CN107035424B - 使用多个处理步骤制造燃气涡轮发动机构件 - Google Patents

使用多个处理步骤制造燃气涡轮发动机构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用多个处理步骤制造燃气涡轮发动机构件。具体而言，提供了用于制造燃气涡轮发动机的构件的方法。在一个实施例中，该方法包括模制CMC材料以形成燃气涡轮发动机构件的第一部分，处理第一部分以形成第一组件，将第一组件和燃气涡轮发动机构件的第二部分准备用于处理，以及处理第一组件和第二部分以形成第二组件。在另一个实施例中，方法包括处理第一多个CMC层片以形成第一组件；将第一组件和第二多个CMC层片定位在工具上以用于处理，第一组件限定第一平面，第二多个层片限定第二平面，其中第二平面垂直于第一平面；以及处理第一组件和第二多个层片以形成第二组件。

Description

使用多个处理步骤制造燃气涡轮发动机构件
联邦政府资助声明
本发明是在海军部门授予的合同号N00421-05-C-0053下利用政府资助作出的。政府可具有本发明中的一定权利。
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机，或更具体地涉及一种用于制造燃气涡轮发动机的构件的方法。更具体而言，本主题涉及一种用于形成燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合叶片的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括布置成与彼此流动连通的风扇和核心。此外，燃气涡轮发动机的核心大体上包括成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供至压缩机区段的入口，在该处，一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气，直到其到达燃烧区段。燃料在燃烧区段内与压缩的空气混合且燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段传送至涡轮区段。穿过涡轮区段的燃料气流驱动涡轮区段，且然后传送穿过排气区段，例如，至大气。
更常见的是，非传统高温材料(诸如陶瓷基质复合(CMC)材料)用于燃气涡轮发动机内的各种构件。例如，假定CMC材料能够经得起相对极端的温度，则特别关注的是利用CMC材料替换燃烧气体的流动通路内的构件。更具体而言，关注在于利用由CMC材料形成的叶片替换燃气涡轮发动机的涡轮区段的转子叶片。
CMC涡轮转子叶片大体上由CMC材料的多个层片形成。层片可分成节段，其中各个节段对应于转子叶片的一部分。例如，层片的一个节段可对应于叶片的翼型件部分，层片的一个节段可对应于叶片的燕尾部，且对于涡轮转子叶片的不同部分以此类推。层片的节段可在高压釜中处理来使层片压制和固化以形成涡轮转子叶片。
然而，典型的转子叶片具有三个维度中的层片，例如，叶片的一些节段中的层片具有第一层片方向，且叶片的其它节段中的层片具有第二层片方向，例如，正交于第一层片方向。具有三个维度中的层片的此类叶片的压制可能很难，因为叶片的多个层片并不沿相同层片方向定向。
因此，一种用于使用多个处理步骤制造燃气涡轮发动机构件的方法将是有用的。此外，用于形成具有三个维度中的层片的燃气涡轮发动机的构件的方法将是有益的。更具体而言，用于制造燃气涡轮发动机的涡轮转子叶片(涡轮转子叶片具有三个维度中的CMC层片)的方法将是特别有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地提出，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明学习到。
在本公开内容的一个示例性实施例中，提供了一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法。该方法包括模制陶瓷基质复合材料以形成燃气涡轮发动机构件的第一部分；处理燃气涡轮发动机构件的第一部分以形成第一组件；将第一组件和燃气涡轮发动机构件的第二部分准备用于处理；以及处理第一组件和燃气涡轮发动机构件的第二部分以接合第一组件和第二部分且因此形成第二组件。
在本公开内容的另一个示例性实施例中，提供了一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法。该方法包括处理陶瓷基质复合材料的第一多个层片以形成第一组件；将第一组件和陶瓷基质复合材料的第二多个层片定位在工具上以用于处理第一组件和第二多个层片，第一组件限定第一平面，第二多个层片限定第二平面，其中第二平面垂直于第一平面；以及处理第一组件和第二多个层片以接合第一组件和第二多个层片，且由此形成第二组件。
技术方案1. 一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，所述方法包括：
模制陶瓷基质复合材料以形成所述燃气涡轮发动机构件的第一部分；
处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分以形成第一组件；
将所述第一组件和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分准备用于处理；以及
处理所述第一组件和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分以接合所述第一组件和所述第二部分，且由此形成第二组件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一组件限定第一平面，且所述第二部分限定第二平面，且其中将所述第一组件和所述第二部分准备用于处理包括将所述第二部分在第二层合工具上定位在所述第一组件附近，使得所述第二平面垂直于所述第一平面延伸。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括将所述燃气涡轮发动机构件的第一部分定位在第一层合工具上以将所述第一部分准备用于处理。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分包括在高压釜中压制所述第一部分。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分包括在高压釜中固化所述第一部分。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其中，处理所述第一组件和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分包括在高压釜中压制所述第一组件和所述第二部分。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其中，处理所述第一组件和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分包括在高压釜中固化所述第一组件和所述第二部分。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述燃气涡轮发动机构件的第一部分包括涡轮转子叶片的翼型件、燕尾部和平台。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述燃气涡轮发动机构件的第二部分包括涡轮转子叶片的天使翼和流动通路部分。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其中，处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分包括沿第一方向压制所述第一部分，且其中处理所述第一组件和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分包括沿第二方向压制所述第二部分，其中所述第一方向和第二方向垂直于彼此。
技术方案11. 一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，包括：
处理陶瓷基质复合材料的第一多个层片以形成第一组件；
将所述第一组件和陶瓷基质复合材料的第二多个层片定位在工具上以用于处理所述第一组件和所述第二多个层片，所述第一组件限定第一平面，所述第二多个层片限定第二平面，其中所述第二平面垂直于所述第一平面；以及
处理所述第一组件和所述第二多个层片以接合所述第一组件和所述第二多个层片，且由此形成第二组件。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法还包括将所述第一多个层片定位在第一层合工具上以将所述第一多个层片准备用于处理。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，处理所述第一多个层片包括在高压釜中压制所述第一多个层片。
技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，其中，处理所述第一多个层片包括在高压釜中固化所述第一多个层片。
技术方案15. 根据技术方案11所述的方法，其中，将所述第一组件和所述第二多个层片定位在所述工具上包括将所述第一组件和所述第二多个层片在第二层合工具上层合。
技术方案16. 根据技术方案11所述的方法，其中，处理所述第一组件和所述第二多个层片包括在高压釜中压制所述第一组件和所述第二多个层片。
技术方案17. 根据技术方案11所述的方法，其中，处理所述第一组件和所述第二多个层片包括在高压釜中固化所述第一组件和所述第二多个层片。
技术方案18. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述第一多个层片包括涡轮转子叶片的翼型件层片、燕尾部层片和平台层片。
技术方案19. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述第二多个层片包括涡轮转子叶片的天使翼层片和流动通路层片。
技术方案20. 根据技术方案11所述的方法，其中，处理所述第一多个层片包括沿第一方向压制所述第一多个层片，且其中处理所述第一组件和所述第二多个层片包括沿第二方向压制所述第二多个层片，其中所述第一方向和第二方向垂直于彼此。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域的普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容在参照附图的说明书中提出，在附图中：
图1为根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2为根据本主题的示例性实施例的用于涡轮转子叶片的多个翼型件层片和燕尾部层片的示意性侧视图。
图3为根据本主题的示例性实施例的用于涡轮转子叶片的多个翼型件层片、燕尾部层片和平台层片的示意性侧视图。
图4为根据本主题的示例性实施例的包括翼型件部分、燕尾部分和平台部分的涡轮转子叶片的模制组件的透视图。
图5为根据本主题的示例性实施例的涡轮转子叶片的第一组件和第一层合工具的分解视图。
图6为根据本主题的示例性实施例与用于涡轮转子叶片的第一组件堆叠的多个天使翼层片和流动通路层片的示意图。
图7为与用于涡轮转子叶片的第一组件堆叠的多个天使翼层片和流动通路层片的另一个示意图。
图8为根据本主题的示例性实施例的涡轮转子叶片的第二组件和第二层合工具的分解视图。
图9A为根据本主题的示例性实施例的涡轮转子叶片的模制组件的透视图。
图9B为根据本主题的示例性实施例的涡轮转子叶片的第一组件的透视图。
图9C为根据本主题的示例性实施例的涡轮转子叶片的第二组件的透视图。
图9D为根据本主题的示例性实施例的机械精加工的涡轮转子叶片的透视图。
图10提供了示出根据本主题的示例性实施例的用于制造燃气涡轮发动机的构件的方法的图。
图11提供了示出根据本主题的示例性实施例的用于制造燃气涡轮发动机的构件的另一方法的图。
构件清单
10 涡扇喷气发动机
12 纵向或轴向中心线
14 风扇区段
16 核心涡轮发动机
18 外壳
20 入口
22 低压压缩机
24 高压压缩机
26 燃烧区段
28 高压涡轮
30 低压涡轮
32 喷气排气区段
34 高压轴/转轴
36 低压轴/转轴
38 风扇
40 叶片
42 盘
44 促动部件
46 动力齿轮箱
48 机舱
50 风扇壳或机舱
52 出口导向导叶
54 下游区段
56 旁通空气流通路
58 空气
60 入口
62 空气的第一部分
64 空气的第二部分
66 燃烧气体
68 定子导叶
70 涡轮转子叶片
72 定子导叶
74 涡轮转子叶片
76 风扇喷嘴排气区段
78 热气体通路
80 翼型件
82 燕尾部
84 平台
86 天使翼
88 流动通路部分
90 翼型件层片
92 燕尾部层片
94 平台层片
96 天使翼层片
98 流动通路层片
100 第一层合工具
102 第二层合工具
AM 模制组件
A1 第一组件
A2 第二组件
D1 第一方向
D2 第二方向
D3 第三方向
R 径向方向
A 轴向方向
B 叶片方向
F 流动方向
1000 方法
1002 模制材料以形成燃气涡轮发动机构件的第一部分
1004 将第一部分准备用于处理
1006 处理第一部分以形成第一组件
1008 将第一组件和第二部分准备用于处理
1010 处理第一组件和第二部分以形成第二组件
1012 加工第二组件以产生完成的燃气涡轮发动机构件
1100 方法
1102 将第一多个层片准备用于处理
1104 处理第一多个层片以形成第一组件
1106 将第一组件和第二多个层片准备用于处理
1108 处理第一组件和第二多个层片以形成第二组件
1110 加工第二组件以产生完成的燃气涡轮发动机构件。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的提出的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。该详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图中相似或类似的标记用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文使用的用语"第一"、"第二"和"第三"可互换使用，以将一个构件与另一个区分开，且不意在表示独立构件的位置或重要性。用语"上游"和"下游"是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体从其流动的方向，且"下游"是指流体流至的方向。
现在参看附图，其中相同的数字表示贯穿附图的相同元件，图1为根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。更具体而言，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为本文称为"涡扇发动机10"的高旁通涡扇喷气发动机10。如图1中所示，涡扇发动机10限定轴向方向A(平行于为了参照提供的纵向中心线12延伸)和径向方向R。大体上，涡扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
绘出的示例性核心涡轮发动机16大体上包括大致管状的外壳18，其限定环形入口20。外壳18包围成串流关系的：包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24的压缩机区段；燃烧区段26；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮区段；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28传动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30传动地连接到LP压缩机22。
对于所示实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接至盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40从盘42大体上沿径向方向R向外延伸。各个风扇叶片40可关于盘42围绕桨距轴线P旋转，这是由于风扇叶片40可操作地联接到适合的促动部件44，促动部件44构造成一致地共同改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和促动部件44可通过跨过动力齿轮箱46的LP轴36围绕纵轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，其用于使LP轴36的转速逐步降低至更有效的旋转风扇速度。
仍参看图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前机舱48覆盖，其为空气动力轮廓的以促进空气流穿过多个风扇叶片40。此外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其沿周向包绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应认识到的是，机舱50可构造成由多个沿周向间隔开的出口导向导叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，机舱50的下游区段54可越过核心涡轮发动机16的外部延伸，以便限定其间的旁通空气流通路56。
在涡扇发动机10的操作期间，大量空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联的入口60进入涡扇10。当大量空气58经过风扇叶片40时，如由箭头62指出的空气58的第一部分引导或传送到旁通空气流通路56中，且如由箭头64指出的空气58的第二部分引导或传送到LP压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比率通常称为旁通比。空气的第二部分64的压力然后在其传送穿过高压(HP)压缩机24且到压缩区段26中时增大，在该处，其与燃料混合且焚烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66传送穿过HP涡轮28，在该处，来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接至外壳18的HP涡轮定子导叶68和联接至HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级获得，因此引起HP轴或转轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后传送穿过LP涡轮30，在该处，热能和动能的第二部分经由联接至外壳18的LP涡轮定子导叶72和联接至LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66获得，因此引起LP轴或转轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后传送穿过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推力。同时，空气的第一部分62的压力在空气的第一部分62在其从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前传送穿过旁通空气流通路56时显著地增大，也提供推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体通路78，以用于将燃烧气体66传送穿过核心涡轮发动机16。
现在参看图9D，示出了示例性LP涡轮转子叶片74，叶片74具有前侧73和后侧75，且包括翼型件80、燕尾部82、平台84、相对的天使翼86，以及相对的流动通路部分88(图9D中仅示出了一个天使翼86和流动通路部分88)。更具体而言，燕尾部82从大致平坦的平台84沿径向向内延伸，平台84限定流过涡扇发动机10的LP涡轮30的热燃烧气体的径向内边界。涡轮转子叶片74还包括从平台84沿径向向外延伸的翼型件80。此外，叶片74包括天使翼86，其构造成提供联接至转子盘(未示出)的旋转构件(例如，涡轮转子叶片74)与设置在此旋转构件的前部和后部的静止构件(未示出)之间的径向密封，以便防止热气体摄入转子盘附近的叶轮空间(未示出)内。此外，相对的流动通路部分88从平台84向外延伸，例如，一个流动通路部分88可定位在叶片74的前侧73上，从平台84大体上向前延伸，且一个流动通路部分88可定位在后侧75上，从平台84大体上向后延伸。如图9D中所示，天使翼86可从相对的流动通路部分88沿径向向内延伸，使得天使翼86为叶片74的相对部分。因此，图9D示出了各种三维部分构成的转子叶片74，使得叶片74在三个维度中限定且具有三维形状。
对于绘出的实施例，涡轮转子叶片74由陶瓷基质复合(CMC)材料组成，其为具有高温能力的非金属材料。用于此转子叶片74的示例性CMC材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅、氧化铝基质材料和它们的组合。陶瓷纤维可嵌入基质内，诸如包括如蓝宝石或碳化硅(例如，Textron的SCS-6)的单丝的氧化稳定增强纤维，以及包括碳化硅(例如，Nippon Carbon的NICALON®、Ube Industries的TYRANNO®和ATK-COI的SYLRAMIC®)、硅酸铝(例如，Nextel的440和480)以及短切晶须和纤维(例如，Nextel的440和SAFFIL®)的粗纱和纱线，以及可选的陶瓷颗粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物和它们的组合)和无机填料(例如，叶腊石、钙硅石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱土)。进一步举例来说，叶片74可由CMC材料形成，诸如碳化硅(SiC)或碳纤维织物。在一些实施例中，转子叶片74的各个部分(即，翼型件80、燕尾部82、平台84、天使翼86和流动通路部分88)可由CMC材料制成。在其它实施例中，叶片74的一些部分可由CMC材料制成，且叶片74的其它部分可由不同材料制成，例如，金属、金属合金等。
现在参看图2的示意图，在示例性实施例中，转子叶片74包括由CMC材料的多个层片90制成的翼型件部分80和由CMC材料的多个层片92制成的燕尾部分82。在一个示例性实施例中，多个燕尾部层片92可包括大约100个层片，但也可使用其它数目的燕尾部层片92。如图所示，多个翼型件层片90和燕尾部层片92大体上沿径向方向R延伸。为了制造叶片74，用于形成翼型件80和燕尾部82的多个层片90、92可在第一层合工具100(图5)中层合。然后，参看图3的示意图，用于制造转子叶片74的平台部分84的CMC材料的多个层片94可在第一层合工具100中层合。多个平台层片94还沿径向方向R延伸。
在第一层合工具100中层合对应于翼型件80、燕尾部82和平台84的层片90、92、94之后，层片准备用于处理，例如，在高压釜中压制和固化。在备选实施例中，翼型件80、燕尾部82和平台84可如图4中所示模制来形成模制组件AM，例如，包括翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84的预成型组件，且然后模制组件AM可在第一层合工具100中层合以用于在高压阀中处理。在示例性处理循环中，可使用三个垫片，例如，一个在翼型件80上，一个在燕尾部82的吸力侧上，且一个在燕尾部82的压力侧上，且标准高压釜循环可用于压制和固化转子叶片74的翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84或层片90、92、94。在此循环中，翼型件、燕尾部和平台部分或层片大体上沿第一方向D1压制，例如，大体上沿翼型件、燕尾部和/或平台部分80、82、84的压力侧和吸力侧。在另一个示例性循环中，第一层合工具100包括压力侧工具，其包括垫片或金属工具，且压力侧工具在翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84的处理期间提供压缩力。
还可使用其它处理循环，例如，使用不同数目和/或构造的垫片等、用于压制和/或固化CMC层片的其它已知方法或技术，或第一层合工具100的其它构造。举例来说，第一层合工具100可构造成使得层片层合在压力侧工具上，且从吸力侧压制，或层片从压力侧和吸力侧两者压制。进一步举例来说，层片可使用熔渗过程、化学汽相渗透过程、使用烧制的预陶瓷聚合物的基质来获得陶瓷基质或这些或其它已知过程的任何组合来处理。
如图6中示意性所示，在翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84处理之后，转子叶片74的这些部分形成第一组件A1。在一个实施例中，预成型的天使翼86和流动通路部分88可在第二层合工具102(图8)中与第一组件A1层合；然后，天使翼86和流动通路部分88预成型件例如可在高压釜中与第一组件A1一起处理以形成第二组件A2。在另一个实施例中，天使翼层片96和流动通路层片98可在第二层合工具102中与第一组件A1层合，且然后天使翼层片96和流动通路层片98例如可在高压釜中与第一组件A1一起处理以形成第二组件A2。在示例性实施例中，标准高压釜循环可用于压制和固化第一组件A1和天使翼以及流动通路预形件或层片。在此标准循环中，如图8中所示，天使翼和流动通路预形件部分86、88或层片96、98大体上沿第二方向D2压制，且还可沿第三方向D3压制。即，压制力可沿第二方向D2以及第三方向D3施加。第二方向D2正交于(即，垂直于)第三方向D3，且第二方向D2和第三方向D3中的每一个正交于第一方向D1。在处理之后，即，在第二处理循环将天使翼86和流动通路部分88结合到叶片74的翼型件80、燕尾部82和平台部分84之后，第二组件A2可机械精加工以形成完成的涡轮转子叶片74。
如图6中所示，第一组件A1可限定第一平面，其包括径向方向R和叶片方向B。应当理解的是，翼型件层片、燕尾部层片和平台层片90、92、94平行于第一平面延伸。此外，如图7中示意性所示，天使翼层片96和/或流动通路层片98可限定包括径向方向R和流动方向F的第二平面，且各个层片96、98大体上可在第二平面内或平行于第二平面延伸。第二平面可大致垂直于由第一组件A1限定的第一平面。因此，转子叶片74可由三个维度中的层片形成，即，翼型件层片、燕尾部层片和平台层片90、92、94在第一平面内或平行于第一平面延伸，且天使翼层片和流动通路层片96、98在正交于第一方面的第二方面内或平行于第二平面延伸。
通过在至少两个步骤中处理叶片74，可改善层片的压制。例如，在第一层合工具100中处理翼型件层片、燕尾部层片和平台层片90、92、94以形成第一组件A1可允许第一平面内或平行于第一平面的这些层片的最佳或改善的压制。然后，处理带有天使翼层片96和流动通路层片98的第一组件A1可允许第二平面内或平行于第二平面的这些层片和总体上的叶片74的最佳或改善的压制。作为一个特定示例，由于形成叶片74的层片的大部分为翼型件层片和燕尾部层片90、92，故处理叶片74的这些部分首先可作用为中间压实步骤，使得总体处理时间和所需压制可减少。此外，翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84的处理与天使翼和流动通路部分86、88的处理分开可简化用于处理叶片74所需的工具。即，在一个循环中处理叶片74所需的工具可比用于在两个或多个步骤中处理叶片74的工具(例如，第一层合工具100和第二层合工具102)更复杂。
此外或作为备选，由于翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84在天使翼86和流动通路部分88之前处理，故翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84在第二处理循环期间比整个叶片在单个循环中处理的情况下更刚性。即，翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84在天使翼86和流动通路部分88通过施加垂直于翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84的压制力来结合到叶片74的其它部分时更刚性。因此，翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84在第二处理循环期间不易受到非期望的变形。
图9A-9D示出了示例性转子叶片74的制造阶段。图9A示出了模制组件AM，包括叶片74的翼型件、燕尾部和平台部分80、82、84。图9B绘出了处理后的第一组件A1(即，模制组件AM)。图9C示出了第二处理循环之后的第二组件A2，包括叶片74的翼型件、燕尾部、平台、天使翼和流动通路部分80、82、84、86、88。图9D绘出了完成的叶片74，即，加工后的叶片74。
图10示出了用于制造燃气涡轮发动机的CMC构件(诸如LP涡轮转子叶片74)的示例性方法1000。在步骤1002处，材料(诸如上文所述的CMC材料)模制以形成燃气涡轮发动机构件的第一部分。在其中使用方法1000形成的燃气涡轮发动机构件为涡轮转子叶片(诸如叶片74)的实施例中，第一部分可为模制组件AM，包括如上文所述的翼型件、燕尾部和平台部分。示例性模制组件AM在图9A中示出。在其它实施例中，第一部分可为燃气涡轮发动机构件的任何部分，但通常第一部分仅为燃气涡轮发动机构件的仅一部分而非整个构件。
在步骤1004处，将第一部分准备用于处理。例如，第一部分可定位在第一层合工具上来将第一部分准备用于处理。继续以上示例，其中第一部分为模制组件AM，在一个实施例中，第一部分可在第一层合工具100上层合来将第一部分准备用于处理。第一层合工具(例如，第一层合工具100)可具有用于支撑第一部分和/或有助于处理第一部分的任何适合的形状和构造。其它技术或方法也可用于将第一部分准备用于处理。
在将第一部分准备用于处理之后，如1006处所示，处理第一部分以形成第一组件。举例来说，可处理第一部分以通过在高压釜中固化来形成第一组件。作为备选或此外，第一部分可在高压釜中压制作为处理第一部分的一部分以形成第一组件。继续以上示例，如之前所述，模制组件AM可在高压釜中使用标准循环处理，包括沿第一方向D1压制以及在适合的温度和压力下固化。处理模制组件AM形成第一组件A1，包括涡轮转子叶片74的翼型件80、燕尾部82和平台84。示例性第一组件A1在图9B中示出。
在步骤1008处，将第一组件和燃气涡轮发动机构件的第二部分准备用于处理。在一个实施例中，第一组件和第二部分可定位在第二层合工具上以将第一组件和第二部分准备用于处理。在以上示例中，在第一组件为第一组件A1的情况下，第二部分可为天使翼86和流动通路部分88。在此实施例中，将第一组件和第二部分定位在第二层合工具上可包括将第一组件A1和预成型的天使翼86与流动通路部分88在第二层合工具102上层合。作为备选，将第一组件和第二部分准备用于处理可包括将第一组件A1、天使翼层片96和流动通路层片98在第二层合工具102上层合。第二层合工具可具有用于支撑第一组件和第二部分和/或有助于处理第一组件和第二部分的任何适合的形状和构造。
在一些实施例中，第一组件A1可限定第一平面，且第二部分(例如，天使翼86或流动通路88预成型件或层片96、98)可限定第二平面。将第一组件A1和第二部分准备用于处理可包括将第二部分在第二层合工具上定位在第一组件A1附近，使得第二平面垂直于第一平面延伸。第一组件A1和第二部分的位置在图6和图7中绘出。其它技术和方法也可用于将第一组件和第二部分准备用于处理。
在准备用于处理之后，如1010处所示，处理第一组件和第二部分以接合或结合第一组件和第二部分，且因此形成第二组件。例如，第一组件和第二部分可在高压釜中固化以形成第二组件。作为备选或此外，第一组件和第二部分可在高压釜中压制作为处理的一部分以形成第二组件。在一个实施例中，第一组件和第二部分可在高压釜中使用标准循环处理，包括沿第二方向D2和/或第三方向D3施加压制力到第二部分，以及在适合的温度和压力下固化组件。继续以上示例，第一方向D1、第二方向D2和第三方向D3可正交于彼此，即，第一方向D1可垂直于第二方向D2，第二方向D2可垂直于第三方向D3，且第三方向D3可垂直于第一方向D1。第二部分(其可为天使翼86和流动通路部分88)将天使翼层片96和流动通路层片98预成型，使得处理第一组件A1和第二部分形成第二组件A2，包括涡轮转子叶片74的翼型件80、燕尾部82、平台84、天使翼86和流动通路部分88，如之前所述的那样。即，预成型的天使翼86和流动通路部分88或天使翼层片96和流动通路层片98可结合到第一组件A1以形成第二组件A2。图9C中示出了示例性第二组件A2。
在步骤1012处，可加工第二组件以产生完成的燃气涡轮发动机构件。继续以上示例，可加工第二组件A2以形成完成的涡轮转子叶片74。图9D中绘出了示例性机械精加工的涡轮转子叶片74。
尽管上文参照制造LP涡轮转子叶片74描述，但将容易理解的是，方法1000也可用于制造其它燃气涡轮发动机构件。作为一个示例，方法1000可用于形成HP涡轮转子叶片70，以及涡扇发动机10的其它构件。其它燃气涡轮发动机构件可包括CMC层片，其在两个以上的平面内或平行于两个以上的平面延伸，或需要沿多个方向的压制。因此，用于处理构件的层合工具或其它工具可具有用于在处理期间支撑构件的适合构造，且方法1000可调整来具有任何适合或期望数目的处理步骤。
图11示出了用于制造燃气涡轮发动机的构件(诸如LP涡轮转子叶片74)的另一示例性方法1100。在步骤1102处，将第一多个层片准备用于处理。第一多个层片可包括CMC材料的层片，诸如上文所述的CMC材料。此外，如之前所述，第一多个层片可包括翼型件层片90和燕尾部层片92以及平台层片94以用于形成涡轮转子叶片74。在示例性实施例中，第一多个层片定位在第一层合工具上以将第一多个层片准备用于处理。例如，翼型件层片90和燕尾部层片92可在第一层合工具100上层合，且然后平台层片94可在第一层合工具100上层合。如之前所述，第一层合工具(例如，第一层合工具100)可具有用于支撑第一多个层片和/或有助于处理第一多个层片的任何适合的形状和构造。此外，在其它实施例中，第一多个层片可为用于形成燃气涡轮发动机的另一个构件的层片。也可使用层合层片和另外将第一多个层片准备用于处理的其它方式。
在步骤1104处，处理第一多个层片以形成第一组件。举例来说，第一多个层片可在高压釜中固化以形成第一组件。作为备选或此外，第一多个层片可在高压釜中压制作为处理第一多个层片的一部分以形成第一组件。继续以上示例，在第一多个层片包括涡轮转子叶片74的翼型件层片90、燕尾部层片92和平台层片94的情况下，层片可使用前述标准高压釜循环处理，包括沿第一方向D1施加压制力以及在适合的温度和压力下固化。处理层片90、92、94形成第一组件A1，包括叶片74的翼型件80、燕尾部82和平台84。示例性第一组件A1在图9B中示出。
在步骤1106处，将第一组件和第二多个层片准备用于处理。在一个实施例中，第一组件和第二多个层片可定位在第二层合工具上以将第一组件和第二多个层片准备用于处理。继续以上示例，其中第一组件为第一组件A1，第二多个层片可为天使翼96和流动通路层片98。在此实施例中，将第一组件和第二多个层片准备用于处理可包括将第一组件A1、天使翼层片96和流动通路层片98在第二层合工具102上层合。第一组件A1可限定第一平面，且第二多个层片(例如，天使翼和流动通路层片96、98)可限定第二平面。将第一组件A1和第二多个层片准备用于处理可包括将层片96、98在第二层合工具102上定位在第一组件A1附近，使得第二平面垂直于第一平面延伸。第一组件A1和第二多个层片的位置在图6和图7中绘出。此外，如参照方法1000所述，第二层合工具(例如，第二层合工具102)可具有用于支撑第一组件和第二多个层片和/或有助于处理第一组件和第二多个层片的任何适合的形状和构造。其它方式和方法也可用于将第一组件和第二多个层片准备用于处理。
在准备用于处理之后，如1108处所示，处理第一组件和第二多个层片以接合或结合第一组件和第二多个层片且因此形成第二组件。例如，第一组件和第二多个层片可在高压釜中固化以形成第二组件。作为备选或此外，第一组件和第二多个层片可在高压釜中压制作为处理的一部分以形成第二组件。在一个实施例中，第一组件和第二多个层片可在高压釜中使用标准循环处理，包括沿第二方向D2和/或第三方向D3压制第二组多个层片，以及在适合的温度和压力下固化组件。在处理第一组件和第二多个层片在通过沿第一方向D1施加压制力处理第一多个层片之后的情况下，第一方向D1、第二方向D2和第三方向D3可正交于彼此。即，第一方向D1可垂直于第二方向D2，第二方向D2可垂直于第三方向D3，且第三方向D3可垂直于第一方向D1。
在以上示例中，在第一组件为第一组件A1且第二多个层片包括天使翼层片96和流动通路层片98的情况下，处理第一组件A1和第二多个层片形成第二组件A2，包括涡轮转子叶片74的翼型件80、燕尾部82、平台84、天使翼86和流动通路部分88，如之前所述的那样。即，天使翼层片96和流动通路层片98可接合或结合到第一组件A1以形成第二组件A2。图9C中示出了示例性第二组件A2。
在步骤1110处，可加工第二组件以产生完成的燃气涡轮发动机构件。继续以上示例，可加工第二组件A2以形成完成的涡轮转子叶片74。图9D中绘出了示例性机械精加工的涡轮转子叶片74。
尽管上文关于制造LP涡轮转子叶片74描述，但将容易理解的是，方法1100也可用于制造其它燃气涡轮发动机构件。作为一个示例，方法1100可用于形成HP涡轮转子叶片70以及涡扇发动机10的其它构件。此外，如之前所述，其它燃气涡轮发动机构件可包括CMC层片，其在两个以上的平面内或平行于两个以上的平面延伸，或需要沿多个方向的压制。因此，用来处理构件的层合工具或其它工具可具有用于在处理期间支撑构件的适合构造，且方法1100可调整成具有任何适合或期望数目的处理步骤。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，所述方法包括：
模制陶瓷基质复合材料的多个层片以形成所述燃气涡轮发动机构件的第一部分，所述第一部分包括所述燃气涡轮发动机的叶片的翼型件、燕尾部和平台，并且所述翼型件、燕尾部和平台中的所述多个层片平行于第一平面延伸；
处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分以形成第一组件(A1)；
将所述第一组件(A1)和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分准备用于处理；以及
处理所述第一组件(A1)和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分以接合所述第一组件(A1)和所述第二部分，且由此形成第二组件(A2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组件(A1)限定第一平面，且所述第二部分限定第二平面，且其中将所述第一组件(A1)和所述第二部分准备用于处理包括将所述第二部分在第二层合工具(102)上定位在所述第一组件(A1)附近，使得所述第二平面垂直于所述第一平面延伸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述燃气涡轮发动机构件的第一部分包括沿第一方向(D1)压制所述第一部分，且其中处理所述第一组件(A1)和所述燃气涡轮发动机构件的第二部分包括沿第二方向(D2)压制所述第二部分，其中所述第一方向(D1)和第二方向(D2)垂直于彼此。
4.一种用于制造燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，包括：
将陶瓷基质复合材料的第一多个层片定位在第一层合工具上以将所述第一多个层片准备用于处理，其中所述第一多个层片包括所述燃气涡轮发动机的叶片的翼型层片、燕尾层片和平台层片，其中，所述定位包括铺设沿燃气涡轮发动机的径向延伸的所述翼型层片，燕尾层片和平台层片;
处理所述第一多个层片以形成第一组件(A1)；
将所述第一组件(A1)和陶瓷基质复合材料的第二多个层片定位在第二层合工具上以用于处理所述第一组件(A1)和所述第二多个层片，所述第一组件(A1)限定第一平面，所述第二多个层片限定第二平面，其中所述第二平面垂直于所述第一平面；以及
处理所述第一组件(A1)和所述第二多个层片以接合所述第一组件(A1)和所述第二多个层片，且由此形成第二组件(A2)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述第一平面包括所述燃气涡轮发动机的径向方向和叶片方向，所述第二平面包括所述燃气涡轮发动机的径向和流动方向。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，处理所述第一多个层片包括在高压釜中压制所述第一多个层片。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述第一组件(A1)和所述第二多个层片定位在所述第二层合工具上包括将所述第一组件(A1)和所述第二多个层片在所述第二层合工具(102)上层合。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一多个层片的翼型层片、燕尾层片和平台层片分别包括涡轮转子叶片(74)的翼型件层片(90)、燕尾部层片(92)和平台层片(94)。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二多个层片包括涡轮转子叶片(74)的天使翼层片(96)和流动通路层片(98)，其中所述天使翼层片和/或流动通路层片平行于所述第二平面延伸。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，处理所述第一多个层片包括沿第一方向(D1)压制所述第一多个层片，且其中处理所述第一组件(A1)和所述第二多个层片包括沿第二方向(D2)压制所述第二多个层片，其中所述第一方向(D1)和第二方向(D2)垂直于彼此。
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