包含陶瓷基材料的翼型构件及其过程制造技术

一种用于产生包含陶瓷基材料且具有末端盖的翼型构件的过程。过程伴有由包含陶瓷基材料的前体的翼型件部分材料形成构件的翼型件部分。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区域，以及翼型件部分内的至少一个腔。形成了至少第一板层，其包含陶瓷基材料的前体，并且第一板层至少部分地闭合翼型件部分的末端区域处的腔。翼型件部分材料和第一板层接着固化，以使第一板层形成末端盖，该末端盖闭合腔，并且翼型件部分材料和第一板层的前体转化成其陶瓷基材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】包含陶瓷基材料的翼型构件及其过程相关申请的交叉引用本申请请求享有2012年8月14日提交的美国临时申请第61/ 682，870号的权益，并且请求享有2012年12月20日提交的美国专利申请第13/721349号的优先权，两者的内容通过引用并入本文中。
本专利技术大体上涉及用于产生涡轮机的翼型构件的过程及由此产生的翼型构件。更具体而言，本专利技术针对用于产生具有末端盖的陶瓷基翼型构件的过程及由此产生的翼型构件。
技术介绍
涡轮机的构件，包括燃气涡轮的叶片(轮叶)和导叶(喷嘴)，典型地由具有用于涡轮操作温度和条件的合乎需要的机械和环境性质的镍基、钴基或铁基超级合金形成。由于燃气涡轮的效率取决于其操作温度，故存在对能够经得起日益升高的温度的构件的需要。当构件的最高局部温度接近其合金的熔化温度时，强制空气冷却变为必要的。出于该原因，燃气涡轮的翼型件，以及特别是它们的低压和高压涡轮(LPT和HPT)叶片，通常需要复杂的冷却方案，其中空气强制穿过翼型件内的内部冷却通路，并且接着通过翼型件表面处的冷却孔排放。翼型构件可配备有末端盖，其调节内腔压力，允许适当的空气流穿过冷却通路和孔。末端盖典型地铸造、硬钎焊或焊接到金属空气冷却的LPT和HPT叶片上。随着连续地尝试燃气涡轮的较高操作温度以便提高它们的效率，已经研宄了备选材料。陶瓷基材料为显著的实例，因为它们的高温能力显著地降低了冷却空气要求。如本文中使用的，陶瓷基材料涵盖均一的(整体的)陶瓷材料，以及陶瓷基质复合(CMC)材料。CMC材料大体上包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。增强材料可为不连续的短纤维，其随机地分散在基质材料或定向在基质材料内的连续纤维或纤维束中。增强材料在基质开裂的情况下用作CMC的承载组分。陶瓷基质继而保护增强材料，保持其纤维的定向，并且用于将负载消散至增强材料。作为基质和/或增强材料的硅基复合物如金刚砂(SiC)变为与燃气涡轮的高温构件(包括航空燃气涡轮发动机和发电行业中使用的陆基燃气涡轮发动机)特别相关。SiC纤维已经用作多种其它陶瓷基质材料的增强材料，包括TiC、Si3N4和A1203。连续的纤维增强陶瓷复合物(CFCC)为特定类型的CMC，其向多种高温承载应用提供了轻重量、高强度和高刚性，包括护罩、燃烧器衬套、导叶(喷嘴)、叶片(轮叶)和燃气涡轮的其它高温构件。由通用电气公司以HiPerComp?名称开发的CFCC材料的显著实例包含金刚砂和元素硅或硅合金的基质中的连续的金刚砂纤维。各种技术可用于制造CMC构件，包括化学蒸气渗透(CVI)和熔化渗透(MI)。这些制造技术已经结合工具或模具使用，以通过包括各种处理阶段处的热和化学过程的应用的过程来产生近净形状制品。美国专利号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 和美国专利申请公告号 2004/0067316 中公开了此类过程的实例(特别是用于SiC/S1-SiC (纤维/基质)CFCC材料)。一种此类过程伴有由预浸料坯制造CMC，其均呈带状结构的形式，包括期望的增强材料、CMC基质材料的前体，以及一种或更多种粘合剂。在部分干燥以及如果适合，部分地固化粘合剂(B分级)之后，所得的带与其它带铺叠在一起，压实，并且如果适合，固化同时经受升高的压力和温度以产生固化的预成形件。预成形件接着在真空或惰性气氛中点燃(热解)以除去溶剂，分解粘合剂，并且将前体转化成期望的陶瓷基质材料，产生准备好熔化渗透的多孔预成形件。在熔化渗透期间，熔化的硅和/或硅合金典型地渗透到预成形件的多孔中，其中，该熔化的硅和/或硅合金填充多孔，并且可与碳反应来形成附加的金刚砂。出于论述的目的，图1中表示了燃气涡轮发动机的低压涡轮(LPT)叶片10。叶片10为构件的实例，其可由陶瓷基材料(包括CMC材料)产生。叶片10大体上表示为已知的类型，并且适于安装于航空燃气涡轮发动机的涡轮区段内的盘或转子(未示出)。出于该原因，叶片10表示为包括燕尾部12，其用于通过与形成在盘的圆周中的互补的燕尾槽联锁来将叶片10锚定于涡轮盘。如图1中表示的，联锁特征包括接合由燕尾槽限定的凹口的一个或更多个凸起14。叶片10还示为具有平台16，其将翼型件18与燕尾部12限定在其上的柄20分开。用于制造陶瓷基涡轮叶片的当前技术水平的途径涉及在制作过程期间将燕尾部12、平台16和翼型件18集成为一件，更类似于目前用于制造金属叶片的常规熔模铸造技术。由于它们的相对较高的温度能力，故CMC翼型件如叶片10并未配备有末端盖来用于上文针对金属翼型构件所述的目的。此外，用于将末端盖附接于金属空气冷却的LPT和HPT叶片的过程的硬钎焊和焊接技术大体上对于将末端盖附接于由CMC材料形成的翼型构件为不实际的。另外，末端盖限定定向成横穿叶片10的翼展方向的几何形状特征，使得将末端盖并入到CMC叶片中将提出设计和制作挑战。此外，典型的CMC材料的低应变至故障能力提出了在旋转CMC翼型构件如涡轮叶片中实施末端盖的附加挑战，其中末端盖将经受高离心力。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于产生包含陶瓷基材料的翼型构件的过程，其中由陶瓷基材料形成的末端盖并入成产生构件，该构件可进一步并入空气冷却腔和冷却孔来提供空气冷却能力。根据本专利技术的第一方面，提供了一种过程，其伴有由翼型件部分材料形成翼型构件的翼型件部分，该翼型件部分材料包含陶瓷基材料的前体。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区域，以及翼型件部分内的至少第一腔。形成了至少第一板层，其包含陶瓷基材料的前体，并且第一板层至少部分地闭合翼型件部分的末端区域处的第一腔。翼型件部分的翼型件部分材料和第一板层接着固化，以使第一板层形成末端盖，其闭合末端区域处的第一腔，并且翼型件部分材料和第一板层的前体转化成其陶瓷基材料。根据本专利技术的优选方面，由上文所述的过程产生的翼型构件可作为非限制性实例为涡轮机的涡轮叶片。本专利技术的技术效果为产生CMC翼型构件的能力，该CMC翼型构件具有适于与内部空气冷却方案组合使用的末端盖，其中末端盖能够呈现强度和有效负载转移用于包括在旋转的翼型构件(包括涡轮叶片)上。本专利技术的其它方面和优点将从以下详细描述更好地认识到。【附图说明】图1为示意性地表示根据本专利技术的实施例的可由CMC材料形成的类型的涡轮叶片的透视图。图2A和2B分别示意性地表示涡轮叶片(如图1中的)的末端区域的端视图和翼展方向截面视图，并且表示根据本专利技术的实施例由预浸料坯板层集成末端盖。图3A和3B分别示意性地表示涡轮叶片(如图1中的)的末端区域的端视图和翼展方向截面视图，并且表示根据本专利技术的另一个实施例由预浸料坯板层集成末端盖。图4示意性地表示涡轮叶片(如图1中的)的末端区域的翼弦方向截面视图，并且表示根据本专利技术的实施例的闭合叶片内的多个腔当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生翼型构件的过程，所述过程包括：形成包含陶瓷基材料的前体的翼型件部分材料的翼型件部分，所述翼型件部分材料限定所述翼型件部分的凹入壁和凸出壁，所述凹入壁和所述凸出壁限定所述翼型件部分的末端区域，以及所述翼型件部分内的至少第一腔；形成至少第一板层，其包含陶瓷基材料的前体，所述第一板层至少部分地闭合所述翼型件部分的末端区域处的所述第一腔；以及接着固化所述翼型件部分的翼型件部分材料和所述第一板层，以使所述第一板层形成末端盖，所述末端盖闭合所述末端区域处的所述第一腔，并且所述翼型件部分材料和所述第一板层的前体转化成其所述陶瓷基材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AR佩奇，P伊宗，ME诺埃，JB贾米森，M费里利，MW马鲁斯科，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US