[发明专利]具有互锁机械接头的CMC护罩节段及制作

说明书

本发明涉及具有互锁机械接头的CMC护罩节段及制作。具体而言，一种护罩节段，其包括前径向壁、后径向壁以及至少一个互锁子构件。前径向壁、后径向壁以及至少一个互锁子构件各自由包括嵌入在基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物（CMC）形成。护罩节段还包括将前径向壁和后径向壁中的各个连结至至少一个互锁子构件的互锁机械接头。还提供用于使用互锁机械接头将前径向壁和后径向壁连结至至少一个互锁子构件的方法。

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护罩节段和利用互锁机械接头由多个子构件形成CMC护罩节段的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机以若干构件为特征。空气进入发动机并且穿过压缩机。压缩的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，以生成大约1100℃到2000℃范围内的热的加压燃烧气体。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涡轮级和低压涡轮级。燃气涡轮发动机的涡轮区段包括转子轴以及一个或多个涡轮级，它们各自具有由轴安装或者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膨胀由燃料-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。在这些阶段中，膨胀的热气体在涡轮叶片之上施加力，因此提供附加的旋转能量，以例如驱动功率产生发生器。

在用于燃气涡轮发动机的先进气体路径（AGP）热传递设计中，CMC的高温能力使其成为有吸引力的材料，由该有吸引力的材料制作弓形构件（如涡轮叶片、喷嘴以及护罩）。在涡轮发动机内，护罩为包绕旋转叶片的材料环，并且典型地包括多个护罩节段。

许多技术用于使用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在陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。增强材料在基质开裂的情况下用作CMC的负荷承载组分；陶瓷基质保护增强材料，维持其纤维的定向，并且在没有基质开裂的情况下承载负荷。对高温应用（如燃气涡轮发动机中）特别感兴趣的是硅基复合物。基于碳化硅（SiC）的CMC材料被提议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纤维用作各种陶瓷基质材料（包括SiC、C以及Al₂O₃）的增强材料。用于制作基于SiC的CMC构件的各种方法为已知的，包括Silicomp、熔体渗透（MI）、化学气相渗透（CVI）、聚合物渗透和热解（PIP）。除了基于非氧化物（如SiC）的CMC之外，还存在基于氧化物的CMC。尽管这些制作技术彼此显著不同，但它们各自涉及通过包括在各个处理阶段施加热量的过程来制作和致密化预制件以产生零件。在许多情况下，复杂的复合物构件的制作（如具有径向定向的壁和周向弯曲的流动路径的CMC燃气涡轮护罩的制作）可需要复杂的工具，并且可涉及在小半径上形成纤维。例如，该挑战发生在护罩壁与流动路径的集成的情况下，这两者导致可制造性的挑战。结果，两个或更多个更简单形状的构件可被制造并且连结成更复杂的形状。该途径降低制造复杂性。

因此，在CMC领域中特别感兴趣的是一个CMC子构件或预制件连结至另一CMC或陶瓷子构件，以形成完整的构件结构。例如，一个CMC子构件连结至另一CMC子构件可在整个完整结构的形状复杂性可太复杂而不作为单个零件（如先前提及的燃气涡轮护罩，以及特别是护罩节段）制造时出现。其中一个CMC子构件连结至另一CMC子构件的另一实例可在大的完整结构难以作为单个零件铺设，并且制造和连结多个子构件以形成大的完整结构时出现。用于结合CMC子构件的当前程序包括但不限于扩散结合、反应形成、熔体渗透、钎焊、结合等。对由联合的子构件形成的这些CMC构件结构特别关注的是在施加负荷的影响之下时在连结程序期间形成的接头的分离或失效。