АРМИРОВАННЫЕ НИТЕВИДНЫМИ КРИСТАЛЛАМИ КЕРАМИЧЕСКИЕ РЕЗЬБОВЫЕ КРЕПЕЖНЫЕ ДЕТАЛИ С ВЫСОКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ РАЗРУШЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F16B37/00 F16B33/00 C04B35/117 C04B35/593 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к крепежной детали, выполненной в виде болта и гайки, где болт и гайка выполнены из керамического материала из оксида алюминия, армированного нитевидными кристаллами карбида кремния.

Уровень техники

[0002] Системы тепловой защиты (TPS), например тепловые экраны для входа космического корабля в плотные слои атмосферы, секции фюзеляжа сверхзвуковых летательных аппаратов, компоненты выхлопа реактивного двигателя и т.д., выполняют из материалов, которые должны быть теплостойкими и должны выдерживать воздействие очень жестких окружающих сред. Поверхности возвращаемого аппарата особенно требовательны в этом отношении. Поверхность должна иметь низкую каталитическую активность, поскольку ударная волна точно перед поверхностью возвращаемого аппарата разделяет молекулы воздуха и обеспечивает потенциал для дополнительного нагревания. После разрушения молекул воздуха на части и их столкновения с поверхностью происходит их рекомбинация в ходе экзотермической реакции. Поскольку поверхность действует как катализатор, важно, чтобы поверхность имела низкую каталитическую активность, что уменьшает склонность к увеличению энергии, образованной во время протекания этой химической реакции. Эти материалы должны также противостоять горячему кислороду, в частности, атомарному кислороду для минимизации образования окалины на поверхностях материала. Эти материалы должны иметь высокий коэффициент излучения для максимального отвода поступающей конвективной теплоты посредством радиационной теплопередачи. Соблюдение этих требований в таких элементах системы тепловой защиты, как теплозащитные плитки, тепловые экраны и другие подобные конструкции, используемые в системах тепловой защиты, затруднено.

[0003] В системах тепловой защиты, использующих теплозащитные плитки, тепловые экраны и керамические матричные композитные компоненты, теплозащитные плитки, например, в основном присоединяют на месте. Во многих вариантах использования системы тепловой защиты прикрепленная посредством адгезива изоляция, такая как теплозащитные плитки, использована для прикрепления изоляции к внешним обводам корпуса аппаратов, например, сверхзвуковых летательных аппаратов. Преимущественным является механическое прикрепление теплозащитных плиток, тепловых экранов и других форм керамических матричных композитов для выполнения легкой и быстрой замены или технического обслуживания, а также для ограничения по температуре многих адгезивов.

[0004] Однако в таких вариантах использования, как поверхности теплового экрана возвращаемых летательных аппаратов, компоненты выхлопа двигателя, и в конструкциях сверхзвукового летательного аппарата, использование металлических крепежных деталей для прикрепления керамических матричных компонентов затруднено. Большинство металлов имеет высокую каталитическую активность, низкий коэффициент теплового излучения, высокий коэффициент теплового расширения и проявляет размягчение и ослабление с увеличением температуры. При использовании крепежных деталей для прикрепления системы тепловой защиты или облицовки выхлопа к летательному аппарату, их обычно выполняют из высокотемпературных сплавов металлов. При закреплении компонентов или панелей системы тепловой защиты на месте крепежные детали обычно заглубляют или покрывают изоляционной заглушкой для защиты крепежной детали и обеспечения поверхности с низкой каталитической способностью и высоким коэффициентом излучения, также являющейся гладкой для предотвращения отрицательного влияния на пограничный слой и его отсоединения, что приведет к повышению температуры. Это обеспечивает защиту металлической крепежной детали от экстремальной теплоты окружающей ее рабочей среды, однако существуют недостатки, связанные с невозможностью легкого достижения или невозможностью достижения металлической крепежной детали, заглубленной в систему тепловой защиты. Кроме того, большинство металлов имеет высокую каталитическую активность, низкий коэффициент излучения, высокий коэффициент теплового расширения и не удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к крепежным деталям, используемым в высокотемпературных окружающих средах, и кроме того, не обладает низким коэффициентом теплового расширения, согласуемым с керамическими матричными композитами. В отличие от металла, большинство керамических материалов обладают низкой каталитической активностью, а некоторые обладают высоким коэффициентом излучения, очень тверды и износоустойчивы.

[0005] В настоящее время большинство компонентов выхлопа турбины и крепежных деталей главным образом, если не полностью, выполняют из жаропрочных сплавов металлов. Компоненты активно охлаждают таким образом, что металл способен выдерживать влияние окружающей среды. При использовании керамических матричных композитов и других керамических компонентов в выхлопных системах турбинного двигателя металлические крепежные детали из жаропрочного сплава более не могут быть использованы, поскольку металл не способен выдерживать температуру. Это усложнено тем, что керамический матричный композит имеет более низкую теплопроводность по сравнению с металлом, так что даже при охлаждении панелей имеет место тенденция к перегреву крепежных деталей.

Раскрытие сущности изобретения

[0006] По указанным выше и другим причинам было бы значительно предпочтительнее выполнение крепежной детали, используемой для закрепления керамических матричных композитов в системе тепловой защиты, из керамического материала. Однако самые прочные керамические материалы представляют собой монолитные, хрупкие, чувствительные к царапинам, подверженные тепловому удару изделия, склонные к полному отказу, что не идеально для выполнения крепежных деталей. Поскольку керамические крепежные детали являются хрупкими, твердыми и чувствительными к царапинам, механическое нанесение ниток резьбы, особенно механическое нанесение внутренней резьбы, на крепежные детали из керамического материала также весьма затруднительно. Резьбовые керамические крепежные детали обычно создают в таких процессах как литьевое формование перед обжигом, однако такие виды резьбы округлены и не точны вследствие усадки при обжиге, и прочность керамической крепежной детали обычно остается очень низкой, с большим разбросом и не очень предсказуемой.

[0007] Согласно настоящему раскрытию высокотемпературная резьбовая крепежная деталь выполнена в виде болта, имеющего внешнюю резьбовую поверхность, и гайки, имеющей внутреннюю резьбовую поверхность. Болт и гайка выполнены из керамического материала из оксида алюминия, армированного нитевидными кристаллами карбида кремния. Высокотемпературная резьбовая крепежная деталь отвечает требованию высокой прочности во всем температурном интервале, воздействию которого крепежная деталь будет подвергнута, с высокой вязкостью разрушения, минимальной чувствительностью к царапинам, низкой каталитической способность, высоким тепловым коэффициентом излучения, высокой жесткостью, высокой твердостью, хорошим сопротивлением к тепловому удару и образованию окалины при воздействии горячего атомарного кислорода. В противоположность большинству металлов керамический материал, содержащий оксид алюминия, обладает естественно низкой каталитической активностью. Нитевидные кристаллы карбида кремния вместе с оксидом алюминия не только улучшают вязкость разрушения, но также увеличивают коэффициент излучения крепежной детали, что также противоположно металлу, обладающему очень низким коэффициентом излучения. Керамический материал из оксида алюминия, армированный нитевидными кристаллами карбида кремния, также обладает коэффициентом теплового расширения, точно соответствующим коэффициенту теплового расширения оксидных керамических матричных компонентов, с которыми используют крепежную деталь.

[0008] При выполнении болта крепежной детали подготавливают смесь порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния. Эту смесь затем подвергают горячему прессованию при высокой температуре и под высоким давлением с образованием заготовки, содержащей головку и стержень.

[0009] Керамический материал из оксида алюминия и армирующие нитевидные кристаллы карбида кремния образуют заготовку из твердого керамического материала с высокой вязкостью разрушения, которая может быть подвергнута механической обработки. Поверхность взаимодействия с инструментом, например шестигранную головку, выполняют механической обработкой на головке заготовки. Внешнюю резьбовую поверхность выполняют посредством механической обработки на стержне заготовки. Во впадинах профилей резьбы нити резьбы не нарезаны согласно стандартам Американского общества по испытанию материалов, но вместо этого они нарезаны так, что впадины являются неглубокими, что уменьшает вероятность образования трещины и чувствительность к царапинам.

[0010] При выполнении гайки крепежной детали, аналогично выполнению болта крепежной детали, подготавливают смесь порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния. Эту смесь затем подвергают горячему прессованию. Для образования внутренней резьбы в гайке выполняют механическую обработку графитовой предварительной формы с образованием внешней резьбы, которая соответствует внутренней резьбе гайки. Предварительную форму размещают в порошковой смеси так, что во время уплотнения и нагревания смеси с образованием плотной конечной керамической заготовки происходит образование внутренней резьбы гайки вокруг графитовой предварительной формы. После завершения горячего прессования смеси, образующей заготовку, проводят вычищение намного более мягкой графитовой предварительной формы из заготовки, что сохраняет точные размеры нитей внутренней резьбы в гайке крепежной детали, поскольку нити резьбы сформированы под давлением во время сплавления, что предотвращает усадку, как правильно связанную с обжигом керамического материала. Затем может быть проведена механическая обработка внешней конфигурации гайки крепежной детали с получением желательной конфигурации.

[0011] В отличие от вариантов использования, связанных с системой тепловой защиты, компоненты турбинного двигателя работают в течение длительного времени и как правило подвержены активному охлаждению, что обеспечивает материалу возможность выдерживания жесткой окружающей среды. Хотя в некоторых случаях керамические крепежные детали способны выдерживать более высокие температуры, в отличие от металлов, керамическая крепежная деталь должна быть охлаждена, особенно потому, что теплопроводность большинства видов керамических материалов и керамических матричных композитных компонентов весьма мала по сравнению с теплопроводностью металлов. Образом, аналогичным изготовлению гайки, предварительные формы могут быть использованы при выполнении болта крепежной детали с каналами внутреннего охлаждения, внутренней нарезкой резьбы и/или внутренними поверхностями раздела, предназначенными для взаимодействия с инструментом, такого как торцевой ключ или ключ типа Торкс, что было бы очень дорого, если не невозможно, при механической обработке.

[0012] Рассмотренные особенности, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в других вариантах реализации настоящего изобретения, более подробная информация о которых может быть получена со ссылками на нижеследующее описание и чертежи.

Краткое описание чертежей

[0013] На фиг. 1 показан перспективный вид болта и гайки крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0014] На фиг. 2 показан вертикальный вид сбоку болта и гайки крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0015] На фиг. 3 показана способ выполнения болта крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0016] На фиг. 4 показана заготовка, образованная при выполнении болта крепежной детали.

[0017] На фиг. 5 показан способ выполнения гайки крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0018] На фиг. 6 показан способ образования охлаждающих каналов, внутренней резьбы и/или внутренних поверхностей взаимодействия с инструментом в болте крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0019] На фиг. 7 показана блок-схема операций способа образования болта крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

[0020] На фиг. 8 показана блок-схема операций способа образования гайки крепежной детали согласно настоящему раскрытию.

Осуществление изобретения

[0021] На фиг. 1 показан перспективный вид крепежной детали 10 согласно настоящему раскрытию, которая выполнена в виде болта 12 или болта и гайки 14. На фиг. 2 показан вертикальный вид сбоку болта 12 и гайки 14. На фиг. 2 противоположная сторона болта 12 и гайки 14 представляет собой зеркальное отображение вида сбоку болта 12 и гайки 14, представленного на фиг. 2. Как показано на фиг. 1 и 2, конфигурации болта 12 и гайки 14 являются известными.

[0022] Болт 12 показан с головкой 16, а стержень 18 с внешней резьбовой поверхностью 22. Головка 16 болта показана с шестигранной поверхностью 24 взаимодействия с инструментом. Шестигранная конфигурация поверхности 24 головки болта взаимодействия с инструментом представляет собой лишь один пример конфигурации поверхности взаимодействия с инструментом, которую может иметь головка болта 16. Головка болта 16 может быть выполнена с любой другой эквивалентной конфигурацией поверхности взаимодействия с инструментом.

[0023] Гайка 14 крепежной детали имеет цилиндрическое внутреннее отверстие 26 с внутренней резьбовой поверхностью 28, окружающей внутреннее отверстие 26. Внутренняя резьбовая поверхность 28 выполнена соответствующей внешней резьбовой поверхности 22 болта 12, что обеспечивает возможность навинчивания гайки 14 на болт 12. Гайка 14 также образована с шестигранной поверхностью 32 взаимодействия с инструментом на внешней части гайки. Как и для болта 12 крепежной детали, гайка 14 крепежной детали могла быть выполнена с любой другой эквивалентной конфигурацией поверхности взаимодействия с инструментом.

[0024] Как указано ранее, конфигурации болта 12 крепежной детали и гайки 14 крепежной детали являются известными. Уникальными болт 12 крепежной детали и гайку 14 крепежной детали делает то, что они выполнены в виде высокотемпературной резьбовой крепежной детали. Это достигнуто посредством выполнения болта 12 и гайки 14 из керамического композитного материала, использующего технологию армирования нитевидными кристаллами. Твердая керамическая матрица армирована чрезвычайно прочными, жесткими кристаллами карбида кремния, обычно называемыми нитевидными кристаллами. И болт 12 и гайка 14 выполнены из керамического матричного композиционного материала, представляющего собой смесь керамического материала из оксида алюминия, армированного нитевидными кристаллами карбида кремния. Один пример керамического матричного композиционного материала, используемого для выполнения болта 12 и гайки 14, представляет собой керамический материал WG-300®, что является зарегистрированной торговой маркой компании Greenleaf Corporation, армированный нитевидными кристаллами. В WG-300® процентное содержание нитевидных кристаллов карбида кремния в смеси порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния составляет примерно 30%. В других примерах керамического композиционного материала, используемого для выполнения болта 12 и гайки 14, процентное содержание нитевидных кристаллов карбида кремния в смеси порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния составляет величину в диапазоне 10%-30% смеси.

[0025] Способ выполнения резьбового болта 12 высокотемпературной крепежной детали показан на фиг. 3. При выполнении болта 12 подготавливают смесь 34 порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния. Данная операция показана на фиг. 7 в качестве первого этапа способа. Смесь 34 порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния помещают в высокотемпературный пресс 36 для образования заготовки, которая будет использована при выполнении болта 12 крепежной детали. Данная операция показана на фиг. 7 в качестве второго этапа способа. На фиг. 3 показан пресс 36, работающий под высоким давлением и при высокой температуре. На фиг. 3 порошок 38 керамического материала из оксида алюминия, и нитевидные кристаллы 42 карбида кремния представлены схематично без соблюдения масштаба. Пресс 36 содержит части 44, 46 матрицы пресс-формы, которые выполнены с возможностью образования заготовки для болта 12 из смеси 34 порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния. Эту смесь 34 помещают в пресс 36 между матрицами 44, 46 пресс-формы и подвергают горячему прессованию при высокой температуре (более 3000 градусов Фаренгейта (более 1649°С)) и сжимают под высоким давлением, образуя заготовку 48 болта 12, содержащую головку 52 и стержень 54, как показано на фиг. 4. Данная операция показана на фиг. 7 в качестве третьего этапа способа. Заготовка 48 выполнена плотной и имеет малый размер зерен. Внешнее давление, приложенное к смеси 34 одновременно с температурой пресса 36, обеспечивает хорошую консолидацию керамического материала из оксида алюминия, и армирующих нитевидных кристаллов карбида кремния.

[0026] Обеспечивают охлаждение заготовки 48 болта и последующее удаление ее из пресса 36. Данная операция показана на фиг. 7 в качестве четвертого этапа способа. Керамический материал из оксида алюминия, и армирующие нитевидные кристаллы 54 карбида кремния образуют заготовку 48 из твердого керамического материала с высокой вязкостью разрушения, которая может быть подвержена механической обработке.

[0027] Поверхность взаимодействия с инструментом, например, шестигранную головку 24 болта, показанную на фиг. 1 и 2, затем выполняют посредством механической обработки на головке 52 заготовки 48. В другом варианте реализации изобретения поверхность 24 взаимодействия с инструментом может быть получена прессованием на головке 52 заготовки. Внешняя резьбовая поверхность 22, например, показанная на фиг. 1 и 2, выполнена посредством механической обработки на стержне 54 заготовки 48. Данные операции показаны на фиг. 7 в качестве последних двух этапов способа. Внешняя резьбовая поверхность 22 выполнена посредством механической обработки на стержне 54 заготовки 48, причем нижние части впадин нитей резьбы выполнены неглубокими для дополнительного уменьшения чувствительности к царапинам крепежной детали 10 под нагрузкой. Нитевидные кристаллы 42 в заготовке 48 препятствуют образованию и распространению микротрещин через стержень 54 заготовки 48 во время механической обработки заготовки. Нитевидные кристаллы 42 в болте 12 также делают нити 22 резьбы, нарезанные посредством механической обработки на болте 12, намного менее чувствительными к царапинам. Нитевидные кристаллы 42 также препятствуют образованию и распространению микротрещин через крепежную деталь 10 под нагрузкой при использовании крепежной детали.

[0028] Способ выполнения гайки 14 крепежной детали аналогичен способу выполнения болта 12 крепежной детали и показан на фиг. 5. При выполнении гайки 14 подготавливают смесь 34 из порошка 38 керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов 42 карбида кремния. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве первого этапа способа. Смесь 34 из порошка 38 керамического материала из оксида алюминия и нитевидных кристаллов 42 карбида кремния помещают в высокотемпературный пресс 56 для образования заготовки, которая будет использована при выполнении гайки 14 крепежной детали. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве второго этапа способа. На фиг. 5 показан пресс 56, использующий высокую температуру и высокое давление. На фиг. 5 порошок 38 керамического материала из оксида кремния и нитевидные кристаллы 42 карбида кремния представлены схематично и без соблюдения масштаба. Пресс 56 содержит части 58, 62 матрицы пресс-формы, которые выполнены с возможностью образования заготовки для гайки 14 из смеси 34 порошка керамического материала из оксида алюминия, и нитевидных кристаллов карбида кремния. Эту смесь 34 помещают в пресс 56 между частями 58, 62 матрицы пресс-формы и подвергают горячему прессованию при температуре, превышающей 3000 градусов Фаренгейта (1649°С), при сжатии смеси под высоким давлением, образуя заготовку гайки 14. Заготовка 64 гайки 14 выполнена плотной и имеет малый размер зерен. Внешнее давление, приложенное к смеси 34 одновременно с температурой пресса 56, обеспечивает хорошую консолидацию керамического материала из оксида алюминия, и армирующих нитевидных кристаллов карбида кремния. Керамический материал из оксида алюминия и армирующие нитевидные кристаллы карбида кремния образуют заготовку 64 гайки 14 из твердого керамического материала с высокой вязкостью разрушения.

[0029] При разработке способа выполнения ниток внутренней резьбы в заготовке 64 гайки 14 было признано, что очень трудно, если вообще возможно, посредством механической обработки нарезать нитки внутренней резьбы в очень твердом керамическом материале заготовки 64 гайки, по крайней мере, рентабельным образом. Для образования внутренней резьбовой поверхности 28 в гайке 14 выполняют механическую обработку графитовой предварительной формы с образованием внешней резьбы 68, соответствующей внутренней резьбовой поверхности 28 гайки 14. Как показано на фиг. 5, предварительную форму 66 размещают внутри смеси 34 в прессе 56. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве третьего этапа способа. Во время нагревания и сжатия смеси 34 в прессе 56 в плотную конечную керамическую заготовку 64 гайки 14, происходит образование внутренней резьбовой поверхности 28 гайки 14 вокруг графитовой предварительной формы 66. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве четвертого этапа способа. Обеспечено охлаждение заготовки 64 гайки и последующее удаление ее из пресса 56. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве пятого этапа способа. После завершения горячего прессования смеси 34, образующей заготовку 64 гайки, мягкая графитовая предварительная форма 66, имеющая внешнюю резьбу 68, легко вычищается из заготовки 64 гайки, оставляя экономичную чистую точную внутреннюю резьбовую поверхность 28 в заготовке 64 гайки. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве шестого этапа способа. Поскольку внутренняя резьбовая поверхность 28 образована во время спекания под давлением вокруг предварительной формы 66, какая-либо усадка внутренней резьбовой поверхности 28 не происходит. Это обеспечивает возможность выполнения внутренней резьбовой поверхности 28 с высокой точностью, точно соответствующей внешней резьбовой поверхности 22 на сопряженном болте 12 крепежной детали.

[0030] В другом варианте реализации изобретения вместо смеси порошка керамического материала из оксида алюминия, с нитевидными кристаллами карбида кремния, при выполнении болта 12 и гайки 14, может быть использован нитрид кремния (Si₃N₄).

[0031] Затем выполняют механическую обработку поверхности взаимодействия с инструментом, например, шестигранной внешней поверхности 32 гайки 14 на гайке 14. Данная операция показана на фиг. 8 в качестве седьмого этапа способа. В другом варианте реализации изобретения поверхность 32 взаимодействия с инструментом может быть выполнена прессованием на заготовке 64 гайки.

[0032] На фиг. 6 показан способ выполнения высокотемпературного резьбового болта 72 крепежной детали с каналами охлаждения и/или внутренними поверхностями взаимодействия с инструментом. В способе выполнения, показанном на фиг. 6, болт 72 крепежной детали выполнен тем же самым образом, как описанный ранее болт 12 крепежной детали. Однако при помещении под высокотемпературный пресс 36 смеси 34 порошка из керамического материала из оксида алюминия и нитевидных кристаллов карбида кремния, одну или большее количество графитовых предварительных форм 74, 76 помещают в смесь 34.

[0033] Одна из предварительных форм 74, показанных на фиг. 6, размещена в центре смеси 34 в прессе 36 вдоль длины формируемого болта 72. Эта предварительная форма 74 может иметь цилиндрическую внешнюю конфигурация для образования цилиндрического канала охлаждения, проходящего через центр болта 72 крепежной детали. В другом варианте реализации изобретения или в дополнение к образованию канала охлаждения предварительная форма 74 в центре смеси 34 может иметь конфигурацию для образования внутренней поверхности взаимодействия с инструментом в болте 72 крепежной детали, например, шестигранное поперечное сечение для образования шестигранной внутренней поверхности взаимодействия с инструментом в болте 72 крепежной детали. Предварительная форма 74 с шестигранным поперечным сечением выполнена с возможностью образования внутренней поверхности взаимодействия с инструментом, имеющей шестигранную конфигурацию, которая выполнена с возможностью взаимодействия с торцовым ключом.

[0034] В дополнение к размещению предварительной формы 74 в смеси 34 вдоль длины формируемого болта 12, еще одна предварительная форма 76 может быть размещена в смеси 34 вдоль ширины формируемого болта 72. Как показано на фиг. 6, дополнительная предварительная форма 76 размещена в той части смеси 34, которая будет выполнена в виде головки болта 72 крепежной детали. Эта дополнительная предварительная форма 76 может иметь цилиндрическую конфигурацию внешней поверхности для образования цилиндрического канала охлаждения, проходящего через центр головки болта 72 крепежной детали.

[0035] Прессом 36 управляют для нагрева и сжатия смеси 34 в прессе для образования болта 72 крепежной детали тем же самым образом, как описано ранее. После выполнения заготовки болта 72 крепежной детали и удаления ее из пресса 36, графитовые предварительные формы 74, 76 могут быть удалены из заготовки тем же самым образом, как описано ранее относительно гайки 14 крепежной детали. Это образует болт 72 крепежной детали с каналами внутреннего охлаждения в болте крепежной детали и/или с внутренней поверхностью взаимодействия с инструментом в болте крепежной детали.

[0036] Болты крепежной детали и гайки крепежной детали, выполненные из материала Greenleaf WG-300 с оксидом алюминия, армированного 30%-ной концентрацией нитевидных кристаллов SiC, обладают коэффициентом теплового расширения, равным 6,0×10^-6, а выполненные из WG-150 с 18%-ой концентрацией армирующих нитевидных кристаллов SiC обладают коэффициентом теплового расширения, равным 7,0×10^-6. Эти крепежные детали обладают близким соответствием значений коэффициента теплового расширения с окисным керамическим матричным композитом при использовании армирования волокнами Nextel-720, которые имеют коэффициент теплового расширения в плоскости, равный 6,56×10^-6/С, или с окисным керамическим матричным композитом при использовании армирования волокнами Nextel-610, которые имеют коэффициент теплового расширения в плоскости, равный 7,87×10^-6/С

[0037] В другом варианте реализации изобретения вместо смеси порошка керамического материала из оксида алюминия, с нитевидными кристаллами карбида кремния при выполнении болта и гайки крепежных деталей, может быть использован нитрид кремния (Si₃N₄). Хотя оксид алюминия, армированный нитевидными кристаллами SiC, обладает предпочтительным более высоким значением вязкости разрушения, составляющим 10 МПа⋅м^1/2, по сравнению со значением 6-7 МПа⋅м^1/2 для компонентов из Si₃N₄, коэффициент теплового расширения намного ниже 3,0-3,8×10^-6/С, что может сделать его идеальным для использования с неокисным керамическим матричным композитом, например, C/SiC и SiC/SiC, который также обладает низким коэффициентом теплового расширения в диапазоне 3,0-5×10^-6/С Хотя более низкая вязкость разрушения Si₃N₄ обеспечивает более затруднительное изготовление этих форм, однако он все же должен работать во многих вариантах использования.

[0038] Поскольку различные модификации могут быть выполнены в описанных и иллюстрированных в данном документе конструкции аппарата и в его способе работы без выхода за пределы объема изобретения, следует полагать, что весь материал, содержащийся в предшествующем описании или показанный на сопроводительных чертежах, должен быть интерпретирован как иллюстративный, а не ограничивающий. Таким образом, объем притязаний и масштаб настоящего раскрытия не должны быть ограничены ни одним из вышеупомянутых взятых в качестве примера вариантов реализации, они должны быть определены только в соответствии со следующими приложенными пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Изобретение относится к крепежным деталям и направлено на повышение надежности использования в авиастроении. Крепежная деталь содержит заготовку, выполненную из керамического материала, резьбовую поверхность на заготовке и канал, проходящий во внутреннее пространство заготовки, окруженный внутренней поверхностью и представляющий собой канал охлаждения. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Крепежная деталь, содержащая заготовку, выполненную из керамического материала; резьбовую поверхность на заготовке и канал, проходящий во внутреннее пространство заготовки, окруженный внутренней поверхностью и представляющий собой канал охлаждения.

2. Крепежная деталь по п. 1, дополнительно содержащая керамический материал, представляющий собой керамический материал из оксида алюминия, армированный нитевидными кристаллами карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия.

3. Крепежная деталь по п. 1, дополнительно содержащая керамический материал, представляющий собой нитрид кремния.

4. Крепежная деталь по п. 2, дополнительно содержащая резьбовую поверхность, представляющую собой внешнюю резьбовую поверхность крепежной детали.

5. Крепежная деталь по п. 2, дополнительно содержащая резьбовую поверхность, представляющую собой внутреннюю резьбовую поверхность крепежной детали.

6. Крепежная деталь по п. 2, дополнительно содержащая заготовку, представляющую собой первую заготовку; резьбовую поверхность на первой заготовке, представляющую собой внешнюю резьбовую поверхность крепежной детали; вторую заготовку, выполненную из керамического материала из оксида алюминия, армированного нитевидными кристаллами карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия; резьбовую поверхность на второй заготовке, представляющую собой внутреннюю резьбовую поверхность крепежной детали.

7. Крепежная деталь по п. 4, дополнительно содержащая канал, проходящий во внутреннее пространство заготовки, окруженный внутренней поверхностью, представляющей собой поверхность взаимодействия с инструментом.

8. Крепежная деталь по п. 2, дополнительно имеющая процентное содержание нитевидных кристаллов карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия в диапазоне от 18% до 30%.

9. Крепежная деталь, содержащая: болт, имеющий определенную длину, головку на первом конце длины болта, внешнюю резьбовую поверхность на втором конце длины болта, причем болт выполнен из керамического материала, и канал, проходящий во внутреннее пространство болта и представляющий собой канал охлаждения.

10. Крепежная деталь по п. 9, дополнительно содержащая керамический материал, представляющий собой керамический материал из оксида алюминия, армированный нитевидными кристаллами карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия.

11. Крепежная деталь по п. 9, дополнительно содержащая керамический материал, представляющий собой нитрид кремния.

12. Крепежная деталь по п. 9, дополнительно содержащая гайку, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, проходящую через гайку и соответствующую внешней резьбовой поверхности болта, причем гайка выполнена из керамического материала из оксида алюминия, армированного нитевидными кристаллами карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия.

13. Крепежная деталь по п. 10, дополнительно содержащая болт, имеющий центральную ось, проходящую по длине болта, головку болта и внешнюю резьбовую поверхность болта, расположенные на противоположных в осевом направлении концах центральной оси; причем канал охлаждения проходит в осевом направлении во внутреннее пространство болта.

14. Крепежная деталь по п. 10, дополнительно содержащая болт, имеющий центральную ось, проходящую по длине болта, головку болта и внешнюю резьбовую поверхность болта, расположенные на противоположных в осевом направлении концах центральной оси; и канал, проходящий во внутреннее пространство болта перпендикулярно центральной оси и представляющий собой канал охлаждения.

15. Крепежная деталь по п. 10, дополнительно содержащая болт, имеющий центральную ось, проходящую по длине болта, головку болта и внешнюю резьбовую поверхность болта, расположенные на противоположных в осевом направлении концах центральной оси; и канал, проходящий в осевом направлении во внутреннее пространство болта от головки болта и имеющий внутреннюю поверхность, выполненную в виде поверхности взаимодействия с инструментом.

16. Крепежная деталь по п. 10, дополнительно имеющая процентное содержание нитевидных кристаллов карбида кремния в керамическом материале из оксида алюминия в диапазоне от 18% до 30%.

17. Способ выполнения крепежной детали, включающий создание смеси порошка керамического материала; одновременный нагрев и прессование смеси с образованием твердой заготовки и формирование резьбовой поверхности на заготовке.

18. Способ по п. 17, дополнительно включающий создание смеси порошка керамического материала из порошка керамического материала из оксида алюминия и нитевидных кристаллов карбида кремния, диспергированных в порошке керамического материала из оксида алюминия.

19. Способ по п. 17, дополнительно включающий создание смеси порошка керамического материала из нитрида кремния.

20.Способ по п. 18, дополнительно включающий выполнение резьбовой поверхности на заготовке посредством машинной обработки заготовки с образованием внешней резьбовой поверхности на заготовке.

21. Способ по п. 18, дополнительно включающий выполнение канала внутри заготовки посредством размещения вкладыша в смеси порошка керамического материала из оксида алюминия и нитевидных кристаллов карбида кремния до одновременного нагрева и прессования смеси; одновременный нагрев и прессование смеси с образованием заготовки и удаление по меньшей мере части вкладыша изнутри заготовки.

22. Способ по п. 21, дополнительно включающий удаление по меньшей мере части вкладыша изнутри заготовки с образованием внутренней поверхности взаимодействия с инструментом внутри заготовки.

23. Способ по п. 21, дополнительно включающий удаление по меньшей мере части вкладыша изнутри заготовки с образованием канала охлаждения в заготовке.

24. Способ по п. 21, дополнительно включающий удаление по меньшей мере части вкладыша изнутри заготовки с образованием внутренней резьбовой поверхности в заготовке.

25. Способ по п. 18, дополнительно включающий создание смеси порошка керамического материала из оксида алюминия и нитевидных кристаллов карбида кремния, причем процентное содержание нитевидных кристаллов карбида кремния в смеси составляет от 18% до 30% смеси.

26. Способ по п. 18, в котором крепежная деталь обладает низкой каталитической активностью и высоким коэффициентом излучения.