中的至少一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括將一組外部炔基本上配置在所述復(fù)合前體附近，所述外部塊適`合于將浸滲劑材料流供應(yīng)至所述復(fù)合前體。
【文檔編號】C04B35/622GK103588485SQ201310491206
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月16日
【發(fā)明者】G·C·塔克薩切爾, P·德戴戈, P·E·格雷, P·H·莫納甘 申請人:通用電氣公司