Kompozyt z osnową ceramiczną, taki jak węglik krzemu wzmocniony włóknem węglika krzemu, to materiał wysokotemperaturowy, z którego będą wykonane łopatki turbin przyszłych silników odrzutowych. Wytwarza się go poprzez wprowadzenie zawiesiny ceramicznej do preformy z tkanych włókien, a następnie skonsolidowanie jej pod wpływem ogromnej temperatury i ciśnienia w specjalistycznej prasie na gorąco. Płyty dociskowe, na których przeprowadzane jest spiekanie pod wysokim ciśnieniem, nie są stalowe; są to bloki grafitu lub metalu ogniotrwałego, które świecą na pomarańczowo, jednocześnie tworząc przyszłość lotu. Zrozumienie, jak apodgrzewana płyta dociskowa CMC do prasowania na gorącodziałanie systemu jest niezbędne dla każdego inżyniera pracującego przy zaawansowanej produkcji kompozytów.
Proces prasowania na gorąco dla CMC
Umieszczanie preform i kontrola środowiska
Preforma z włókna ceramicznego-zwykle tkana z węglika krzemu (SiC) lub włókien węglowych i nasycona prekursorem matrycy ceramicznej-jest umieszczana pomiędzy dwiema masywnymi płytami dociskowymi wewnątrz komory próżniowej lub gazu obojętnego. Przez cały cykl utrzymuje się atmosferę obojętną (argon lub azot) lub twardą próżnię, aby zapobiec utlenianiu zarówno materiału płyty dociskowej, jak i samego kompozytu. Płyty, często wykonane z oczyszczonego grafitu o dużej gęstości, są podgrzewane przez wewnętrzne elementy elektryczne (często molibdenowe lub grafitowe pręty grzejne) do temperatur przekraczających 1000 stopni.
Jednoczesne zastosowanie ciepła i ciśnienia
Gdy komora osiągnie temperaturę docelową, płyty wywierają precyzyjny, równomierny nacisk na preformę. To ciśnienie, zwykle mieszczące się w zakresie od 10 do 40 MPa, w zależności od składu chemicznego osnowy, wymusza płynięcie materiału osnowy ceramicznej, wypełnianie mikroskopijnych pustych przestrzeni pomiędzy włóknami i spiekanie w gęsty, stały składnik. Płyty dociskowe muszą pozostać płaskie i mocne w tak ekstremalnej temperaturze i nie mogą reagować chemicznie z materiałem preformy. Cały proces jest arcydziełem inżynierii wysokotemperaturowej, wysokociśnieniowej i chemicznie obojętnej. Podgrzewana płyta dociskowa jest bijącym sercem tej egzotycznej komory produkcyjnej. Płyta dociskowa jest świecącym, nieubłaganym kowadłem, wyciskającym przyszłe łopatki turbiny z gorącego, wypełnionego proszkiem splotu.
Uwaga dotycząca procesu:Czyste, wolne od cząstek środowisko jest absolutnie niezbędne. Wszelkie obce pyły-fragmenty węgla, cząstki metaliczne lub cząstki unoszące się w powietrzu- mogą zostać uwięzione podczas prasowania i spowodować krytyczną wadę kompozytu. Takie wady służą jako elementy zwiększające naprężenia, które mogą spowodować katastrofalne uszkodzenie łopatki turbiny pod dużym obciążeniem odśrodkowym. Dlatego wszystkie operacje prasowania na gorąco CMC są wykonywane w obudowach przeznaczonych do pomieszczeń czystych, wyposażonych w filtrowany gaz.
Charakterystyka techniczna płyt do tłoczenia na gorąco CMC
Wybór materiału płyty
Grafit jest powszechnym materiałem na płyty dociskowe ze względu na jego wytrzymałość w wysokiej temperaturze i obojętność chemiczną. Preferowane są oczyszczone, drobnoziarniste gatunki grafitu o dużej gęstości (np. grafit formowany izostatycznie), ponieważ oferują:
Doskonała odporność na szok termiczny
Niska rozszerzalność cieplna (minimalizacja odkształceń podczas nagrzewania)
Brak zwilżania i reakcji z matrycami ceramicznymi na bazie SiC lub tlenków
Grafit jest jednak kruchy i należy go chronić przed utlenianiem. Tę ochronną rolę spełnia środowisko gazu obojętnego lub próżni. Poniżej 1000 stopni grafit szybko utlenia się w powietrzu; w związku z tym jakikolwiek wyciek tlenu do komory spowoduje zniszczenie płyt.
Elementy grzejne i kontrola temperatury
Wewnętrzne elektryczne elementy grzejne-często dwukrzemek molibdenu (MoSi₂) lub pręty grafitowe-są osadzone w każdej płycie dociskowej lub bezpośrednio za nią. Temperatura jest precyzyjnie zwiększana i utrzymywana za pomocą sterowania w pętli zamkniętej z wieloma termoparami umieszczonymi w pobliżu powierzchni płyt dociskowych. Typowy cykl prasowania na gorąco CMC może trwać wiele godzin, przy szybkości narastania wynoszącej zaledwie 2–5 stopni na minutę, aby uniknąć naprężeń termicznych w preformie.
Równomierność ciśnienia i płaskość płyty
W temperaturach powyżej 1000 stopni nawet niewielkie wypaczenie płyty dociskowej może powodować nierównomierny rozkład nacisku, w wyniku czego powstaje część kompozytowa o zmiennej gęstości lub wewnętrznych pustkach. Dlatego płyty są precyzyjnie szlifowane i okresowo ponownie spłaszczane. Ogniwa obciążnikowe lub przetworniki ciśnienia w każdym siłowniku hydraulicznym zapewniają równomierność przyłożonej siły na całym obszarze płyty dociskowej.
Wniosek: Podstawa przyszłych silników odrzutowych
Podgrzewana płyta do obróbki CMC to triumf inżynierii ekstremalnej, narzędzie umożliwiające wykucie najlżejszych, najmocniejszych i najbardziej odpornych na ciepło materiałów przyszłości. Łącząc ultrawysokie temperatury, równomierne ciśnienie i idealnie czyste, obojętne środowisko, płyty te przekształcają preformy z tkanych włókien w gęste, pozbawione wad kompozyty z osnową ceramiczną. Silniki jutra-mogące pracować cieplej i wydajniej niż jakiekolwiek wcześniejsze-są budowane na gorących, płaskich powierzchniach najbardziej zaawansowanych współczesnych pras. Dla każdego zakładu produkującego komponenty CMC do zastosowań lotniczych i obronnych, masteringpodgrzewana płyta dociskowa CMC do prasowania na gorącotechnologia nie jest opcjonalna; jest to klucz do nowej generacji lotów o wysokim ciągu i niskim zużyciu paliwa.
