[发明专利]包括方向上可控的CMC插入物的CMC部件及制备方法

说明书

一种陶瓷基质复合材料(CMC)部件，包括多个CMC层和方向上可控的CMC插入物。方向上可控的CMC插入物设置在多个陶瓷基质复合材料层中。方向上可控的CMC插入物包括优化架构，以加强CMC部件的高应力区域。方向上可控的CMC插入物被几何构造并且设置在多个CMC层内，以朝向低裂纹增长驱动力的区域重新引导CMC部件中的裂纹。附加地公开了一种涡轮机和形成涡轮机构件的方法，涡轮机构件包括多个CMC层并且具有设置在有形空隙中的方向上可控的CMC插入物。

技术领域

文中公开的主题涉及陶瓷基质复合材料(CMC)部件以及这种部件的制造或修复。更特别地，本公开针对用于在控制CMC部件中的裂纹时使用的CMC插入物，以及一种控制CMC部件中形成的裂纹的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机具备若干部件。空气进入发动机并且穿过压缩机。压缩空气途经一个以上燃烧器。在燃烧器内有一个以上喷嘴，用来将燃料引入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通过点火器点燃，以产生在大约1100℃到2000℃的范围内的热的加压燃烧气体。离开燃烧器的该高能量气流通过第一级涡轮喷嘴重新引导到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以上涡轮级，每个涡轮级具有安装或以其它方式由轴支承的涡轮盘(或转子)以及安装到盘的周边并且从盘的周边径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件一般通过使由燃料-空气混合物的燃烧产生的高能量气流膨胀来产生旋转轴动力。燃气涡轮斗叶或叶片大体具有翼型形状，设计成将流路气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。在这些级中，膨胀的热气体在涡轮叶片之上施加力，因而提供附加的旋转能量，例如，以驱动产生动力的发生器。

在用于燃气涡轮发动机的先进气体路径(AGP)传热设计中，CMC的高温能力使其成为一种有吸引力的材料，由该材料制备弧形部件，诸如涡轮叶片、喷嘴和护罩。

许多技术已用以使用CMC来制造涡轮发动机部件，诸如涡轮叶片、喷嘴或护罩。CMC材料大体包含嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。在基质裂纹的情形下，增强材料用作CMC的承载部件；陶瓷基质保护增强材料，维持其纤维的取向，并且在没有基质裂纹的情况下支承负载。高温应用(诸如，在燃气涡轮发动机中)特别感兴趣的是硅基复合材料。已提出碳化硅(SiC)基CMC材料作为用于燃气涡轮发动机的某些部件(诸如涡轮叶片、轮叶、燃烧器衬里和护罩)的材料。SiC纤维已使用为用于各种陶瓷基质材料的增强材料，包括SiC、C和Al₂O₃。已知各种方法用于制备SiC基CMC部件，包括Silicomp、熔体渗透(MI)、化学气相渗透(CVI)、聚合物浸渍裂解(PIP)。除了非氧化物基CMC(诸如SiC)之外，还存在氧化物基CMC。尽管这些制备技术彼此显著不同，但是，每个制造技术皆涉及到预制件的制备和致密化，以通过包括在各个处理阶段施加热量的处理来生产零件。

如先前陈述的，CMC部件(诸如CMC叶片、喷嘴和护罩)已知用于高温应用。在这种高温应用中正常使用期间，或者当高于比例极限地操作CMC部件时，裂纹形式的缺陷可能在高应力/应变区域中发展并且可能过早更换。

因而，期望有燃气涡轮发动机的改进的CMC部件以及利用局部优化架构来制备或修复损坏的CMC部件的方法，以将未来裂纹引导到低裂纹增长区域。所得的CMC部件提供对修复/更换成本的简化，并且阻止局部损坏材料的再萌生。

发明内容

本公开的各种实施例包括CMC部件，CMC部件包括方向上可控的CMC插入物及制备方法。根据一个示范性实施例，公开了一种陶瓷基质复合材料(CMC)部件，包括多个CMC层和设置在多个陶瓷基质复合材料层中的方向上可控的CMC插入物。方向上可控的CMC插入物包括优化架构，以加强CMC部件的高应力区域。方向上可控的CMC插入物被几何构造并且设置在多个CMC层内，以朝向低裂纹增长驱动力的区域重新引导CMC部件中的裂纹。