纖維強(qiáng)化后的渦輪零部件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維強(qiáng)化后的渦輪零部件，尤其涉及由包含強(qiáng)化纖維的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)成的渦輪動葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖8A中舉例表示那樣，航空器用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)具備用于從燃燒氣體取出能量的多級渦輪，各級的渦輪由在渦輪盤的周圍排列的多個渦輪動葉片構(gòu)成。如圖8B中舉例表示那樣，各渦輪動葉片100大致由葉片部102、包圍外側(cè)的圍帶部104、包圍內(nèi)側(cè)的平板部108、以及用于與渦輪盤結(jié)合的燕尾部106構(gòu)成。在由圍帶部104和平板部108包圍的空間流動燃燒氣體，葉片部102承受該流動的燃燒氣體并將其能量變換為旋轉(zhuǎn)能量，向渦輪盤傳遞。隨著旋轉(zhuǎn)，各渦輪動葉片100受到離心力CF。
[0003]由于渦輪動葉片暴露于燃燒氣體的高溫下，所以選擇在高溫時具有足夠的強(qiáng)度的材料，在以往例如是Ni基合金。近幾年，根據(jù)航空器的燃料效率提高的要求，研宄了利用能夠更加耐高溫的溫度且更加輕型的陶瓷基復(fù)合材料(CMC)。CMC是通過將由陶瓷構(gòu)成的強(qiáng)化纖維埋入相同種類的或者不同種類的陶瓷的基體而成的。由CMC構(gòu)成的部件的制造例如通過編織強(qiáng)化纖維而成為織物、并利用浸漬法或氣相法在該纖維間填充基體而成。專利文獻(xiàn)1、2公開相關(guān)的技術(shù)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:美國專利第7510379號公報
[0007]專利文獻(xiàn)2:美國專利申請公開2009/0165924號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明所要解決的課題
[0009]由于織物較薄，所以制造較薄的板狀的CMC部件容易。具有某程度的厚度的CMC部件能夠通過使強(qiáng)化纖維織物重疊來制造。然而，強(qiáng)化纖維織物重疊后的面間不通過強(qiáng)化纖維連接。由于CMC的高強(qiáng)度較多依賴于強(qiáng)化纖維，所以這樣的部位顯著強(qiáng)度較差，且針對剝離或剪切的破壞較脆弱。
[0010]在如渦輪動葉片那樣不是單純的板狀的復(fù)雜形狀的部件中，對于上述的問題需要特別注意。例如葉片部是接近單純的板狀的形狀，因而能夠通過使纖維朝向長邊方向并在與其正交的寬度方向上重疊強(qiáng)化纖維織物來形成。由于朝向長邊方向的纖維沿著離心力的方向，所以提供對抗離心力的足夠的強(qiáng)度。另一個方面，燕尾部需要比葉片部沿寬度方向膨出而與渦輪盤卡合。膨出的構(gòu)造能夠通過在該部位追加地重疊強(qiáng)化纖維織物來形成。但是，這樣的構(gòu)造中，由于離心力以剪切重疊的面的方式作用于燕尾部，所以有引起剪切破壞的擔(dān)憂。
[0011]如上所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)問題的根源在于使強(qiáng)化纖維織物重疊，想到解決該問題的構(gòu)造，從而完成本發(fā)明。
[0012]用于解決課題的方案
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，渦輪零部件具備:葉片部，其沿長邊方向延伸；燕尾部，其與上述葉片部的一端連續(xù)，且在與上述長邊方向交叉的寬度方向上比上述葉片部膨出；多個第一強(qiáng)化纖維，它們從上述葉片部至上述燕尾部連續(xù)地行進(jìn)；第二強(qiáng)化纖維，其在上述葉片部處至少局部地沿上述寬度方向行進(jìn)；以及基體，其結(jié)合上述多個第一強(qiáng)化纖維和上述第二強(qiáng)化纖維的整體，其中，在上述葉片部，上述第二強(qiáng)化纖維織入上述多個第一強(qiáng)化纖維之間而構(gòu)成三維織物，在上述燕尾部，上述多個第一強(qiáng)化纖維不會被織入的其它纖維而在上述寬度方向上匯集，而在上述寬度方向上展開。
[0014]發(fā)明的效果如下。
[0015]由陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)成的渦輪零部件在燕尾部也能夠確保足夠的強(qiáng)度。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的一個實施方式的渦輪動葉片和渦輪盤的立體圖。
[0017]圖2是示意的渦輪動葉片的剖視圖，舉例表示了葉片部的內(nèi)側(cè)端以及燕尾部的強(qiáng)化纖維織物的行進(jìn)。
[0018]圖3是其它例子的示意的渦輪動葉片的剖視圖。
[0019]圖4是另一其它例子的示意的渦輪動葉片的剖視圖。
[0020]圖5是用于本實施方式的由強(qiáng)化纖維構(gòu)成的三維織物的示意立體圖。
[0021]圖6A是渦輪動葉片的示意立體圖，舉例表示了包含追加的強(qiáng)化纖維織物的渦輪動葉片。
[0022]圖6B是沿圖6A的VIB-VIB線取得的渦輪動葉片的示意剖視圖。
[0023]圖7A是與圖6A不同的例子的渦輪動葉片的示意立體圖。
[0024]圖7B是沿圖7A的VIIB-VIIB線取得的渦輪動葉片的示意剖視圖。
[0025]圖8A是局部切斷來觀察內(nèi)部構(gòu)造的航空器用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的立體圖。
[0026]圖8B是一般的渦輪動葉片的立體圖。
【具體實施方式】
[0027]以下，參照附圖對本發(fā)明的幾個舉例表示的實施方式進(jìn)行說明。
[0028]本實施方式能夠用于如渦輪動葉片那樣復(fù)雜形狀的渦輪零部件，但也能夠用于需要高溫強(qiáng)度的其它多種機(jī)械部件。以下，以圖1中舉例表示的渦輪動葉片I為例對本實施方式進(jìn)行說明。
[0029]本說明書以及權(quán)利要求書中，渦輪的徑向與渦輪動葉片的長邊方向一致，將其稱作長邊方向。同樣將渦輪的軸向稱作進(jìn)深方向，將渦輪的旋轉(zhuǎn)的切線方向稱作寬度方向。附圖以及以下的說明中，將長邊方向、進(jìn)深方向、以及寬度方向分別表示為X、Y、Zo各圖的例子中這些方向相互正交，但在本實施方式中不是必須是正交，它們也可以相互斜向地交叉。
[0030]參照圖1，渦輪動葉片I具備:沿長邊方向X延伸的葉片部2 ;從葉片部2的外側(cè)端沿寬度方向Z伸出的圍帶部4 ;從葉片部2的內(nèi)側(cè)端沿寬度方向Z伸出的平板部8 ;以及比平板部8還向內(nèi)周方向突出的燕尾部6。燕尾部6與葉片部2的下端連續(xù)，沿寬度方向Z比葉片部2膨出，并與具有與燕尾部6的形狀互補(bǔ)的形狀的渦輪盤9卡合。多個渦輪動葉片I受到燃燒氣流，與渦輪盤9 一體地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動R。因旋轉(zhuǎn)運動R而對渦輪動葉片I作用離心力CF。
[0031]渦輪動葉片I局部或者整體由陶瓷基復(fù)合材料(CMC)構(gòu)成。其整體也可以是一體，至少葉片部2以及燕尾部6由CMC —體形成。
[0032]該強(qiáng)化纖維至少局部地三維編織而如圖5中舉例表示那樣構(gòu)成三維織物。沿長邊方向X行進(jìn)的多個第一強(qiáng)化纖維10在進(jìn)深方向Y以及寬度方向Z上隔開間隔地平行并列，一個以上的第二強(qiáng)化纖維織入其間，從而構(gòu)成三維織物。第二強(qiáng)化纖維至少局部地沿寬度方向Z行進(jìn)，還在進(jìn)深方向Y上也行進(jìn)，從而包含這樣的三維織物的CMC在所有方向上具有足夠的強(qiáng)度。
[0033]第一強(qiáng)化纖維10以及第二強(qiáng)化纖維例如是碳化硅纖維、碳纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維中任一個，但也可以是其它適當(dāng)?shù)奶沾桑€可以是它們中兩個以上的混合物。并且，第一強(qiáng)化纖維10和第二強(qiáng)化纖維也可以是相同的材料，也可以是不同的材料。
[0034]第一強(qiáng)化纖維10以及第二強(qiáng)化纖維通過基體相互結(jié)合?；w也能夠使用任意的陶瓷，例如能夠使用與第一、第二強(qiáng)化纖維相同種類的陶瓷。組合的一個例子是氮化硅纖維的強(qiáng)化纖維和由氮化硅構(gòu)成的基體的組合，這在高溫強(qiáng)度以及輕型性的方面優(yōu)異。
[0035]參照圖2，第一強(qiáng)化纖維10從葉片部2至燕尾部6連續(xù)行進(jìn)。在葉片部2，第二強(qiáng)化纖維織入第一強(qiáng)化纖維10之間而構(gòu)成三維織物。由于第一強(qiáng)化纖維10被第二強(qiáng)化纖維匯集，所以在寬度方向Z上比較薄。
[0036]如上所述，第一強(qiáng)化纖維10連續(xù)地到達(dá)燕尾部6，在此處不構(gòu)成三維織物。S卩，在燕尾部6，第一強(qiáng)化纖維10不會被在其之間織入的其它纖維在寬度方向Z上匯集，而在寬度方向Z上展開。本說明書以及權(quán)利要求書中，“展開”這個詞是指解開、擴(kuò)開纖維間的間隔、在橫向上擴(kuò)大、分散的意思。由此，燕尾部6比葉片部2沿寬度方向Z膨出。
[0037]此外，在燕尾部6，第一強(qiáng)化纖維10也可以相互獨立，或者也可以構(gòu)成多個二維織物。即，在燕尾部6，第一強(qiáng)化纖維10形成多個層，各層中在第一強(qiáng)化纖維10間織入沿進(jìn)深方向Y行進(jìn)的其它強(qiáng)化纖維，由此也可以構(gòu)成各層在進(jìn)深方向Y上捆束的二維織物。構(gòu)成二維織物使第一強(qiáng)化纖維10的處理變得容易。
[0038]第一強(qiáng)化纖維10也可以在葉片部2和燕尾部6雙方中，從其中心C至表面沿寬度方向Z是等間隔。例如圖2中與輔助線La相交的交點Pal、Pa2、一Pan是等間隔，在輔助線Lb上交點Pbl、Pb2、一Pbn也是等間隔。第一強(qiáng)化纖維10在中心C與長邊方向X大致平行地行進(jìn)，并隨著接近燕尾部6的表面而沿向表面漸近的方向行進(jìn)。
[0039]根據(jù)上述的例子，除最表面的之外