包含陶瓷基材料的翼型構(gòu)件及其過程的制作方法
【專利說明】包含陶瓷基材料的翼型構(gòu)件及其過程
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)請(qǐng)求享有2012年8月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/ 682，870號(hào)的權(quán)益，并且請(qǐng)求享有2012年12月20日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/721349號(hào)的優(yōu)先權(quán)，兩者的內(nèi)容通過引用并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體上涉及用于產(chǎn)生渦輪機(jī)的翼型構(gòu)件的過程及由此產(chǎn)生的翼型構(gòu)件。更具體而言，本發(fā)明針對(duì)用于產(chǎn)生具有末端蓋的陶瓷基翼型構(gòu)件的過程及由此產(chǎn)生的翼型構(gòu)件。
【背景技術(shù)】
[0003]渦輪機(jī)的構(gòu)件，包括燃?xì)鉁u輪的葉片(輪葉)和導(dǎo)葉(噴嘴)，典型地由具有用于渦輪操作溫度和條件的合乎需要的機(jī)械和環(huán)境性質(zhì)的鎳基、鈷基或鐵基超級(jí)合金形成。由于燃?xì)鉁u輪的效率取決于其操作溫度，故存在對(duì)能夠經(jīng)得起日益升高的溫度的構(gòu)件的需要。當(dāng)構(gòu)件的最高局部溫度接近其合金的熔化溫度時(shí)，強(qiáng)制空氣冷卻變?yōu)楸匾?。出于該原因，燃?xì)鉁u輪的翼型件，以及特別是它們的低壓和高壓渦輪(LPT和HPT)葉片，通常需要復(fù)雜的冷卻方案，其中空氣強(qiáng)制穿過翼型件內(nèi)的內(nèi)部冷卻通路，并且接著通過翼型件表面處的冷卻孔排放。翼型構(gòu)件可配備有末端蓋，其調(diào)節(jié)內(nèi)腔壓力，允許適當(dāng)?shù)目諝饬鞔┻^冷卻通路和孔。末端蓋典型地鑄造、硬釬焊或焊接到金屬空氣冷卻的LPT和HPT葉片上。
[0004]隨著連續(xù)地嘗試燃?xì)鉁u輪的較高操作溫度以便提高它們的效率，已經(jīng)研宄了備選材料。陶瓷基材料為顯著的實(shí)例，因?yàn)樗鼈兊母邷啬芰︼@著地降低了冷卻空氣要求。如本文中使用的，陶瓷基材料涵蓋均一的(整體的)陶瓷材料，以及陶瓷基質(zhì)復(fù)合(CMC)材料。CMC材料大體上包括嵌入陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料可為不連續(xù)的短纖維，其隨機(jī)地分散在基質(zhì)材料或定向在基質(zhì)材料內(nèi)的連續(xù)纖維或纖維束中。增強(qiáng)材料在基質(zhì)開裂的情況下用作CMC的承載組分。陶瓷基質(zhì)繼而保護(hù)增強(qiáng)材料，保持其纖維的定向，并且用于將負(fù)載消散至增強(qiáng)材料。作為基質(zhì)和/或增強(qiáng)材料的硅基復(fù)合物如金剛砂(SiC)變?yōu)榕c燃?xì)鉁u輪的高溫構(gòu)件(包括航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電行業(yè)中使用的陸基燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī))特別相關(guān)。SiC纖維已經(jīng)用作多種其它陶瓷基質(zhì)材料的增強(qiáng)材料，包括TiC、Si3N4和A1203。連續(xù)的纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合物(CFCC)為特定類型的CMC，其向多種高溫承載應(yīng)用提供了輕重量、高強(qiáng)度和高剛性，包括護(hù)罩、燃燒器襯套、導(dǎo)葉(噴嘴)、葉片(輪葉)和燃?xì)鉁u輪的其它高溫構(gòu)件。由通用電氣公司以HiPerComp?名稱開發(fā)的CFCC材料的顯著實(shí)例包含金剛砂和元素硅或硅合金的基質(zhì)中的連續(xù)的金剛砂纖維。
[0005]各種技術(shù)可用于制造CMC構(gòu)件，包括化學(xué)蒸氣滲透(CVI)和熔化滲透(MI)。這些制造技術(shù)已經(jīng)結(jié)合工具或模具使用，以通過包括各種處理階段處的熱和化學(xué)過程的應(yīng)用的過程來產(chǎn)生近凈形狀制品。美國(guó)專利號(hào)5，015，540,5, 330，854,5, 336，350,5, 628，938、6，024，898,6, 258，737,6, 403，158 和 6，503，441 和美國(guó)專利申請(qǐng)公告號(hào) 2004/0067316 中公開了此類過程的實(shí)例(特別是用于SiC/S1-SiC (纖維/基質(zhì))CFCC材料)。一種此類過程伴有由預(yù)浸料坯制造CMC，其均呈帶狀結(jié)構(gòu)的形式，包括期望的增強(qiáng)材料、CMC基質(zhì)材料的前體，以及一種或更多種粘合劑。在部分干燥以及如果適合，部分地固化粘合劑(B分級(jí))之后，所得的帶與其它帶鋪疊在一起，壓實(shí)，并且如果適合，固化同時(shí)經(jīng)受升高的壓力和溫度以產(chǎn)生固化的預(yù)成形件。預(yù)成形件接著在真空或惰性氣氛中點(diǎn)燃(熱解)以除去溶劑，分解粘合劑，并且將前體轉(zhuǎn)化成期望的陶瓷基質(zhì)材料，產(chǎn)生準(zhǔn)備好熔化滲透的多孔預(yù)成形件。在熔化滲透期間，熔化的硅和/或硅合金典型地滲透到預(yù)成形件的多孔中，其中，該熔化的硅和/或硅合金填充多孔，并且可與碳反應(yīng)來形成附加的金剛砂。
[0006]出于論述的目的，圖1中表示了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪(LPT)葉片10。葉片10為構(gòu)件的實(shí)例，其可由陶瓷基材料(包括CMC材料)產(chǎn)生。葉片10大體上表示為已知的類型，并且適于安裝于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段內(nèi)的盤或轉(zhuǎn)子(未示出)。出于該原因，葉片10表示為包括燕尾部12，其用于通過與形成在盤的圓周中的互補(bǔ)的燕尾槽聯(lián)鎖來將葉片10錨定于渦輪盤。如圖1中表示的，聯(lián)鎖特征包括接合由燕尾槽限定的凹口的一個(gè)或更多個(gè)凸起14。葉片10還示為具有平臺(tái)16，其將翼型件18與燕尾部12限定在其上的柄20分開。
[0007]用于制造陶瓷基渦輪葉片的當(dāng)前技術(shù)水平的途徑涉及在制作過程期間將燕尾部12、平臺(tái)16和翼型件18集成為一件，更類似于目前用于制造金屬葉片的常規(guī)熔模鑄造技術(shù)。由于它們的相對(duì)較高的溫度能力，故CMC翼型件如葉片10并未配備有末端蓋來用于上文針對(duì)金屬翼型構(gòu)件所述的目的。此外，用于將末端蓋附接于金屬空氣冷卻的LPT和HPT葉片的過程的硬釬焊和焊接技術(shù)大體上對(duì)于將末端蓋附接于由CMC材料形成的翼型構(gòu)件為不實(shí)際的。另外，末端蓋限定定向成橫穿葉片10的翼展方向的幾何形狀特征，使得將末端蓋并入到CMC葉片中將提出設(shè)計(jì)和制作挑戰(zhàn)。此外，典型的CMC材料的低應(yīng)變至故障能力提出了在旋轉(zhuǎn)CMC翼型構(gòu)件如渦輪葉片中實(shí)施末端蓋的附加挑戰(zhàn)，其中末端蓋將經(jīng)受高離心力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生包含陶瓷基材料的翼型構(gòu)件的過程，其中由陶瓷基材料形成的末端蓋并入成產(chǎn)生構(gòu)件，該構(gòu)件可進(jìn)一步并入空氣冷卻腔和冷卻孔來提供空氣冷卻能力。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種過程，其伴有由翼型件部分材料形成翼型構(gòu)件的翼型件部分，該翼型件部分材料包含陶瓷基材料的前體。翼型件部分材料限定翼型件部分的凹入壁和凸出壁，并且凹入壁和凸出壁限定翼型件部分的末端區(qū)域，以及翼型件部分內(nèi)的至少第一腔。形成了至少第一板層，其包含陶瓷基材料的前體，并且第一板層至少部分地閉合翼型件部分的末端區(qū)域處的第一腔。翼型件部分的翼型件部分材料和第一板層接著固化，以使第一板層形成末端蓋，其閉合末端區(qū)域處的第一腔，并且翼型件部分材料和第一板層的前體轉(zhuǎn)化成其陶瓷基材料。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，由上文所述的過程產(chǎn)生的翼型構(gòu)件可作為非限制性實(shí)例為渦輪機(jī)的渦輪葉片。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)效果為產(chǎn)生CMC翼型構(gòu)件的能力，該CMC翼型構(gòu)件具有適于與內(nèi)部空氣冷卻方案組合使用的末端蓋，其中末端蓋能夠呈現(xiàn)強(qiáng)度和有效負(fù)載轉(zhuǎn)移用于包括在旋轉(zhuǎn)的翼型構(gòu)件(包括渦輪葉片)上。
[0012]本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述更好地認(rèn)識(shí)到。
【附圖說明】
[0013]圖1為示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可由CMC材料形成的類型的渦輪葉片的透視圖。
[0014]圖2A和2B分別示意性地表示渦輪葉片(如圖1中的)的末端區(qū)域的端視圖和翼展方向截面視圖，并且表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由預(yù)浸料坯板層集成末端蓋。
[0015]圖3A和3B分別示意性地表示渦輪葉片(如圖1中的)的末端區(qū)域的端視圖和翼展方向截面視圖，并且表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例由預(yù)浸料坯板層集成末端蓋。
[0016]圖4示意性地表示渦輪葉片(如圖1中的)的末端區(qū)域的翼弦方向截面視圖，并且表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的閉合葉片內(nèi)的多個(gè)腔