CN105465117A - 陶瓷基质复合物和金属附接构造 - Google Patents

陶瓷基质复合物和金属附接构造 Download PDF

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Abstract

提供了一种陶瓷基质复合物(CMC)和金属附接构造。CMC和金属附接可包括金属板、CMC板、隔离件、金属螺栓和螺母。金属板可包括金属板孔口。CMC板可在金属板附近，并且可包括与金属板孔口对准的CMC板孔口。隔离件可在CMC附近，并且隔离件可包括与金属板和CMC孔口对准的隔离件孔口。金属螺栓可具有第一端和第二端，第二端可能够操作成配合到对准的隔离件、CMC板和金属孔口中，以附接隔离件、CMC板和金属板。螺母可在金属板附近，并且可能够操作成收纳螺栓的第二端。隔离件可允许具有高热膨胀系数的金属板附接于具有低热膨胀系数的CMC板。

Description

陶瓷基质复合物和金属附接构造
本申请是于2014年12月30日进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国申请号为201380034995.7，国际申请号为PCT/US2013/045401，国际申请日为2013年6月12日，发明名称为“陶瓷基质复合物和金属附接构造”)的分案申请。
母案的专利申请请求享有2012年6月30日提交且标题为“CERAMICMATRIXCOMPOSITEANDMETALATTACHMENTCONFIGURATIONS”的美国临时专利申请序列第61/666,826号的权益，其公开内容通过引用如同在本文中重新写出那样并入。
技术领域
本发明大体上涉及涡轮。更具体而言，涉及利用螺栓来将燃气涡轮中的陶瓷基质复合物(CMC)附接于金属构件。
背景技术
大体上，陶瓷基质复合涡轮构件需要附接于邻接的金属硬件和/或金属表面。与将CMC附接于金属硬件相关联的两个缺点是金属硬件由硬的研磨陶瓷材料表面磨损，以及CMC中缺少负载分布。此外，金属和陶瓷基质复合物之间的热膨胀系数之间的差异使附接金属和陶瓷基质复合物有挑战。
因此，不遭受以上缺陷的陶瓷基质复合物(CMC)构件和将金属构件附接于CMC构件的方法在本领域中为合乎需要的。
发明内容
根据本公开内容的示例性实施例，提供了一种陶瓷基质复合物和金属附接构造。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括具有金属板孔口的金属板。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括陶瓷基质复合板，其在金属板附近并且具有与金属板孔口对准的陶瓷基质复合板孔口。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括在陶瓷基质复合物附近的隔离件，隔离件具有与金属板孔口和陶瓷基质复合物孔口对准的隔离件孔口。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括具有第一端和第二端的金属螺栓，第二端能够操作成配合到对准的隔离件孔口、陶瓷基质复合板孔口和金属孔口中，以附接隔离件、陶瓷基质复合板和金属板。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括在金属板附近且能够操作成收纳螺栓的第二端的螺母。隔离件允许具有高热膨胀系数的金属板附接于具有低热膨胀系数的陶瓷基质复合板。
根据本公开内容的另一个示例性实施例，提供了一种陶瓷基质复合物和金属附接构造。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括具有金属板孔口的金属板。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括陶瓷基质复合板，其在金属板附近并且包括与金属板孔口对准的陶瓷基质复合板孔口。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括金属螺栓，其具有第一端、第二端和延伸穿过其的通道。螺栓的第二端能够操作成配合到对准的陶瓷基质复合板孔口和金属孔口中，以附接陶瓷基质复合板和金属板。陶瓷基质复合物和金属附接构造包括在金属板附近且能够操作成收纳螺栓的第二端的螺母。金属螺栓的通道最小化由于金属螺栓和金属板和陶瓷基质复合板之间的热膨胀系数失配而引起的螺栓关于陶瓷基质复合板的增长。
本发明的其它特征和优点将从连同附图进行的优选实施例的以下更详细描述中显而易见，该附图经由实例示出本发明的原理。
附图说明
图1为本公开内容的陶瓷基质复合物和金属附接构造的示意性截面视图。
图2为本公开内容的陶瓷基质复合物和金属附接构造的示意性截面视图。
图3为本公开内容的陶瓷基质复合物和金属附接构造的示意性截面视图。
图4为本公开内容的陶瓷基质复合物和金属附接构造的示意性截面视图。
图5为本公开内容的零CMC厚度接头的正视图。
图6为本公开内容的零CMC厚度接头的侧视图。
图7为本公开内容的零CMC厚度接头的示意性透视图。
只要可能，则相同的附图标记将在全部附图中用于表示相同的部分。
具体实施方式
提供了陶瓷基质复合物和金属附接构造来将陶瓷基质复合物附接于具有不同热膨胀系数的金属构件。
本公开内容的实施例的一个优点包括提供附接构造用于将具有低热膨胀系数(αCMC)的CMC构件附接于具有关于CMC构件的高热膨胀系数(αmetal)的金属构件。
根据一个实施例，提供了包括金属板和陶瓷基质复合板的陶瓷基质复合物和金属附接构造。例如，图1为陶瓷基质复合物和金属附接构造100的示意性截面视图。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括具有金属板孔口142的金属板140。金属板可具有关于CMC构件的高热膨胀系数(αmetal)。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属板140附近的陶瓷基质复合板130。陶瓷基质复合板130可具有与金属板孔口142对准的陶瓷基质复合板孔口132。陶瓷基质复合物可具有低热膨胀系数(αCMC)，其大体上小于金属构件的热膨胀系数。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括陶瓷基质复合物130附近的隔离件120。隔离件120可包括与金属板孔口142和陶瓷基质复合物孔口132对准的隔离件孔口122。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属螺栓110。金属螺栓110可具有第一端112和第二端114，第二端114可能够操作成配合到对准的隔离件孔口122、陶瓷基质复合板孔口132和金属孔口142中，以附接隔离件120、陶瓷基质复合板130和金属板140。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属板140附近的螺母150，螺母150可能够操作成收纳金属螺栓110的第二端114。例如，在一个实施例中，隔离件120可允许具有高热膨胀系数的金属板140附接于具有低热膨胀系数的陶瓷基质复合板130。
根据一个实施例，隔离件可为金属，并且具有与金属螺栓或金属板相同或不同的热膨胀系数。例如，在图1中，隔离件120可为金属，并且可具有与金属螺栓110相同的热膨胀系数。在备选实施例中，隔离件120可为金属，并且具有与金属板140相同的热膨胀系数。用于隔离件120、螺栓110和金属板140的适合材料可包括但不限于金属、金属合金和它们的组合，例如，金属合金可包括镍基超级合金、钴基超级合金，或它们的组合。隔离件120的厚度210将大于陶瓷基质复合板130的厚度220。
根据一个实施例，陶瓷基质复合物和金属附接构造可包括金属板、陶瓷基质复合板、隔离件、金属螺栓和螺母。例如，如图2中所示，陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属板140、陶瓷基质复合板130、隔离件120、金属螺栓110和螺母150。在该实施例中，隔离件120可具有大于金属螺栓110的热膨胀系数的热膨胀系数。隔离件120可具有厚度210。陶瓷基质复合板130具有厚度220。隔离件120的厚度210可为陶瓷基质复合板130的厚度220的大约2.5倍。
根据一个实施例，陶瓷基质复合物和金属附接构造可包括金属板、陶瓷基质复合板、金属螺栓、螺母和弹簧。例如，在图3中，陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属板140、陶瓷基质复合板130、金属螺栓110和螺母150。在该实施例中，螺栓110可包括附接于金属螺栓110的第一端112的弹簧400。弹簧400可为金属，其包括但不限于金属、金属合金，例如，金属合金可包括但不限于镍基超级合金、钴基超级合金和它们的组合。弹簧的热膨胀系数(αspring)可类似于金属板的热膨胀系数(αmetal)或螺栓的热膨胀系数(αbolt)。在备选实施例中，弹簧的热膨胀系数(αspring)可大于金属板的热膨胀系数(αmetal)或螺栓的热膨胀系数(αbolt)。如图3中所示，弹簧400可为接头弹簧。在备选实施例中，弹簧400可为螺旋弹簧、盘形弹簧、波状弹簧或弹簧片。在操作中，弹簧400与陶瓷基质复合板130协作。
根据一个实施例，提供了陶瓷基质复合物和金属附接构造。例如，如图4中所示，陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括具有金属板孔口142的金属板140。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属板140附近的陶瓷基质复合板130。陶瓷基质复合板130可包括与金属板孔口142对准的陶瓷基质复合板孔口132。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括金属螺栓110，其具有第一端112、第二端114和延伸穿过其的通道300。金属螺栓110的第二端114可能够操作成配合到对准的陶瓷基质复合板孔口132和金属孔口142中来附接陶瓷基质复合板130和金属板140。陶瓷基质复合物和金属附接构造100可包括在金属板140附近且能够操作成收纳金属螺母110的第二端114的螺母150。金属螺栓110的通道300可最小化由于金属螺栓110和金属板140和陶瓷基质复合板130之间的热膨胀系数失配而引起的螺栓110的增长。例如，如图4中所示，螺栓的通道300允许冷却空气310流过螺栓110。螺栓110的通道300可提供比不具有通道的螺栓更冷的螺栓温度。较冷的螺栓将关于陶瓷基质复合板130增长较少。
根据一个实施例，可获得零CMC厚度接头。例如，如图5到7中所示，CMC钩600和止挡件710可产生，使得金属构件可包绕CMC板130。零点厚度可由图5和6中的线500示出。金属140可拉动，并且可在相同数据位置处推动CMC130。由于可正在夹持的金属的全部长度可与可夹持的金属的长度匹配，故该方法可从螺栓接头消除CMC的α失配。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出各种改变，并且等同方案可替换其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可使许多改型适合本发明的教导的特定情形或材料，而不脱离其基本范围。因此，意图是，本发明不限于公开为构想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (6)

1.一种陶瓷基质复合物和金属附接构造，包括：
包括金属板孔口的金属板；
陶瓷基质复合板，其在所述金属板附近并且包括与所述金属板孔口对准的陶瓷基质复合板孔口；以及
金属螺栓，其具有第一端、第二端和延伸穿过其的通道，所述第二端能够操作成配合到所述对准的陶瓷基质复合板孔口和金属孔口中，以附接所述陶瓷基质复合板和所述金属板。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物和金属板附接构造，其特征在于，所述陶瓷基质复合物和金属板附接构造还包括在所述金属板附近且能够操作成收纳所述螺栓的第二端的螺母。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物和金属板附接构造，其特征在于，所述金属螺栓的通道最小化由于所述金属螺栓和所述金属板和所述陶瓷基质复合板之间的热膨胀系数的失配而引起的所述螺栓关于所述陶瓷基质复合板的增长。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物和金属板附接构造，其特征在于，所述螺栓的通道允许冷却空气流过所述螺栓。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物和金属板附接构造，其特征在于，所述螺栓的通道提供比不具有通道的螺栓更冷的螺栓温度。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合物和金属板附接构造，其特征在于，获得零CMC厚度接头。
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