[发明专利]陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘

说明书

技术领域

本发明涉及发动机涡轮叶盘技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘。

背景技术

航空发动机结构设计领域的“整体叶盘”的结构出现于80年代中期，其将工作叶片和轮盘联成一体，省去了连接用的榫头、榫槽，使叶轮结构大为简化。整体叶盘结构的优点很多，例如：①比现有的焊接结构强度高、可靠性能好；②经过长时间使用不掉叶冠，涡轮效率由50％提高到70％；③使发动机的零件数目大大减少，降低成本；④消除了气流在榫头与榫槽缝隙中逸流所造成的损失，避免由于装配不当后榫头的腐蚀，特别是微动腐蚀、裂纹及锁片损坏等带来的故障。

对于涡轮叶盘，目前国内制备出的多为焊接式的叶盘，如普通发动机的压气机及风扇的转子叶片均用其叶身下的榫头装于涡轮盘轮缘的榫槽中，但该类叶盘焊接口的力学性能差，容易出现断裂。与焊接式的涡轮叶盘相比，整体涡轮盘把叶片和轮盘做成一体，其无需在涡轮盘轮缘加工安装叶片的榫槽，从而可以大大减小轮缘的径向尺寸和减轻转子重量。但现阶段仅存在少数的涡轮整体叶盘,且均采用金属材料制备而成。金属整体涡轮盘存在诸多缺点，例如：目前性能最好的金属涡轮整体叶盘在受绕对称轴旋转的角速度为13200rad/s的旋转载荷下的轮盘和鼓筒连接处的最大应力高达5GPa；此外，金属涡轮整体叶盘的耐高温性和循环寿命等性能均有待提高。基于此，开发一种性能更好的整体涡轮叶盘尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘，以提高整体涡轮叶盘的最大承载能力，同时提高其耐高温性和循环寿命，从而使其更好的满足发动机尤其是高性能航空发动机的需求。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘，整体涡轮叶盘由碳纤维增强热解碳-碳化硅陶瓷基复合材料制成；其中，碳纤维增强热解碳-碳化硅陶瓷基复合材料的基体材料为热解碳和碳化硅，纤维材料选用碳纤维。具体地，热解碳(PyC)的弹性模量为30Gpa，泊松比为0.12，密度为2.07g/cm³；碳纤维的弹性模量为220GPa，泊松比为0.12，密度为1.75g/cm³；碳化硅(SiC)的弹性模量为350Gpa，泊松比为0.2，密度为3.06g/cm³。涡轮盘作为航空发动机具有关键特性的核心部件，其质量和性能水平对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高有着决定性影响。本发明提供的采用碳纤维增强热解碳-碳化硅(C/C-SiC)陶瓷基复合材料制成的整体涡轮叶盘，基于碳纤维增强热解碳-碳化硅陶瓷基复合材料优异的高比强度、高比模量、高热导率、高致密化强度以及低热膨胀系数等特性，将其应用于整体涡轮叶盘的制作中，可以显著提高整体涡轮叶盘的最大承载能力，同时提高其耐高温性和循环寿命，从而使本发明提供的整体涡轮叶盘能够更好的满足发动机尤其是高性能航空发动机的需求。

在本发明的进一步实施方式中，碳纤维增强热解碳-碳化硅陶瓷基复合材料依次由碳纤维层、第一基体层和第二基体层组成；其中，第一基体层由交替沉积的热解碳层和碳化硅层组成，第二基体层为碳化硅层。选用热解碳和碳化硅组成的双元陶瓷基复合材料基体，可以使得到的整体涡轮叶盘的各方面性质更好；具体地，通过交替沉积热解碳(PyC)和碳化硅(SiC)得到第一基体层，第一基体层和第二基体层的碳化硅层得到本发明所需的基体；从而使本发明提供的整体涡轮叶盘具有更优异的力学性能，使其承载能力更强；同时，也提高了整体涡轮叶盘的循环寿命。

在本发明的进一步实施方式中，第一基体层中，交替沉积3次，得到依次由碳纤维层、热解碳层、碳化硅层、热解碳层、碳化硅层、热解碳层、碳化硅层和第二基体层碳化硅层组成的碳纤维增强热解碳-碳化硅陶瓷基复合材料；其中，各热解碳层和碳化硅层的厚度均为1μm-2μm。

在本发明的进一步实施方式中，第一基体层与碳纤维层的厚度比为1:2。