[发明专利]使用机械接头的CMC构件和制作

说明书

一种陶瓷基质复合物(CMC)构件，其包括第一子构件和第二子构件。第一子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)形成，并且第二CMC子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)或整体式陶瓷材料中的一者形成。子构件还包括互锁机械接头，其连结第一子构件和第二子构件，以形成复合物材料构件。互锁机械接头包括至少一个凹槽，其限定在第一子构件或第二子构件中的一者中，并且第一子构件或第二子构件中的另一者的一部分设置到该至少一个凹槽中。提供由连结的第一子构件和第二子构件形成的护罩节段。还提供用于使用互锁机械接头连结第一子构件和第二子构件的方法。

技术领域

本文中公开的主题涉及陶瓷基质复合物(CMC)子构件和此类子构件的连结。更具体而言，本发明涉及CMC构件和利用机械接头由多个子构件形成CMC构件的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机以作为构件的燃烧器为特征。空气进入发动机并且穿过压缩机。压缩空气发送穿过一个或多个燃烧器。在燃烧器内的是一个或多个喷嘴，其用于将燃料引入到穿过燃烧器的空气流中。所得的燃料-空气混合物在燃烧器中由点火器点燃，以生成在大约1100℃到大约2000℃范围内的热的、加压的燃烧气体，并且离开燃烧器的该高能量气流由第一级涡轮喷嘴重新引导至下游的高压和低压涡轮级。燃气涡轮发动机的涡轮区段含有转子轴和一个或多个涡轮级，它们均具有由轴安装或以其它方式承载的涡轮盘(或转子)，和安装至盘的周边并从该盘的周边沿径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件典型地通过扩展由燃料-空气混合物的燃烧产生的高能量气流来生成旋转轴功率。燃气涡轮动叶或叶片大体上具有翼型形状，其设计成将流动路径气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。在这些阶段，膨胀的热气体将力施加在涡轮叶片上，因此提供附加的旋转能量，例如，以驱动发电发生器。

在用于燃气涡轮发动机的先进气体路径(AGP)传热设计中，CMC的高温性能使其成为制作弓形构件(如涡轮叶片、喷嘴以及护罩)的有吸引力的材料。在涡轮发动机内，护罩为包绕旋转叶片的材料环。

大量技术在过去用于使用陶瓷基质复合物(CMC)来制造涡轮发动机构件，如涡轮叶片、喷嘴或护罩。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。在基质开裂的情况下，增强材料用作CMC的负荷承载组分，而陶瓷基质保护增强材料，维持其纤维的定向，并且在不存在基质开裂的情况下承载负荷。高温应用(如在燃气涡轮发动机中)特别感兴趣的是硅基复合物。提出碳化硅(SiC)基陶瓷基质复合物(CMC)材料，作为用于燃气涡轮发动机的某些构件(如涡轮叶片、导叶、燃烧器衬套以及护罩)的材料。SiC纤维用作用于多种陶瓷基质材料的增强材料，包括SiC、C以及Al₂O₃。已知用于制作SiC基CMC构件的各种方法，包括Silicomp、熔融渗透(MI)、化学气相渗透(CVI)、聚合物渗透和热解(PIP)。除了非氧化物基CMC(如SiC)之外，还存在氧化物基CMC。尽管这些制作技术彼此显著不同，但是这些制作技术均涉及预制件的制作和致密化，以通过包括热在各个处理阶段的施加的过程来产生零件。

在CMC领域中特别感兴趣的是一个CMC子构件或预制件至另一个CMC或陶瓷子构件的连结，以形成完整的构件结构。例如，一个CMC子构件至另一个CMC子构件的连结可在整个完整结构的形状复杂性可太复杂而不能作为单个零件铺叠时出现。可出现一个CMC子构件至另一个CMC子构件的连结的另一情况是在大的完整结构难以作为单个零件铺叠，并且制造并连结多个子构件或预制件以形成大的完整结构时。复杂复合物构件的制作可需要复杂的工具，并且可涉及在小半径上形成纤维，这两者导致在可制造性方面的挑战。用于粘合CMC子构件的当前程序包括但不限于扩散粘合、反应形成、熔融渗透、硬钎焊、粘合剂等。在由联结的子构件形成的这些CMC构件结构中特别关注的是当在施加的负荷的影响下时在连结程序期间形成的接头的分离或失效。

因此，对于可由CMC的层间性质限制的木工类型接头而言，改进的接头和将一个CMC子构件或预制件连结于另一个陶瓷整体式子构件或CMC子构件以形成完整结构的方法为期望的。所得的接头为结构提供强度和韧性。

发明内容