[发明专利]一种陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法，该涡轮导向叶片材质为陶瓷基复合材料，且涡轮导向叶片的叶身和缘板为一体化成型。本发明还公开了该叶片的制备方法，包括以下步骤：先制备内型模具，根据内型模具制备叶身预制体，然后进行切口处理，再制备板状预制体，然后将板状预制体穿入叶身预制体，再进行翻边、缝合和定型处理，然后在预制体表面依次沉积界面层和碳化硅陶瓷基体，再加工至设计尺寸后，进行损伤修复，即制得陶瓷基复合材料涡轮导向叶片。本发明的方法通过叶身和缘板的一体化成型，避免了结构单元之间的拼接，提高了构件的整体性和结构可靠性，其适用范围广，可为批量生产提供支撑。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机制造技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法。

背景技术

在航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机结构中，涡轮系统的作用是将高温燃气中的部分热能和势能转换成机械功，驱动压气机和附件工作，涡轮系统是燃气涡轮发动机中热负荷和动力负荷最大的系统，其特点是输出功率大、使用温度高、重量要求轻、结构尺寸小，高压涡轮进口处的导向叶片是涡轮系统中工作温度最高的部件，其作用是将高温燃气流部分热能转变为动能的同时，将燃气流以一定的方向流出，满足工作涡轮所要求的燃气流量和进口方向。目前，发动机涡轮导向叶片常用的高温合金材料存在耐热温度不高于1100℃、重量大等问题，而能够耐较高温度的碳纤维增强碳基体复合材料又存在高温易氧化的缺点。陶瓷基复合材料密度仅为高温合金的1/3-1/4、耐热温度比高温合金高150-350℃、耐酸碱腐蚀、强韧性高，同时，陶瓷基复合材料在高温燃气环境中反应所生成的氧化物保护膜能够封堵材料表面的裂纹和孔隙，阻止外界氧向材料内部扩散，从而保证构件的高温稳定性和长时使用寿命，因此，陶瓷基复合材料已被国内外公认为是新一代航空发动机热防护构件的首选材料之一。

以陶瓷基复合材料作为结构主体材料进行导向叶片设计时，通常采用分体式结构方案，即分别制备出叶片的叶身和缘板，随后通过拼接、组装、后沉积等方式进行整体装配，尽管此方法能够实现叶片的制备，但叶身和缘板之间的连接可靠性存在较大风险，叶片在发动机长时间高温、振动工作环境下，可能在连接部位发生损坏，并导致灾难性后果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法，以解决现有技术制备涡轮导向叶片时，叶身和缘板之间的连接可靠性存在较大风险的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，所述涡轮导向叶片的材质为陶瓷基复合材料，且涡轮导向叶片的叶身和缘板为一体化成型。

本发明的有益效果为：涡轮导向叶片的叶身和缘板为一体化成型，避免了结构单元之间的拼接，使得叶身与缘板之间的连接可靠性大大增强。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，陶瓷基复合材料的增强体为碳纤维和/或碳化硅纤维，基体为碳化硅。

本发明还提供上述陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，包括以下步骤：

(1)以涡轮导向叶片的内腔型面为参考，用石墨制备内型模具，内型模具上具有若干与型面垂直的通气孔；

(2)将编织纤维布缠绕在内型模具的外表面，然后采用与编织纤维布相同材料的缝合线进行缝合，缝合完毕的缠绕编织纤维布即为叶身预制体，再分别在叶身预制体上距离两端5-10mm处，进行切口处理，切口方向与叶身预制体的纵向平行，切口长度为10-50mm；

(3)采用与叶身预制体相同材料的编织纤维布制备4片相同的板状预制体，并在相应的叶身位置处开孔，孔的形状与叶身预制体截面相同；