形成帶有冷卻特征的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的方法
【專利說明】形成帶有冷卻特征的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的方法
[0001]對相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本PCT發(fā)明申請要求已于2013年5月29日提交的題為“Methods and Materialsfor Forming In-Situ Cavities for Silicon-Based Ceramic Matrix CompositeComponent^用于在硅基陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件中形成原位空腔的方法和材料)”的具有美國專利申請序列號61/828，273的未決臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)和好處，該申請的全部內(nèi)容通過引用被并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]公開的實(shí)施例大體關(guān)于用于燃?xì)廨啓C(jī)的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件。更具體地，本發(fā)明涉及用于在陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件中形成原位空腔的方法和材料。
【背景技術(shù)】
[0004]在燃?xì)廨啓C(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中被壓縮并在燃燒器中與燃料混合以用于生成向下游流過渦輪機(jī)級的熱燃?xì)?。典型的燃?xì)廨啓C(jī)一般擁有前端和后端，其中燃?xì)廨啓C(jī)的若干核心或推進(jìn)構(gòu)件軸向定位在兩端之間?？諝馊肟诨蜻M(jìn)氣口位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端。向后端移動(dòng)，進(jìn)氣口后面依次是風(fēng)扇、壓縮機(jī)、燃燒室、和渦輪機(jī)。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易明白的是附加的構(gòu)件也可以被包含在發(fā)動(dòng)機(jī)中，例如低壓和高壓壓縮機(jī)，以及低壓和高壓渦輪機(jī)。但是，這不是詳盡的列舉。
[0005]壓縮機(jī)和渦輪機(jī)一般包括在級內(nèi)軸向疊加的翼型列。每一級包括一列周向間隔的定子導(dǎo)葉和圍繞渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的中心軸或軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件。在用于給飛行中的航空器供能的渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)配置中，多級低壓渦輪機(jī)在多級高壓渦輪機(jī)后面，并典型地通過第二軸連結(jié)到布置在壓縮機(jī)上游的風(fēng)扇。這些渦輪機(jī)級從燃?xì)庵刑崛∧芰俊?br>[0006]定子由多個(gè)噴嘴段形成，多個(gè)噴嘴段鄰接在周向末端以圍繞燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線形成完整的環(huán)。每個(gè)噴嘴段包括在內(nèi)帶和外帶之間延伸的一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)葉。定子噴嘴以一種使相鄰的下游渦輪葉片處的提取極大化的方式引導(dǎo)熱燃?xì)狻?br>[0007]渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子組件典型地包括至少一列周向間隔的轉(zhuǎn)子葉片。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片包括具有在前緣和尾緣處連接在一起的壓力側(cè)和吸力側(cè)的翼型。每個(gè)翼型從轉(zhuǎn)子葉片平臺(tái)徑向向外延伸。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片還可以包括從柄部徑向向內(nèi)延伸的燕尾，柄部在平臺(tái)和燕尾之間延伸。燕尾被用于將轉(zhuǎn)子組件內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉片安裝到轉(zhuǎn)子盤或芯軸。已知的葉片是中空的，使得內(nèi)部冷卻腔至少部分地由翼型、平臺(tái)、柄部、和燕尾限定。
[0008]陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有對在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的特別的重要性，這是因?yàn)樵谌細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中尋求更高的運(yùn)行溫度來提高效率。CMC材料可被用于各種構(gòu)件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)、壓縮機(jī)、和風(fēng)扇區(qū)域中的翼型。CMC材料典型地包括被嵌入陶瓷基材料中的陶瓷纖維加強(qiáng)材料。加強(qiáng)材料有助于為CMC提供負(fù)荷承載功能，并且陶瓷基保護(hù)加強(qiáng)材料、維持纖維定向以及將負(fù)荷分散給加強(qiáng)材料。美國申請序列號13/780，584和13/780，306中教導(dǎo)了多種方法，以上兩個(gè)申請通過引用并入本文中。
[0009]采用目前所使用的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件，特征在模制之后通過后續(xù)加工形成在零件內(nèi)。加工導(dǎo)致材料去除以形成期望的特征，例如冷卻孔口。被加工的特征在設(shè)計(jì)上受去除材料加工的制造工藝的限制。例如，在鉆孔工藝中，特征一般被限制為直線特征。
[0010]克服這些和其他特征并形成帶有當(dāng)前利用已知的加工技術(shù)可能無法形成的改善的幾何特征的模制構(gòu)件是期望的。更期望的是減少或消除當(dāng)前在現(xiàn)有的模制技術(shù)中所要求的材料去除或清理步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本實(shí)施例，提供了一種形成模制的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其中插入件在制造期間提供在期望的形狀的預(yù)制疊層中。插入件由能承受與制造工藝的熱解和熔體滲透步驟相關(guān)的高溫的材料制成。插入件可由比用其他方式通過已知的模制工藝可獲得的更加復(fù)雜的形狀形成，以提供用本領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)的工藝不容易成形的模制特征。
[0012]—種形成帶有冷卻特征的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的方法，包括形成預(yù)制帶，將預(yù)制帶層疊成期望的形狀，將預(yù)定幾何形狀的耐高溫的暫時(shí)的材料插入件放置在期望的形狀的預(yù)制帶中，壓緊期望的形狀的預(yù)制帶，燒盡期望的形狀的預(yù)制帶，熔體滲透期望的形狀，在燒盡或熔體滲透中的一個(gè)期間或者在燒盡或熔體滲透之后去除耐高溫的插入件以形成冷卻特征。方法中的去除是機(jī)械或化學(xué)去除中的一種。方法還包括機(jī)械地清理由插入件形成的冷卻特征。方法還包括形成以下中的一個(gè)的耐高溫的暫時(shí)的材料插入件:氮化硼、硅石、氧化娃、涂覆氮化硼的DAP聚合物、Y2Si2O7稀土氧化物、涂覆氮化硼的氧化娃、涂覆碳的氮化硼、鉬絲、高度耐火材料和金剛石粉末。方法中的放置是通過帶鑄放置(tape-castplacement)、預(yù)制管放置、噴涂、絲網(wǎng)印刷、涂覆有氮化硼的快速成型聚合物放置、以及噴射模制。方法中的去除是化學(xué)分解。當(dāng)插入件是由氧化硅形成時(shí)，方法中的去除在燒盡或熔體滲透期間發(fā)生。方法中的熔體滲透包括在預(yù)定形狀的燒盡預(yù)制帶上插入至少2600度的熔融硅。方法還包括形成復(fù)雜的非直視性的冷卻特征。
[0013]本
【發(fā)明內(nèi)容】
被提供從而以簡化的形式介紹在下面的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述的概念的選擇。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不意圖確認(rèn)所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不意圖用于限制所要求保護(hù)的主題的范圍。本發(fā)明的特征、細(xì)節(jié)、效用和優(yōu)點(diǎn)的更廣泛的呈現(xiàn)在下面的本發(fā)明各種實(shí)施例的文字描述中提供，在附圖中示出，并且在所附的權(quán)利要求中限定。
【附圖說明】
[0014]通過參見下面結(jié)合附圖的實(shí)施例的描述，這些示例性的實(shí)施例的上述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)以及獲得它們的方式將變得更加清楚，并且用于形成原位空腔的方法和材料將被更好地理解，其中:
[0015]圖1是示例性燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)剖視圖；
[0016]圖2是形成原位空腔的方法的示意圖；
[0017]圖3是包括多個(gè)用于形成空腔的多個(gè)插入件的示例性試樣的俯視圖；
[0018]圖4是包括由圖3的試樣形成的空腔的預(yù)制疊層的一部分的側(cè)剖視圖；以及
[0019]圖5是通過在其中帶有模制特征的工藝而形成的CMC構(gòu)件的局部剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)在將詳細(xì)地參考提供的實(shí)施例，實(shí)施例的一個(gè)或更多個(gè)示例在附圖中示出。每個(gè)示例通過解釋而不是本公開的限制來提供。事實(shí)上，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)顯而易見的是能在本實(shí)施例中做出各種修改和變化而不脫離本公開的范圍或精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分描述或示出的特征能與里蓋實(shí)施例一起使用以獲得另一實(shí)施例。因此，意圖本發(fā)明將覆蓋落入所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的這些修改和變化。
[0021]參考圖1-5，描繪了用于形成原位空腔的方法和材料的各種實(shí)施例。該方法和材料被用于在陶瓷基復(fù)合材料(CMC)構(gòu)件中制造空腔特征，例如創(chuàng)建冷卻通道、槽、孔、和/或?qū)崿F(xiàn)重量減輕和/或其他目的或功能。該方法包括一種插入到預(yù)制件中然后在熔體滲透工藝期間或之后被去除的暫時(shí)的材料。該工藝允許帶有通過現(xiàn)有的后模制加工技術(shù)不能形成的模制到構(gòu)件內(nèi)的更復(fù)雜的特征(例如原位空腔)的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的創(chuàng)建。例如，特征可包括在CMC構(gòu)件內(nèi)的復(fù)雜的、非直線的視覺冷卻特征。另外，特征可以更容易地位于在例如期望熱量減少以用于改善的冷卻的表面的附近。然而這些示例不是限制性的，其他實(shí)施例可以被米用。
[0022]如本文中所使用的，術(shù)語“軸向的”或“軸向地”是指沿發(fā)動(dòng)機(jī)縱向軸線的維度。結(jié)合“軸向的”或“軸向地”使用的術(shù)語“前”是指沿朝著發(fā)動(dòng)機(jī)入口的方向移動(dòng)，或者一個(gè)構(gòu)件比另一個(gè)構(gòu)件更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)入口。結(jié)合“軸向的”或“軸向地”使用的術(shù)語“后”是指沿朝著發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的方向移動(dòng)，或者一個(gè)構(gòu)件比另一個(gè)構(gòu)件更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。
[0023]如本文中所使用的，術(shù)語“徑向的”或“徑向地”是指在發(fā)動(dòng)機(jī)的中心縱向軸線和發(fā)動(dòng)機(jī)外周之間延伸的維度。術(shù)語“近側(cè)的”或“近側(cè)地”本身或結(jié)合