CN107208489A

CN107208489A - 混合陶瓷基复合材料

Info

Publication number: CN107208489A
Application number: CN201580074212.7A
Authority: CN
Inventors: R.苏布拉马尼安; S.兰彭谢尔夫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-09-26
Also published as: EP3224457A1; US20170328223A1; JP6448791B2; WO2016085654A1; JP2018505983A

Abstract

提供一种混合部件（45），其包括多个层压件（10），这些层压件堆叠在彼此之上以限定堆叠的层压结构（58）。层压件（10）包括陶瓷基复合材料（22），其具有某些特征，诸如基体多孔性特性和层次型纤维架构；以及限定在其中的至少一个开口（24）。金属支撑结构（56）可布置成穿过每个开口（24）以便延伸穿过堆叠的层压结构（58）。

Description

混合陶瓷基复合材料

相关申请

本申请要求作为2015年3月27日提交的共同未决PCT申请序列号PCT/US2015/023017的部分继续申请的优先权，并且还要求2014年11月24日提交的共同未决美国临时申请序列号62/083,461的优先权。

技术领域

本发明涉及用于在高温环境（诸如，燃气涡轮机）中使用的高温材料。更具体地，本发明的方面涉及具有某些特征（诸如，基体多孔性特性和层次型纤维架构）的陶瓷基复合（CMC）材料。CMC材料特别适合用在机械和热解耦的混合部件中，所述混合部件包括一叠由CMC材料形成的层压件和延伸穿过其的至少一个金属支撑结构。本发明的方面还包括用于制造CMC材料以及混合部件的过程。

背景技术

燃气涡轮机包括用于装纳压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段的壳体或缸。空气的供应在压缩机部段中被压缩，并被引导至燃烧部段中。压缩空气进入压缩入口并与燃料混合。然后，空气/燃料混合物燃烧以产生高温高压气体。然后，这种工作气体被喷射经过燃烧室过渡部并进入涡轮机的涡轮部段中。

涡轮部段包括数排导叶，这些导叶将工作气体引导到涡轮叶片的翼型部分。工作气体行进穿过涡轮部段，从而引起涡轮叶片旋转，由此使转子转动。转子也附接到压缩机部段，由此使压缩机以及也使发电机转动以产生电。燃气涡轮机的高效率通过将流动通过燃烧部段的气体加热到实际可行的高温来实现。然而，热气体可使当其流动通过涡轮机时所经过的各种金属涡轮部件（诸如，燃烧室、过渡管道、导叶、环形区段和涡轮叶片）劣化。

出于该原因，已经研发用以保护此类部件免受极端温度的影响（诸如，研发和选择适于承受这些极端温度的高温材料）的策略，和用以在操作期间保持部件被恰当地冷却的冷却策略。举一例，已研发对高达1200℃的温度具有抵抗力的陶瓷基复合（CMC）材料。CMC材料包括用陶瓷纤维加强的陶瓷基体。通常，纤维可具有预定取向以向CMC材料提供额外的机械强度。然而，已发现，由于在许多涡轮部件的通常的复杂形状中在部件的边缘处使纤维取向的困难，所以由CMC材料形成涡轮部件可富有挑战性。出于该原因，已研发由堆叠的CMC层压件形成的部件。堆叠的CMC层压件包括由CMC材料形成的多个层压件，并且其中纤维处于期望的取向中。通过包括多个平坦的层压件（每一个均具有期望的纤维取向和形状），可更好地控制部件的整体组成和形状。

已进一步发现，虽然CMC材料提供卓越的热保护性质，但CMC材料的机械强度仍显著地小于对应的高温超合金材料的机械强度。出于该原因，已尝试将其他的加强材料添加到CMC材料或用具有更大机械强度的材料支撑CMC材料。例如，在一些实例中，堆叠的层压件可在杆上滑动，并经由固持结构或压缩这叠层压件的其他结构被固持/压缩。

这种方法的一个主要问题在于对于每个层压件而言，铸造/制造公差变得难以完美，使得CMC层压板与杆的界面贯穿整个部件（特别是具有相对大的结构的部件，诸如叶片或导叶）的完整长度（例如，高度）处于公差内。再进一步地，虽然氧化物和非氧化物CMC材料能够承受超过1200℃的温度，但是在不被冷却的燃烧环境中，它们仅能够在有限的时间段内这样做。因此，对于完全或大致由CMC材料形成的部件而言，还需要恰当的冷却机制。

附图说明

考虑到所示出的附图，在以下描述中解释本发明：

图1是根据本发明的方面添加金属芯之前的层压件的透视图。

图2是根据本发明的方面的层压件的透视图，所述层压件包括在该层压件的主体中的开口内的金属芯。

图3是根据本发明的方面的在开口内的金属芯的俯视图。

图4是根据本发明的方面的层压件的俯视图，所述层压件具有在金属芯与CMC材料部分的主体的壁之间的间隙。

图5是根据本发明的方面的层压件的俯视图，所述层压件包括在间隙内的偏压构件。

图6是根据本发明的方面的包括金属部分的层压件的俯视图，所述金属部分具有在间隙内向该金属部分提供一定程度的弹性的网格结构。

图7是根据本发明的方面的包括金属芯的层压件的透视图，所述金属芯具有延伸到CMC材料的多个指部。

图8是根据本发明的方面的包括金属芯的层压件的透视图，所述金属芯具有与来自层压件的突起互锁的多个指部。

图9是根据本发明的方面的包括金属芯的层压件的透视图，所述金属芯包括延伸穿过每个金属芯的冷却通道。

图10是根据本发明的方面的由多个层压件形成的混合CMC/金属静导叶。

图11A至图11H图示根据本发明的方面的用于制造混合CMC/金属部件的过程。

图12A至图12C图示根据本发明的方面的用于制造混合CMC/金属部件的另一过程。

图13图示根据本发明的方面的由多个层压件形成的混合CMC/金属燃气涡轮机叶片。

图14图示根据本发明的方面的堆叠的层压部件，其包括在顶部层压件中凹入的金属盖。

图15图示根据本发明的方面的堆叠的层压部件，其包括完全金属尖盖。

图16图示根据本发明的方面的堆叠的层压部件，其中，金属支撑结构的部分与层压件的部分重叠以及反之。

图17A至图17D是图9的层压件的横截面视图，其图示根据本发明的方面的陶瓷基材料的基体多孔性特性。

图18A至图18B是图9的层压件的横截面视图，其图示根据本发明的方面的陶瓷基材料的层次型纤维架构。

图19图示根据本发明的方面的经由骨架形状形成的CMC材料。

具体实施方式

根据一个方面，本发明涉及包括层压件堆叠的部件（诸如，涡轮部件），所述层压件堆叠包括多个含有陶瓷基复合（CMC）材料的层压件并具有延伸穿过层压件堆叠的一个或多个金属支撑结构。层压件可彼此机械和/或热解耦，但与一个或多个共用的金属支撑结构相互接合以允许对部件的改进的冷却和/或贯穿该部件的载荷分布。

根据一个方面，提供用于形成用于在高温部件（诸如，燃气涡轮机部件）中使用的机械和热解耦部件的过程。根据另一个方面，本文中所描述的过程经由以下步骤建构CMC/金属混合部件：在将每个CMC层压件添加到一叠CMC层压件时，经由增材制造过程以逐层的方式为该叠CMC层压件形成至少金属支撑结构。以这种方式，相比于已知的方法，混合部件在堆叠中的每个层压件水平处包括优化的尺寸和性质（例如，金属与CMC材料之间的界面）。在已知的方法中，部件越大，则将预期沿部件的整个径向长度在CMC材料与金属之间提供最佳界面的困难更大。例如，在堆叠中将更期望齐平界面的一些高度处，CMC材料与杆（当使用时）之间可存在间隙。

另外，通过由增材制造过程逐层建构部件，层压件的CMC材料与共用金属支撑结构的界面仍彼此机械和热解耦。以这种方式，可实质上减少或消除例如相邻层压板之间的载荷传递和/或热传递。仍进一步地，可贯穿该部件逐层优化CMC混合部件的组成。例如，众所周知，在某些配置中，涡轮部件可能在部件的中间部分处经历更大的温度。在此类情况中，例如经由调节在堆叠中的具体水平处的金属材料的形状或尺寸，CMC材料可以在部件的某部分处相对其他部分具有对温度极端、氧化、腐蚀和/或载荷的增加的抵抗力。

本文中所描述的混合部件（其包括堆叠的陶瓷基复合（CMC）层压件和延伸穿过其的一个或多个增材制造的金属支撑结构）及用于制造其的过程具有多个益处：

-在一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程利用为金属支撑件提供卓越的热保护的固有CMC材料性质。同时，由金属支撑结构提供的层压结构和机械支撑抑制CMC材料的严重层间失效。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程实现增加的暴露温度和冷却空气要求的显著减小。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可实现复杂部件和芯几何形状的生成。这提供在层压件堆叠中的每个层压件处使CMC材料和金属材料定制配合（customfit）的能力。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可提供CMC层压件于彼此的固定/夹持，但不要求堆叠中的层压件一致地或作为整体运动。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许优化的冷却空气流动（当金属芯中存在冷却通道时）通过金属支撑结构以及CMC材料与金属材料之间的改进的热传递。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许具有各种复杂形状的部件的快速成型并促进对先前形成的原型部件进行廉价和快速的修改。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许人们改变金属支撑结构的横截面面积、形状和拓扑以改进部件的机械强度和热传递。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许制造贯穿部件具有CMC材料至金属材料的梯度的部件。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许沿部件的长度的离心载荷的改进的分布。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可允许在金属支撑结构上的减小的加载。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可利用基体多孔性特性。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可利用层次型纤维架构。

-在又另一个方面中，本文中所描述的混合部件和/或过程可利用骨架布置。

每个方面均可形成与其他方面分离且有区别的独立发明，或可将多个方面组合。例如，机械和热层压件可与增材制造分离和区别，并且不必依赖于根据增材制造过程形成。

现参考附图，图1示出包括主体12的层压件10，所述主体12具有在前边缘18与后边缘20之间延伸的顶表面14和底表面16。在一个方面中，由于穿过堆叠形成金属支撑结构，因此本文中所描述的多个单个层压件（例如，层压件10）可被堆叠。在实施例中，经由增材制造过程形成金属支撑结构。虽然紧接在下文的论述描述了在堆叠中任何给定位置处的单个层压件10的示例性实施例，但构想到如本文中所描述的部件将包括多个此类层压件10且包括延伸穿过层压件10的金属支撑结构。

再次参考图1，层压件10至少部分地由陶瓷基复合（CMC）材料22形成。在主体12内，限定从顶表面14延伸穿过主体12到达底表面16的一个或多个开口24。在所示的实施例中，示出主体12中存在两个开口24；然而，应理解的是，本发明并不如此局限，且可设置更小或更大数量的开口24。

每个层压件10均可具有面内方向15和厚度方向（through thickness direction）25。厚度方向25能够大致垂直于面内方向15。厚度方向25延伸穿过层压件10的在层压件10的顶表面14与底表面16之间的厚度。另一方面，面内方向15可大致平行于层压件10的顶表面14和底表面16中的至少一者。

现在参考图2，示例性层压件10可在一个或多个开口24内包括由金属材料28形成的金属芯26。形成在彼此上的多个金属芯26共同地限定延伸穿过该叠层压件的金属支撑结构。因此，金属芯26旨在指代处于相应层压件10内的金属支撑结构的一部分。如将在下文解释的那样，可经由增材制造过程形成金属芯26，其中，金属源材料被熔化并允许用相应的开口24重新凝固。如也将在下文解释的那样，由于层压件10在彼此上堆叠，因此可经由增材制造过程形成每个层压件10的包括金属材料的金属芯26。在一个方面中，金属芯26形成在每个开口24内达到足以在金属芯26与层压件10的壁34（图1）之间提供界面30的程度，所述壁限定每个相应开口24。

在一个实施例中，如图3（其为层压件10的主体12的俯视图）中所示，在用金属材料28在开口24内建构金属芯26期间，金属芯26可填满开口24的整个宽度（W）。在另一个实施例中，如图4中所示，金属材料可被熔化并在开口24内冷却以形成金属芯26，以便留下被限定在金属芯26与壁34之间的一个或多个间隙36（下文中称为间隙36）。

在某些实施例中，金属芯26可构造成用于传递来自层压件10的主体12的载荷。为促进该作用，在某些实施例中，如图5中所示，可将偏压构件38安置在间隙36内。仅以示例的方式，偏压构件38可包括多个片簧40。替代性地，偏压构件38可包括具有一定程度的弹性的任何其他类型的结构或材料。偏压构件38维持金属芯26与包括CMC材料22的主体12之间的支撑力，且还允许抵对偏压构件38的载荷传递。偏压构件38可进一步适应金属芯26与主体12之间的不同热膨胀。在某些实施例中，可从合适的源提供冷却流体，且该冷却流体可流入偏压构件38中和围绕偏压构件38流动且在间隙36内流动，以冷却CMC材料22和/或金属芯26。

在另一个方面中，如图6中所示，偏压构件38可包括添加的金属部分42，所述部分42也可由增材制造过程形成以便具有向该部分提供相对于金属芯26而言更大程度的偏压/弹性的网格或其他结构。以这种方式，添加的金属部分42也维持金属芯26与包括CMC材料22的主体12之间的支撑力，且允许抵对金属部分42的载荷传递。

在又另一个实施例中，如图7中所示，层压件10可包括多个间隙36，且金属芯26可包括也由金属材料形成的多个指部40。多个指部40构造成在其加载时至少在一定程度上挠曲，以便在CMC材料22与金属芯26之间提供一定程度的载荷传递。另外，多个指部40可在约束金属芯26的运动的同时允许金属芯26的热生长。这在当部件是旋转零件时特别有益。此外，多个指部40可允许在CMC材料22与金属芯26之间的热传递。为实现这些目标，在某些实施例中，指部40可以以除90度之外的角度从金属芯26的中央部分径向向外延伸或突出。在某些实施例中，可使冷却流体向上通过指部40和在间隙36内流动，以冷却CMC材料22和金属芯26。

在又另一个实施例中，层压件10的主体12还包括从层压件10的主体12延伸入开口24中的多个突起35，以及上述指部40。这些突起35可构造成与指部40中的相应的一者互锁或几乎互锁。在一些实施例中，至少一些指部40可与突起35成邻接关系。另外，在至少一些金属芯26与突起35之间可存在空间37以允许金属芯26伴随热生长的进一步运动，同时仍约束金属芯26在开口24内的运动。

在又其他实施例中，如图9中所示，层压件10可包括具有冷却通道44的金属芯26，所述冷却通道44安置成从金属芯26的顶表面穿过金属芯26的主体到达金属芯26的底表面。通道44可具有任何合适或期望的形状或尺寸。可使冷却流体从合适的源向上流动通过冷却通道44以便冷却CMC材料22和/或金属芯26。

应了解的是，图2至图9中所示的实施例可被视为其中具有金属芯26的单个层压件10的各种非限制性实施例。同一部件中的额外层压件可具有金属芯和至少部分地由CMC材料形成的环绕主体的不同构型，或可完全由CMC材料或金属材料形成。在此类层压件10的堆叠中，该堆叠可构造成例如沿部件的整个长度以更一致的方式在CMC材料22与金属芯26之间分布载荷。

在本文中所描述的实施例中，CMC材料22可包括持有（host）多个加强纤维的陶瓷基材料。CMC材料至少在其能够沿不同方向具有不同强度特性的意义上而言可以是各向异性的。各种因素（包括材料选择和纤维取向）都能够影响CMC材料的强度特性。因此，应了解的是，层压件10可由多种材料制成，且本发明并不限于任何具体材料。仅以示例的方式，陶瓷基材料22可包括氧化铝，且纤维可包括由近似70%的氧化铝、28%的二氧化硅和2%的硼组成的铝硅酸盐组合物（以名称NEXTEL™ 312出售）。可以各种形式（诸如编织织物、毯、单向带和垫）提供纤维。本领域中已知用于制造CMC材料的多种技术，且此类技术能够被用于形成待在本文中所描述的层压件10中使用的CMC材料22。美国专利号7,153,096、7,093,359和6,733,907中描述了用于在要求保护的本发明中使用的示例性CMC材料22，这些专利中的每一个的全部内容均通过引用并入本文。

如上文所述，材料的选择不是支配CMC材料22的性质的唯一因素，因为纤维方向也可影响材料的性质（诸如，机械强度）。纤维可具有任何合适的取向，诸如美国专利号7,153,096中所描述的那些取向。

现在参考图9和图17A至图17D的横截面，层压件10的CMC材料22具有基体多孔性特性。基体多孔性特性能够选自以下特征中的一者或多者：取决于具体应用或制造方法的孔隙几何形状200、孔隙大小202、204、孔隙布置206和孔隙率208。基体多孔性特性影响陶瓷基的热导率和弹性模量。具体地，对于绝缘陶瓷材料（诸如，CMC材料22）而言，穿过厚度的热梯度取决于多孔性特性，且所得的热应力取决于局部弹性模量。弹性模量和热导率是两个互相依赖的性质，其需要优化以使材料可靠性最大化。

图17A至图17D示出具有孔隙几何形状200的层压件10基体多孔性特性的CMC材料22。孔隙几何形状200最广泛地包括任何三维形状。优选地，基于具体应用或制造方法，孔隙几何形状200具有大体预期的形状。在层压件10被用于形成燃气涡轮机的导叶（见图11H）的至少一部分并由平坦CMC板102（见图11A至图11B）制成的示例性应用中，孔隙几何形状200可被描述为具有由一个或多个线性、弯曲和/或曲线型部分界定的大体或大致球形、胶囊形、椭圆形、圆锥形、立方形、金字塔形或铁饼形状。优选地，至少50%且更优选地至少70%的孔隙具有大体或大致球形或胶囊形（具有一些弯曲或曲线型界定部分）的孔隙几何形状200。最优选地，在基体烧结和纤维处理之后，孔隙具有大致球形的孔隙几何形状200。

图17A示出具有大孔隙202的层压件10基体多孔性特性的CMC材料22。在层压件10被用于形成燃气涡轮机的叶片49（见图13）的至少一部分的示例性应用中，当以大体或大致球形几何形状形成大孔隙202时，层压件10孔隙的至少50%包括具有50至100微米的直径的大孔隙202。

图17B示出具有小孔隙204的层压件10基体多孔性特性的CMC材料22。在层压件10被用于形成燃气涡轮机的叶片49（见图13）的至少一部分的示例性应用中，当以大体或大致球形几何形状形成小孔隙204时，层压件10孔隙的至少50%包括具有5至50微米的直径的小孔隙204。

图17A至图17D示出具有孔隙布置206的层压件10基体多孔性特性的CMC材料22。孔隙布置206最广泛地包括关于孔隙相对于层压件10内的其他孔隙的组织或组织的缺乏。优选地，基于具体应用或制造方法，孔隙布置206具有大体预期的组织。在层压件10被用于形成燃气涡轮机的导叶（见图11H）的至少一部分并由平坦CMC板102（见图11A至图11B）制成的示例性应用中，孔隙布置206可被描述为大体一致的或大体随机的，如图17A和图17B中所示。在另一示例性应用中，孔隙布置206可被描述为朝向层压件10的外部部分布置更多大孔隙202且朝向层压件10的内部布置更多小孔隙204，如图17C中所示。在另一个示例性应用中，孔隙布置206可被描述为朝向层压件10的外部部分布置更多小孔隙204且朝向层压件10的内部布置更多大孔隙202，如图17D中所示。

图17A至图17D示出具有孔隙率208的层压件10基体多孔性特性的CMC材料22。在层压件10被用于形成燃气涡轮机的叶片49（见图13）的至少一部分的示例性应用中，孔隙率208是5%至30%。更优选地，孔隙率208是5%至20%。最优选地，孔隙率208是5%至10%。

每个单个层压件10均可仅包括一个多孔性特性，或取决于具体应用或制造方法可以包括预期的多个多孔性特性或甚至不包括多孔性特性。例如，可贯穿层压件10一致地使用一个多孔性特性，或对于另一示例，可使用两个多孔性特性，其中朝向燃气涡轮机叶片49的前边缘更多地使用大孔隙202且朝向叶片49的后边缘更多地使用小孔隙204，或对于另一示例，（一个或多个）多孔性特性可贯穿叶片49的径向厚度以均匀或非均匀的方式变化。

而且，共同地形成期望形状（诸如，燃气涡轮机叶片49（见图13）或导叶（见图11H））的多个堆叠的层压件10可包括一个或多个单个层压件10，取决于具体应用或制造方法，所述层压件不具有多孔性特性、具有与堆叠的层压件10中的一个或多个其他层压件不同的一个或多个多孔性特性。

现参考图9和图18A至图18B的横截面，层压件10的CMC材料22具有层次型纤维架构，换言之呈互锁结构的各种纤维直径的编织。

层次型纤维架构能够是粗网210（其中纤维具有10至25微米且优选地10至15微米的厚度，如图18A中所示）到细网212（其中纤维具有1至10微米且优选地1至5微米的厚度，如图18B中所示）。层次型纤维架构还能够是混合网，其中一些纤维具有粗网210且一些纤维具有细网212，其中粗与细之比的范围是10%至90%且优选地33%至66%。

能够使用层次型纤维架构的混合以在复合物的机械性质中实现更大的设计空间，此类那些被设计成改进总体层压件10长度、引导裂纹偏转和增强层压件10的具体区域。

此外，层次型纤维架构可包括具有2微米至25微米直径且优选地5微米至15微米直径的细须214，如图18A中所示。细须214可具有连接到纤维、其他细须或两者的一个或多个端部。细须可由与纤维相同或类似的材料制成，或由另一种合适的材料（诸如，Al₂O₃）和其他能够承受高温的材料（诸如，YAG（钇铝石榴石））制成。细须具有200微米至2000微米、优选地500微米至1000微米的长度。

每个单个层压件10均可仅包括一个层次型纤维架构，或取决于具体应用或制造方法，可包括预期的多个纤维架构或甚至不包括纤维架构。例如，可贯穿层压件10一致地使用一个纤维架构，或对于另一示例，可使用两个纤维架构，其中朝向燃气涡轮机叶片49的前边缘更多地使用细网212且朝向叶片49的后边缘更多地使用粗网210，或对于另一示例，纤维架构可贯穿叶片49的径向厚度以均匀或非均匀的方式变化。而且，共同地形成期望的形状（诸如，燃气涡轮机叶片49（见图13）或导叶（见图11H））的多个堆叠的层压件10可包括一个或多个单个层压件10，取决于具体应用或制造方法，所述层压件不具有层次型纤维架构、具有与堆叠的层压件10中的一个或多个其他层压件不同的一个或多个层次型纤维架构。

金属材料28（及包括多个金属芯26的所得的金属支撑结构56）可包括任何合适的金属材料，所述金属材料将向层压件和/或部件提供附加强度，以及通过与CMC材料22接触或通过密切接近CMC材料22来允许CMC材料22的一定程度的冷却。在某些实施例中，金属材料28可包括超合金材料，诸如本领域中众所周知的Ni基或Co基超合金材料。术语“超合金”可被理解为指代即使在高温下仍展现卓越的机械强度和抗蠕变性的高抗腐蚀和抗氧化合金。示例性超合金材料可商业地获得，且例如在以下商标或品牌名称下出售：Hastelloy、Inconel合金（例如，IN 738、IN 792、IN 939）、Rene合金（例如，Rene N5、Rene 41、Rene 80、Rene 108、Rene 142、Rene 220）、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、262、X45、PWA 1483和CMSX（例如，CMSX-4）单晶合金、GTD 111、GTD 222、MGA 1400、MGA 2400、PSM 116、CMSX-8、CMSX-10、PWA 1484、IN 713C、Mar-M-200、PWA 1480、IN 100、IN700、Udimet 600、Udimet 500和钛铝化合物。

上文所描述的单个层压件10被理解为表示由一叠此类层压件10建构的部件的给定横截面。在一个实施例中，由如本文中所描述的一叠层压件10形成的部件可以是燃气涡轮机的静止部件（诸如，静导叶）。在另一个实施例中，部件可包括用于燃气涡轮机的旋转部件（诸如，叶片）。然而，本发明并不如此局限，且可根据本文中所描述的过程形成任何期望的部件。

参考图10，仅以示例的方式，示出呈静止的涡轮导叶46的主体部分的形式的部件45。导叶46包括径向外端部47、径向内端部48和外周边表面50。如本文中所使用的，术语“径向”旨在描述导叶46在其操作位置中相对于装纳其的涡轮机的方向。此外，导叶46可具有前边缘52和后边缘54。如下文将详细解释的那样，当单个层压件10堆叠在彼此之上时，通过诸如增材制造过程的过程形成穿过堆叠58（或堆叠的层压件58或堆叠的层压结构58）中每个层压件10中的开口24的金属支撑结构56。在实施例中，金属支撑结构56从径向外端部47延伸到径向内端部48。金属支撑结构56包括多个金属芯26（见图2至图9），所述金属芯中的每一个均可在每个层压件水平下单个地定制。

在另一实施例中，如图13中所示，部件45可呈燃气涡轮机的叶片49的至少一部分的形式。可以以与导叶46相同的方式形成叶片49，使得叶片49包括层压件10的堆叠58和在每个层压件10中的相应开口24内延伸穿过堆叠58的一个或多个金属支撑结构56。在实施例中，叶片49包括由层压件10形成的翼型51，所述翼型可在其根部处安装在平台53上。因此，在这个实施例中，多个层压件10的至少一部分具有翼型形状。

在某些实施例中，堆叠中的层压件10与相邻层压件10机械解耦和/或热解耦，使得至少一个层压件10独立于至少一个其他层压件10将一定量的载荷或一定量的热能传递到金属支撑结构56。另外，堆叠58中的层压件10可机械和/或热解耦，使得至少一定量的载荷或热能不从一个层压件10被传输到相邻层压件10，因为各个层压件未粘接在一起，且CMC材料22和金属芯26未彼此粘接或固定。尽管如此，仍可在堆叠58的每个水平处定制CMC材料22与金属支撑结构56（及其组成）之间的关系。以这种方式，金属支撑结构56可为CMC材料22提供机械支撑，并允许从CMC材料22到金属支撑结构56的优化的载荷和/或热传递。在旋转部件的情况下，本文中所描述的堆叠的层压件/增材制造方法还允许分布离心载荷，因为单个层压件20不必一致地运动并且相对于共用的金属结构支撑件（例如，支撑结构56）能够自由地单个地移动。

应了解的是，形成期望的部件的各个层压件10可大致彼此等同；然而，在某些实施例中，层压件10可彼此不同。例如，堆叠的层压件58可包括在厚度、大小、形状、密度、纤维取向、多孔性等等方面有区别的层压件10。在某些实施例中，与一个层压件10相关联的金属芯26可具有相对于与另一有区别的层压件10相关联的金属芯26不同的组合、形状及尺寸。此外，层压件10中的任何一个或多个可呈平板的形式，且可具有笔直或弯曲的边缘。在其他实施例中，层压件10可甚至具有非平面的邻接表面。

现在转向图11A至图11H，示出根据本发明的方面的示例性过程100（大体示于图11A）。在所示的实施例中，通过该过程形成静导叶，不过应理解的是，本发明并不如此局限于静导叶的制造，并且可针对各种应用通过本文中所描述的过程形成具有各种大小和形状的其他部件。

如图11A中所示，可初始地以大致平板102的形式提供CMC材料22。如图11B中所示，可从平板102切割出任何一个或多个层压件10的主体12（诸如，通过水射流或激光切割），以形成期望的主体形状（例如，翼型形状）和提供期望数量和尺寸的开口24。由平板102形成层压件10能够提供众多优点。举一个示例，平板提供CMC材料的强劲、可靠和统计学上一致的形式。因此，平板方法可避免在制造紧凑地弯曲的构型时出现的制造困难。例如，平板在固化期间可不受约束，且因此不遭受各向异性的收缩应变。

替代性地，可初始地通过首先形成具有期望形状的大致平坦的骨架220（例如，见图11A虚线、图19）而非以大致平板102的形式来提供CMC材料22，同时仍保持CMC材料22的强劲、可靠和统计学上一致的形式。平坦骨架220技术涉及拉拔（draw out）或商业地购买拉拔纤维材料222（诸如，Nextel 610、720和650）。取决于具体应用和期望的部件，拉制纤维222可具有一个或多个某种预期的厚度、大小、形状、密度、纤维取向、纤维架构等等。接下来，以多种方式（诸如，通过铺层、辊轧、钉粘（tack）、注射、喷涂等等）中的任何方式操作细长的拉制纤维222，以使期望形状的大致平坦骨架220（例如，见图11A虚线、图19）成形。在平坦骨架220已成形之后，通过多种方式（诸如，注射、喷涂、溅射、熔化、渗透、熔浆渗透等等）中的任何方式将陶瓷基氧化物材料（诸如，作为Pritzkow FW12（基体是氧化铝氧化锆混合物）可商业地获得的陶瓷基氧化物材料，或美国专利号7,153,096、7,093,359和6,733,907中所描述的那些陶瓷基氧化物材料）沉积在纤维骨架220中及其周围，由此使纤维骨架220相互连接。取决于具体应用和期望的部件，根据需要，CMC材料22可具有一个或多个某种预期的厚度、大小、形状、密度、多孔性、孔隙特性等等。

代替大致平坦的形状，可修改上文所描述的大致平坦骨架220技术以产生更厚的形状。如果如此修改，那么三维骨架224形状优选地与期望部件（诸如，燃气涡轮机导叶或叶片49）的三维形状大体一致。该修改涉及堆叠拉制纤维222或使用远为更厚的拉制纤维222来使更厚的骨架224成形，且然后将CMC材料22沉积在更厚的骨架224中及其周围。

在实施例中，可在每个层压件10完全固化之后发生层压件10在堆叠58中的组装，以便避免收缩问题。如果使用CMC平板102，则平板102也促进常规的非破坏性检验。此外，利用平板减少了难以识别的分层型缺陷的致命度。此外，更容易实现尺寸控制，因为可准确地形成平板并且可使用成本有效的切割方法将平板机械加工成形。平板构造还实现可缩放的和自动化的制造过程。

现在参考图11C，可提供基底构件104，其上将堆叠一系列层压件10中的第一层压件10A。在该实施例中，基底构件104可包括用于静导叶的平台（例如，用于导叶的径向向内平台）。替代性地，基底构件104可以具有任何其他合适的结构，诸如如本文中所描述的业已形成的层压件或无开口24或无形成于其中的金属芯26的层压件。在任何情况下，第一层压件10A被放置在基底构件104上，并且金属源材料106被添加到开口24内的一个或多个期望位置。在实施例中，以预定体积和馈送速度从合适的金属源108（诸如，料斗等等）提供金属源材料106。

在材料106的沉积之后，能量源110（诸如，激光源）使来自其的能量束112聚焦在相应开口24内的金属源材料106上以根据预定协议以预定模式使预定量的金属材料106熔化，从而在相应开口24内形成熔融金属。为实现此，可使能量源110相对于基材（例如，层压件10A）运动或反之，以将能量源110定位在层压件10A上的期望位置处，从而使金属材料106熔化。如也在图11C中示出的那样，将允许熔融金属主动地或被动地冷却以提供两个金属芯26A（在该实例中，用于单个层压件10A）。金属芯26A充当相应的金属支撑结构56的第一部分，所述金属芯26中的每一个均可延伸穿过堆叠58（例如，见图10）的每个层压件10中的开口24。

在该实施例中，为建构金属支撑结构56和促进在金属芯26A的顶部上添加后续形成的金属芯26B，可在先前的芯26A的顶部上添加额外的金属材料106A，如图11D中所示。此后，能量源110（图11C）可再次引导一定量的能量112使额外的材料106A熔化，且可允许熔融材料冷却（主动地或被动地）以形成后续的金属芯26B（如图11E中所示），所述金属芯中的每一个均从第一层压件10A的顶表面115傲然竖立。

在实施例中，所形成的金属芯26B现在可用作其上可放置后续层压件10B的支柱，如图11F中所示。这种设计的一个优点在于，金属芯26B能够针对对应的层压件10B具体地配置，且可以以任何期望的方式（例如，大小、形状、材料、针对载荷和热传递、在CMC材料与金属芯之间具有具体界面等等）被定制。仅以示例的方式，在二十个层压件的堆叠的情况下，如果长且刚性的杆例如从径向外端部47延伸穿过该层压件堆叠到达径向内端部48（图10），那么将难以沿整个径向长度在CMC材料与金属芯之间具有最佳界面。换言之，形成的结构越大，越难以在部件的每一个径向位置处提供期望的规格，诸如CMC材料与金属之间的最佳界面。因此，通过利用增材制造来通过堆叠层压结构逐层建构金属支撑结构56，能够沿部件的长度以各种间隔优化CMC材料、金属、这两者之间的界面和部件中的任何其他结构的参数，这例如在长杆等等的情况下是不可能的。

在第二金属芯26B的形成时，应了解的是，第一金属芯26A和第二金属芯26B可彼此变成一体以提供径向地延伸穿过层压件10中的相应开口24的金属支撑结构56的一部分。重复在现有金属芯上形成后续的芯并将层压件10堆叠在后续形成的芯上的过程，直到形成能够在其上添加堆叠58中的最后一个层压件的整个金属支撑结构56。如图11G中所示，当添加最后一个层压件10时，层压件堆叠58的形成被完成并限定具有金属支撑结构56（其可在堆叠58中的每个层压件10处被定制）的层压件的堆叠58，所述层压件的堆叠延伸穿过结构56。

此后，如果必要或期望，可提供顶部构件116以限定所形成的部件118的顶表面，在这种情况下，所形成的部件118可以是如图11H中所示的静导叶46。在所示的实施例中，在静导叶的情况下，顶部构件116可包括外径向平台。在其他实施例中（诸如，叶片的形成的情况那样），顶部构件116可包括已形成的层压件或甚至如本文中所描述的包括CMC材料而无金属芯的层压件。

一旦所有期望的层压件均堆叠在彼此之上且应用了顶部构件（如果存在），就可以通过任何期望的一个或多个过程（诸如，机械加工、涂覆和热处理）来完成部件的制造。在某些实施例中，可能期望给予部件（尤其是将暴露于高温的那些部分）更大的热保护。在此类情况下，能够在期望的位置处将一层或多层热绝缘材料或热障涂层64应用于部件的周边表面50（图10）。在一个实施例中，热障涂层64可包括脆性分级绝缘（FGI），所述FGI在本领域中是已知的（诸如在美国专利号6,670,046和6,235,370中，所述专利通过引用并入本文）。在其他实施例中，可在层压件10的堆叠之前将此类热障涂层应用于每个层压件10的外周边。

在上文所描述的实施例中，形成后续金属芯（例如，26B），使得在金属材料28的熔化和再凝固时，所形成的金属芯26B被安置在先前提供的层压件10A的顶表面上（傲然竖立）。以这种方式，类似于在立杆（pole）上滑动/放置环，能够将后续层压件10B添加到金属芯26B。一旦后续层压件10B被安置在金属芯26B上，就能够在金属芯26B上形成另一金属芯，且重复该过程直到完全形成金属支撑结构56且最后的层压件10被放置在堆叠58上。在实施例中，在待添加堆叠58中的最终的层压件10的情况下，可提供金属材料28，使得形成最后的层压件10的金属芯26以便与最后的层压件10的顶表面齐平，如图11G中所示。

应了解的是，可以以任何具体次序发生连续的层压件10的放置连同通过层压件的开口24的金属支撑结构56的形成。如上文所解释的那样，可放下第一层压件10A，使金属材料28熔化并在相应开口24内再凝固，且然后可将另一层压件10B定位在第一层压件10A上。在如上文所解释的一些实施例中，可形成从第一层压件10A的顶表面14径向地延伸的金属芯26A，所述金属芯用作后续层压件10B可定位于其上的支柱。

在其他实施例中，金属材料106可被添加于层压件10A的开口24A内，使得当熔化和再凝固时，金属芯26的一部分60形成在每个开口24中，而且安置在对应的层压件10A的顶表面14下方。这在图12A中示出，为易于说明，图12A是沿如本文中所描述的层压件10的穿过平面方向的平坦、二维横截面视图。应理解的是，图12A的层压件10A可包括例如翼型形状。在部分60的形成之后，可将后续层压件10B堆叠在先前的（例如，第一）层压件10A上，如图12B中所示。此后，额外的熔融和再凝固金属材料可填充先前层压件10A的开口24A内的其余深度，以完成在第一层压件10A内形成金属芯26。另外，熔融和再凝固金属材料可填充后续层压件10B的开口24B的一部分，且因此可形成用于层压件10B的金属芯的一部分62。应了解的是，在必要时，可重复这个过程以添加层压件10C至10G直到最后的层压件10H被放置在堆叠58上。对于最后的层压件10H而言，可使金属材料在该最后的层压件10H的开口24H内熔化和再凝固，使得最终的金属芯26H形成穿过堆叠58的完整的金属支撑结构56，所述金属支撑结构56具有与最终的层压件10H的顶表面115齐平的端部，如图12C中所示。

在其他实施例中，所形成的部件的顶部部分的一部分或全部可在一个或多个最外部层压件中包括更大量的金属材料28。如图14中所示，例如，堆叠58中的最顶部层压件10I可包括在主体12中的凹部64，所述凹部填充有熔融和再凝固金属材料66。在又另一个实施例中，如图15中所示，堆叠58的顶部部分70包括末端部分（tip portion）72，所述末端部分完全由金属材料形成且可具有任何期望的形状。

还应理解的是，在增材制造过程期间，可在开口24内形成间隙、偏压构件或任何其他期望的部件或设计。也了解的是，可经由可移除的间隔件的使用和/或经由增材制造参数（诸如，激光强度、持续时间、能量源与部件之间的间距等等）的控制进行间隙36的形成。

另外，在图12C中所示的实施例中，金属支撑结构56包括相对对称的形式，使得贯穿部件，相邻层压件的开口和环绕主体的尺寸是相对相同或类似的。在另一个实施例中，如图16中所示，代替地通过增材制造（如本文中所描述的那样）形成部件，使得CMC层压件10A至10H的部分与金属支撑结构56的部分重叠（及反之），以便使堆叠58中CMC层压件10A至10H与金属支撑结构56互锁。以这种方式，金属支撑结构56的多个部分与CMC层压件10A至10H重叠，因此经由金属支撑结构56包埋CMC层压件10A至10H（诸如，沿竖直或发动机径向方向）。此类构造对提供单个层压件支撑以避免在某些加载条件下或在单个层压件断裂的情形中的分离和泄漏路径（内部冷却空气外泄或热气体漏入）是有用的。在旋转翼型的情况下也应用此类约束，以将离心载荷从每个层压件分布于金属支撑结构56。在叶片的情况下，这种方法具有胜于常规翼梁-壳（spar-shell）构思的优点，所述翼梁-壳构思将翼型壳载荷集中在叶片叶顶处，由此通过将重心推向叶片叶顶来增加叶片总载荷。在本发明的一个方面中，载荷传递发生在堆叠中的每个层压件处，且由此可减小离心载荷。

虽然本文中已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，仅以示例的方式提供此类实施例。在不背离本文中的发明的情况下，可作出众多变型、改变和替代。因此，预期本发明仅受到所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims

1. 一种混合部件（45），其包括：

多个层压件（10），其堆叠在彼此上以限定堆叠的层压结构（58），所述多个层压件（10）包括具有基体孔隙特性的陶瓷或陶瓷基复合材料（22），以及限定在其中的至少一个开口（24）；以及

金属支撑结构（56），其布置成穿过每个开口（24）以便延伸穿过所述堆叠的层压结构（58）。

2.根据权利要求1所述的部件（45），其中，所述基体孔隙特性选自由以下各项组成的集合：孔隙几何形状（200）、孔隙大小（202、204）、孔隙布置（206）和孔隙率（208）。

3.根据权利要求2所述的部件（45），其中，所述孔隙特性是孔隙几何形状（200）。

4.根据权利要求3所述的部件（45），其中，所述孔隙几何形状（200）是球形。

5.根据权利要求4所述的部件（45），其中，所述孔隙大小（202、204）是5微米至100微米。

6.根据权利要求1所述的部件（41），其中，所述陶瓷基复合材料（22）还包括层次型纤维架构。

7. 一种混合部件（45），其包括：

多个层压件（10），其堆叠在彼此上以限定堆叠的层压结构（58），所述多个层压件（10）包括具有层次型纤维架构的陶瓷基复合材料（22），以及限定在其中的至少一个开口（24）；以及

8.根据权利要求7所述的部件（45），其中，所述层次型纤维架构选自由以下各项组成的集合：粗网（210）、细网（212）、细须（214）和混合网。

9.根据权利要求8所述的部件（45），其中，所述纤维架构是粗网（210）。

10.根据权利要求9所述的部件（45），其中，所述粗网（210）纤维具有10微米至25微米的厚度。

11.根据权利要求8所述的部件（45），其中，所述纤维架构是细须（214）。

12.根据权利要求7所述的部件（45），其中，所述陶瓷基复合材料（22）还包括基体孔隙特性。

13. 一种用于形成混合部件（45）的过程，包括：

将多个层压件（10）堆叠在彼此之上以形成层压件堆叠（58），所述多个层压件（10）包括陶瓷或陶瓷基复合材料（22），其具有成形为大体类似于所述混合部件（45）的纤维骨架（220），以及限定在所述多个层压件（10）中的开口（24）；以及

在将相应的层压件（10）堆叠在彼此之上之前、之时或之后，经由布置金属材料（28、106）来形成延伸穿过所述开口（24）和所述层压件堆叠（58）的金属支撑结构（56）。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述陶瓷或陶瓷基复合材料（22）被渗透在所述纤维骨架（220）中及其周围。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述纤维骨架（220）包括大致平坦（220）的纤维材料。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述纤维骨架（220）包括更厚骨架（224）的纤维材料。