晶须加强高断裂韧性陶瓷螺纹紧固件制造技术

本申请公开一种包含螺栓和螺母的高温紧固件，其中螺栓和螺母由碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料或氮化硅构成。

Whisker reinforced high fracture toughness ceramic threaded fasteners

The utility model discloses a high-temperature fastener which comprises a bolt and a nut, wherein, the bolt and the nut are made of silicon carbide whisker reinforced alumina ceramic material or silicon nitride.

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及包含螺栓和螺母的紧固件，其中螺栓和螺母由碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料构成。
技术介绍
热防护系统(TPS)，例如航天器的再入热屏蔽、高超音速飞行器的机身部分、喷气发动机排气组件等，由需要耐热并必须能忍受非常恶劣环境的材料构成。再入交通工具表面尤其困难。因为再入交通工具表面的正前面的冲击波分离空气分子并提供额外加热的可能，所以表面必须具有低催化性(catalycity)。当空气分子分解并与表面相撞时，它们在一个放热反应中重新结合。由于表面充当催化剂的作用，因此表面具有低催化性是重要的，这将使增加来自该化学反应中的能量的趋势减小。这些材料也必须抗热氧化、尤其抗氧原子以最小化材料表面的剥落。材料必须具有高辐射性以确保通过辐射热传递进来的对流热量的最大排斥。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、毛毯和陶瓷基复合组件的热防护系统中，例如瓷片主要被粘结在合适位置。对于许多TPS应用，用粘合剂粘结绝缘材料(例如瓷片)被用于将绝缘材料附接到飞行器(例如高超音速飞行器)的外型线。这对于机械地附接瓷片、毛毯和其他形式的陶瓷基复合材料以便简单快速更换或维修，以及对于许多粘合剂的温度限制是有益的。然而，在诸如再进入交通工具的热屏蔽表面、发动机排气组件以及高超音速交通工具结构的应用中，这些应用中使用金属紧固件附接陶瓷基组件已经成为一个问题。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。如果紧固件用于将TPS或排气衬垫附接到交通工具，那么紧固件通常由高温金属合金制成。如果TPS组件或面板被紧固在合适的位置，紧固件通常被用绝缘塞掩埋或覆盖以保护紧固件并保证表面具有低催化性、高辐射性和光滑度以免妨碍或中断(trip)将会升高温度的边界层。这保护金属紧固件避免其操作环境的极热，但缺点是不能够得到被非常容易地埋在TPS内的金属紧固件，或根本不能得到所述金属紧固件。附加地，大多数金属具有高催化性、低辐射性、高热膨胀系数，并且不满足在高温环境中使用的紧固件的多个要求，不具有与陶瓷基复合材料相匹配的低热膨胀系数。与金属不同，大多数陶瓷材料具有低催化性，一些陶瓷材料具有高辐射性并且非常坚硬和耐磨。目前，大多数涡轮发动机排气组件和紧固件主要(如果不是所有)由超合金金属制成。该组件被主动冷却使得金属可以在环境中幸存。随着陶瓷基复合材料和其他陶瓷组件被实施到涡轮发动机排气系统中，由于金属不能承受温度，所以金属超合金紧固件可以不再被使用。更糟的是陶瓷基复合材料具有相比于金属更低的导热性，因此即使面板被冷却，紧固件将依然具有过热倾向。
技术实现思路
由于上面展示的原因以及其他原因，如果在热防护系统中用于固定陶瓷基复合材料的紧固件由陶瓷材料构成将会好很多。然而，大多数强陶瓷是整块的、易碎的、缺口敏感的、有热冲击问题并且容易严重故障，用于制作紧固件是不理想的。因为陶瓷紧固件易碎、坚硬并且缺口敏感，所以在陶瓷材料的紧固件上加工螺纹也非常困难，尤其是加工内螺纹。制作螺纹陶瓷紧固件通常在类似喷射模塑的过程中进行之后烧制，但是这些类型的螺纹是圆形的并且由于烧制收缩而不精确，并且该陶瓷紧固件的强度依然通常非常低，具有高散射并且不是完全可预知的。本公开中的高温螺纹紧固件包括具有外螺纹表面的螺栓和具有内螺纹表面的螺母。螺栓和螺母两者都由碳化硅晶须加强的氧化铝陶瓷材料构成。高温螺纹紧固件满足在其遭受的整个温度范围内的高强度要求，其具有高断裂韧性、最小的凹口敏感、低催化性、高热辐射、高刚度、高硬度、良好的抗热冲击以及不被热氧原子剥落。相对于大多数金属，包括氧化铝的陶瓷具有天然的低催化性。再次相对于具有非常低辐射性的金属，具有氧化铝的碳化硅晶须不经可以改善断裂韧性，而且也可以增加紧固件的辐射性。碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料也具有与紧固件使用的氧化陶瓷基组件的热膨胀系数非常匹配的热膨胀系数。在构建紧固件螺栓中，准备氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物。然后在高温高压下热压该混合物，形成具有头部和杆的坯件。氧化铝陶瓷材料和强化碳化硅晶须产生具有可加工的高断裂韧性的硬陶瓷材料坯件。工具接口表面(例如六角头)被加工在坯件的头部。螺纹外表面被加工在坯件的杆上。在螺纹的谷中，螺纹没有被切割到ASTM标准，而代替地被削减以使得谷是浅的，以降低裂纹萌生和缺口敏感的可能性。在构建紧固件螺母中，用与紧固件螺栓的方法类似的方法，准备碳化硅晶须强化的氧化铝陶瓷材料粉末的混合物。然后热压该混合物。为了在螺母内形成内螺纹，石墨预制件被加工为具有与螺母的内螺纹互补的外螺纹。预制件被放置在粉末混合物内使得在压实和加热混合物成为密实的成品陶瓷坯件过程中，螺母的内螺纹沿着石墨预制件形成。因为在烧结期间螺纹在压力下形成，消除了一般与烧制陶瓷相关的收缩，所以在热压混合物形成坯件完成之后，更柔软的石墨预制件被清理出坯件，在紧固件螺母中留下精确尺寸的内部凹螺纹。然后紧固件螺母的外部配置可以被加工为所需配置。与TPS应用不同，涡轮发动机组件长时间周期运行并通常被主动冷却，以允许材料在严酷的环境中幸存。当在某些情况下陶瓷紧固件可以承受比金属更高的温度时，陶瓷紧固件需要被冷却。尤其是由于大多数陶瓷和陶瓷基复合材料组件的热导率相比于金属具有相当差的热导率。用与构建螺母的类似方式，预制可用于构建具有内部冷却槽、内螺纹和/或内工具接口表面(例如如果有可能加工将非常昂贵的通用扳手或Torx接口表面)的紧固件螺栓。讨论的特性、功能和优势可以在不同的实施例中独立的实现，也可以结合其他实施例实现，进一步详细描述可以通过参考以下描述和附图看到。附图说明图1是本公开的紧固件螺栓和螺母的透视图的示图。图2是本公开的紧固件螺栓和螺母的侧正视图的示图。图3是构建本公开紧固件螺栓的方法的示图。图4是在构建紧固件螺栓中形成的坯件的示图。图5是构建本公开的紧固件螺母的方法的示图。图6是形成本公开的紧固件螺栓中的冷却槽、内螺纹和/或内工具接口表面的方法的示图。图7是形成本公开紧固件螺栓的方法步骤的流程图的示图。图8是形成本公开紧固件螺母的方法步骤的流程图的示图。具体实施方式图1是本公开的包括螺栓12或螺栓和螺母14的紧固件10的透视图的图示。图2是螺栓12和螺母14的侧正视图。在图2中，螺栓12和螺母14的相对侧是在图2中表示的螺栓12和螺母14的侧视图的镜像。如图1和图2所表示的，螺栓12和螺母14的配置是常规的。螺栓12被示出具有头部16和带有螺纹外表面22的杆18。螺栓头部16被显示具有六角形工具接口表面24。螺栓头部工具接口表面24的六角形配置只是螺栓头部16可具有的工具接口表面配置的一个示例。螺栓头部16可以由任何其他等同的工具接口表面配置构成。紧固件螺母14具有圆形的内孔26，其中螺纹内表面28环绕着内孔26。螺纹内表面28被形成与螺栓12的螺纹外表面22互补，使螺母14能够通过螺纹拧到螺栓12上。螺母14也被形成为在螺母的外部具有六角形工具接口表面32。至于紧固件螺栓12，紧固件螺母14可以由任何其他等同工具接口表面配置构成。如前所述，紧固件螺栓12和紧固件螺母14的配置是常规的。使紧固件螺栓12和紧固件螺母14独特的是它们本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧固件，其包含：坯件，所述坯件由陶瓷材料构成；以及所述坯件上的螺纹表面。

【技术特征摘要】
2015.10.21 US 14/918,8461.一种紧固件，其包含：坯件，所述坯件由陶瓷材料构成；以及所述坯件上的螺纹表面。2.根据权利要求1所述的紧固件，进一步包含：所述陶瓷材料为被氧化铝陶瓷材料内的碳化硅晶须强化的所述氧化铝陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的紧固件，进一步包含：所述陶瓷材料为氮化硅。4.根据权利要求2所述的紧固件，进一步包含：所述螺纹表面为所述紧固件的螺纹外表面。5.根据权利要求2所述的紧固件，进一步包含：所述螺纹表面为所述紧固件的螺纹内表面。6.根据权利要求2所述的紧固件，进一步包含：所述坯件为第一坯件(48)；所述第一坯件上的所述螺纹表面为所述紧固件的螺纹外表面；第二坯件(64)，所述第二坯件由被所述氧化铝陶瓷材料内的碳化硅晶须强化的所述氧化铝陶瓷材料构成；所述第二坯件上的螺纹表面；以及所述第二坯件上的所述螺纹表面为所述紧固件的螺纹内表面。7.根据权利要求4所述的紧固件，进一步包含：延伸到所述坯件内的槽，所述槽被内表面包围；以及所述槽为冷却槽。8.根据权利要求4所述的紧固件，进一步包含：延伸到所述坯件内的槽，所述槽被内表面包围；以及所述内表面为工具接口表面。9.根据权利要求2所述的紧固件，进一步包含：所述氧化铝陶瓷材料内所述碳化硅晶须的百分比的范围为18％到30％。10.一种制作紧固件的方法，包含：...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·A·迪基亚拿，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US