[发明专利]用于在陶瓷基质复合材料中产生中空结构的制品

说明书

本公开涉及制造陶瓷复合部件的方法,该方法可包括提供至少增强纤维材料的第一层，其可以是预浸渍纤维。可在所述第一层上或附近提供增材制造的部件。可以是预浸渍纤维的增强纤维的第二层可以在增材制造的部件的顶部形成。将前体致密化以使至少第一层和第二层固结成致密化复合材料，其中增材制造的材料在致密化复合部件中限定至少一个冷却通道。

技术领域

本公开整体涉及陶瓷基质复合材料(CMC)，特别涉及在CMC结构内形成的冷却通道。

背景技术

燃气涡轮发动机一般包括至少一个压缩机来加压将导入燃烧室的空气。发动机可包括至少一个燃烧室，其中导入的加压空气的至少一部分与燃料混合且被点燃。来自压缩机的热气体通过至少一个涡轮区段流向下游。每个涡轮区段具有旋转叶片，所述旋转叶片围绕轴线旋转且含于发动机壳体内。涡轮区段或多个涡轮区段可为压缩机，风扇，轴中的任一个提供动力，和/或可例如利用膨胀通过喷嘴提供推力。

涡轮部分中的涡轮叶片，定子轮叶，壳体，燃烧室和/或喷嘴必须能够耐受由于高温和较大温度波动而引起的热应力以及由于在涡轮正常操作期间经历的高转速所产生的力。随着涡轮压力比和效率增大，高压和低压涡轮部分所暴露于的热应力也增大。因此，结合由耐高温材料制造涡轮部件(例如涡轮叶片和定子轮叶)，有效冷却涡轮叶片，定子轮叶和其他部件已变得越来越重要和具有挑战性。为了抵抗对涡轮区段的热辐射和对流，在过去已使用若干除热技术；一般使用流体冷却以延长涡轮部件的寿命。此外，小型冷却孔以优化的角度钻穿叶片以移除热且在涡轮叶片和定子轮叶的每个翼型件表面的表面上提供热障。还在涡轮和/或定子轮叶内形成通道以提供每个翼型件表面的对流冷却。通常，冷却空气从涡轮机的压缩机部分抽取，并产生寄生损失(parasitic loss)；然而，由于涡轮机内的较高温度导致的效率提高通常超过来自抽取冷却空气的寄生损失。

增大涡轮发动机内的冷却效率的需要已使涡轮部件内的内部冷却通道复杂化。用于制造发动机零件和部件的常规技术涉及熔模铸造或失蜡铸造工艺。熔模铸造的一个实例涉及制造用在燃气涡轮发动机中的典型叶片。涡轮叶片和/或定子轮叶通常包括中空翼型件，其具有沿着叶片的跨距延伸的径向沟槽，所述沟槽具有至少一个或多个入口以用于在发动机的操作期间接收加压冷却空气。叶片中的各种冷却通道通常包括安置在翼型件中部在前缘与后缘之间的蜿蜒沟槽。翼型件通常包括延伸穿过叶片以用于接收加压冷却空气的入口，所述入口包括局部特征，例如短的扰流肋条(short turbulator ribs)或销以用于增大翼型件的受热侧壁与内部冷却空气之间的热传递。

后侧冷却也可用于具有暴露于燃烧气体的前侧的部件。通常，在后侧冷却方案中，冷却流体从压缩机抽取。后侧冷却是有利的，因为注入的流体不会稀释或影响燃烧空气，并且可以在比薄膜冷却所需的压力更低的压力下供应。然而，后侧冷却主要在待冷却的壁的厚度上产生温度梯度。因此，随着冷却部件的壁厚增加，后侧冷却变得不太有效。

诸如热障涂层(TBC)的隔热材料已被用于通过部件的隔热来保护经受高温梯度的部件。在过去，TBC通常用于保护下面的金属部件，并且还可以用于改善下面的金属材料的腐蚀特性。

为了进一步提高涡轮机部件的耐热应力性，陶瓷基质复合材料(CMC)特别是SiC/SiC基质复合材料已经用于燃气涡轮发动机的各种部件中。CMC部件具有比涡轮机中使用的镍基超合金更高的耐热性，并因此在涡轮机内提供更高操作温度的可能。此外，CMC的重量比大多数合金轻。因此，将CMC用于涡轮机还可以改善涡轮发动机的功率重量比。通过在CMC部件中采用冷却通道，已经尝试了进一步提高耐热应力性。