[发明专利]一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环

说明书

本发明提供了一种用于涡轮外环的纤维预制体，所述纤维预制体包括上层的π形件、与所述π形件相配合的C形件和设置于下层的弧形件。本发明所提供的用于涡轮外环的纤维预制体的工艺成型性号，简单便捷，适用于二维纤维布和单向带预浸料等多种原材料形式，没有三维编织的复杂成型工艺，适合大批量生产应用，质量稳定性一致，制造成本低，周期短。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环。

背景技术

随着先进航空发动机推重比的提高，尾喷管、燃烧室和涡轮等热端部件对轻质、耐高温、长寿命、抗氧化的陶瓷基复合材料提出了日益迫切的需求。航空发动机的高压涡轮外环直接与高温热气接触，承受较大热应力，是发动机典型的热端静子部件。现有金属涡轮外环采用等轴铸造高温合金或定向凝固单晶高温合金，在试验过程中常出现烧蚀、变形、耐温能力不足等问题。采用陶瓷基复合材料代替高温合金制备涡轮外环，可提高零件耐温能力约300℃，解决现用金属涡轮外环局部超温和烧蚀变形现象，减少从压气机引出的冷气用量（无需使用冷气）；减轻结构重量50%~70%，还有利于控制间隙和减少燃气热量向机匣扩散，提高涡轮效率并降低发动机耗油率。

为并提高发动机性能，欧洲、美国和日本等国相继在军、民用发动机热端部件中开展陶瓷基复合材料的研究，发展了多种致密化工艺研究，主流工艺有化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Infiltration, CVI）、先驱体浸渍裂解（Polymer Infiltration andPyrolysis, PIP）及反应熔渗工艺（Reactive Melt Infiltration, RMI）等。完成了从材料全面性能测试、构件试验考核到发动机整机验证以及适航工作等全流程研究工作，陶瓷基复合材料涡轮外环已实现在Leap、GE9x等商用发动机上的实现批量生产应用，减轻了发动机结构重量，并降低了耗油率1.5%以上。国内也针对航空发动机用陶瓷基复合材料密封片/调节片、火焰筒、涡轮外环等热端构件开展了CVI、PIP、RMI等工艺研究和应用考核研究。

陶瓷基复合材料构件的结构及其纤维预制体具有一体化的设计特点，纤维作为复合材料的增强体，是其主要承力相，纤维预制体结构与性能极大影响着复合材料及构件的性能。陶瓷基复合材料具有很强的可设计性特征，一般纤维预制体结构分为单向带、2D和3D及组合连接结构，其中2D预制体结构最为简单，工艺可实现性好，适合成型薄壁零件，但对于成型复杂结构、厚度尺寸大的构件难度较大，并且层间强度（Z方向）较低，通过构件的外形结构设计以及预制体3D编织和组合连接等形式可提高层间强度并成型复杂构件，但又会对面内性能有所影响。

涡轮外环位于航空发动机高压涡轮转子叶片叶尖对应的涡轮机匣上，在工作时直接与高温燃气接触，并需要承受一定的机械激振力和气动负荷。涡轮外环一旦发生掉块会打伤高速旋转的涡轮叶片，造成重大故障。销钉组合连接的涡轮外环预制体结构，其层间拉伸强度（Z方向）较低，并且在振动应力作用下销钉容易产生应力集中，层板之间又无纤维承力，而出现销钉断裂、分层开裂破坏的失效模式，不满足发动机工程应用要求。陶瓷基复合材料涡轮外环急需一种层间强度高、振动可靠性高及工艺可实现性好的纤维预制体以满足发动机工程应用要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环，用于提高涡轮外环的层间强度，解决现有分体预制体易出现分层开裂破坏及3D编织工艺复杂的问题，提升陶瓷基复合材料涡轮外环的工艺可实现性，满足航空发动机涡轮外环的结构强度设计和使用要求。

本发明的目的在于，提供一种纤维预制体，所述纤维预制体包括上层的π形件、与所述π形件相配合的C形件和设置于下层的弧形件。

本发明所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述π形件、所述C形件和所述弧形件为单向带纤维预浸料所制得。

本发明所提供的用于涡轮外环的纤维预制体，还具有这样的特征，所述单向带纤维预浸料的铺层包括从0°、±45°、90°中选择的一种铺层角度。