CN110005481A - 使用机械接头的cmc构件和制作 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷基质复合物(CMC)构件，其包括第一子构件和第二子构件。第一子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)形成，并且第二CMC子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)或整体式陶瓷材料中的一者形成。子构件还包括互锁机械接头，其连结第一子构件和第二子构件，以形成复合物材料构件。互锁机械接头包括至少一个凹槽，其限定在第一子构件或第二子构件中的一者中，并且第一子构件或第二子构件中的另一者的一部分设置到该至少一个凹槽中。提供由连结的第一子构件和第二子构件形成的护罩节段。还提供用于使用互锁机械接头连结第一子构件和第二子构件的方法。

Description

使用机械接头的CMC构件和制作
技术领域
本文中公开的主题涉及陶瓷基质复合物(CMC)子构件和此类子构件的连结。更具体而言，本发明涉及CMC构件和利用机械接头由多个子构件形成CMC构件的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机以作为构件的燃烧器为特征。空气进入发动机并且穿过压缩机。压缩空气发送穿过一个或多个燃烧器。在燃烧器内的是一个或多个喷嘴，其用于将燃料引入到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由点火器点燃，以生成在大约1100℃到大约2000℃范围内的热的、加压的燃烧气体，并且离开燃烧器的该高能量气流由第一级涡轮喷嘴重新引导至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或多个涡轮级，它们均具有由轴安装或以其它方式承载的涡轮盘(或转子)，和安装至盘的周边并从该盘的周边沿径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件典型地通过扩展由燃料-空气混合物的燃烧产生的高能量气流来生成旋转轴功率。燃气涡轮动叶或叶片大体上具有翼型形状，其设计成将流动路径气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。在这些阶段，膨胀的热气体将力施加在涡轮叶片上，因此提供附加的旋转能量，例如，以驱动发电发生器。
在用于燃气涡轮发动机的先进气体路径(AGP)传热设计中，CMC的高温性能使其成为制作弓形构件(如涡轮叶片、喷嘴以及护罩)的有吸引力的材料。在涡轮发动机内，护罩为包绕旋转叶片的材料环。
大量技术在过去用于使用陶瓷基质复合物(CMC)来制造涡轮发动机构件，如涡轮叶片、喷嘴或护罩。CMC材料大体上包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。在基质开裂的情况下，增强材料用作CMC的负荷承载组分，而陶瓷基质保护增强材料，维持其纤维的定向，并且在不存在基质开裂的情况下承载负荷。高温应用(如在燃气涡轮发动机中)特别感兴趣的是硅基复合物。提出碳化硅(SiC)基陶瓷基质复合物(CMC)材料，作为用于燃气涡轮发动机的某些构件(如涡轮叶片、导叶、燃烧器衬套以及护罩)的材料。SiC纤维用作用于多种陶瓷基质材料的增强材料，包括SiC、C以及Al2O3。已知用于制作SiC基CMC构件的各种方法，包括Silicomp、熔融渗透(MI)、化学气相渗透(CVI)、聚合物渗透和热解(PIP)。除了非氧化物基CMC(如SiC)之外，还存在氧化物基CMC。尽管这些制作技术彼此显著不同，但是这些制作技术均涉及预制件的制作和致密化，以通过包括热在各个处理阶段的施加的过程来产生零件。
在CMC领域中特别感兴趣的是一个CMC子构件或预制件至另一个CMC或陶瓷子构件的连结，以形成完整的构件结构。例如，一个CMC子构件至另一个CMC子构件的连结可在整个完整结构的形状复杂性可太复杂而不能作为单个零件铺叠时出现。可出现一个CMC子构件至另一个CMC子构件的连结的另一情况是在大的完整结构难以作为单个零件铺叠，并且制造并连结多个子构件或预制件以形成大的完整结构时。复杂复合物构件的制作可需要复杂的工具，并且可涉及在小半径上形成纤维，这两者导致在可制造性方面的挑战。用于粘合CMC子构件的当前程序包括但不限于扩散粘合、反应形成、熔融渗透、硬钎焊、粘合剂等。在由联结的子构件形成的这些CMC构件结构中特别关注的是当在施加的负荷的影响下时在连结程序期间形成的接头的分离或失效。
因此，对于可由CMC的层间性质限制的木工类型接头而言，改进的接头和将一个CMC子构件或预制件连结于另一个陶瓷整体式子构件或CMC子构件以形成完整结构的方法为期望的。所得的接头为结构提供强度和韧性。
发明内容
本公开的各种实施例包括使用机械接头的陶瓷复合物材料构件和制作。根据一个示例性实施例，公开的是一种陶瓷复合物材料构件，其包括第一子构件，第一子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，第二子构件，第二子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)或陶瓷整体式材料中的一者组成，以及至少一个互锁机械接头，互锁机械接头连结第一子构件和第二子构件以形成陶瓷复合物材料构件。至少一个互锁机械接头包括至少一个凹槽，其限定在第一子构件或第二子构件中的一者中，并且第一子构件或第二子构件中的另一者的一部分设置到该至少一个凹槽中。
根据另一示例性实施例，公开的是一种用于燃气涡轮的护罩节段，其包括第一CMC子构件，第一CMC子构件由包括嵌入基质中的多个增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，第二CMC子构件，第二CMC子构件由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，以及互锁机械接头，互锁机械接头连结第一CMC子构件和第二CMC子构件以形成护罩节段。第一CMC子构件的多个增强纤维大致上沿着第一CMC子构件的长度定向。第二CMC构件的多个增强纤维大致上沿着第二CMC子构件的长度定向。互锁机械接头包括至少一个凹槽，其限定在第一CMC子构件或第二CMC子构件中的一者中，并且第一CMC子构件或第二CMC子构件中的另一者的一部分以将第一CMC子构件的增强纤维定向成大致上正交于第二CMC子构件的增强纤维的方式设置到该至少一个凹槽中。
根据又一示例性实施例，公开的是一种形成陶瓷基质复合物(CMC)构件的方法，其包括，提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第一CMC子构件，提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第二CMC子构件，以及使第一CMC子构件和第二CMC子构件以将第一CMC子构件的增强纤维定向成大致上正交于第二CMC子构件的增强纤维的方式在互锁机械接头处机械地连结以形成复合物材料构件。第一CMC子构件的多个增强纤维大致上沿着第一CMC子构件的长度定向。多个第二CMC子构件的增强纤维沿着第二CMC子构件的长度定向。
本公开的其它目的和优点将在参照附图阅读下列详细描述和所附权利要求之后变得显而易见。在审阅连同若干附图进行时的下列详细描述和所附权利要求之后，本申请的这些及其它的特征和改进将对本领域普通技术人员而言变得显而易见。
技术方案1. 一种陶瓷复合物材料构件，包括：
第一子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成；
第二子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)或陶瓷整体式材料中的一者组成；以及
至少一个互锁机械接头，其连结所述第一子构件和所述第二子构件以形成所述陶瓷复合物材料构件，
其中所述至少一个互锁机械接头包括至少一个凹槽，所述至少一个凹槽限定在所述第一子构件或所述第二子构件中的一者中，并且所述第一子构件或所述第二子构件中的另一者的一部分设置到所述至少一个凹槽中。
技术方案2. 根据技术方案1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述复合物材料构件为燃气涡轮发动机构件。
技术方案3. 根据技术方案2所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述复合物材料构件为护罩节段。
技术方案4. 根据技术方案1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述互锁机械接头包括至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销，其沿层间方向增强所述第一子构件和所述第二子构件中的至少一者。
技术方案5. 根据技术方案4所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销沿层间方向延伸，跨越所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中的所述部分的层间宽度。
技术方案6. 根据技术方案4所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销设置在所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件中，以跨越大于所述互锁机械接头的层间宽度的距离。
技术方案7. 根据技术方案4所述的陶瓷复合物材料构件，还包括至少一个附加的陶瓷基质复合物(CMC)销，其以防止层间分层的方式设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者中。
技术方案8. 根据权利要求1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个凹槽还包括在所述凹槽的开口近侧的一个或多个槽口接头。
技术方案9. 根据技术方案8所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述互锁机械接头还包括在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中形成的一个或多个沟槽凹口，并且其中所述一个或多个沟槽凹口与所述一个或多个槽口接头协作，以提供所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件的互锁。
技术方案10. 一种用于燃气涡轮的护罩节段，包括：
第一CMC子构件，其由包括嵌入基质中的多个增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，其中所述多个增强纤维大致上沿着所述第一CMC子构件的长度定向；
第二CMC子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，并且其中所述多个增强纤维大致上沿着所述第二CMC子构件的长度定向；以及
互锁机械接头，其连结所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件以形成所述护罩节段，其中所述互锁机械接头包括至少一个凹槽，所述至少一个凹槽限定在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者中，并且所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者的一部分以将所述第一CMC子构件的所述增强纤维定向成大致上正交于所述第二CMC子构件的所述增强纤维的方式设置到所述至少一个凹槽中。
技术方案11. 根据技术方案10所述的护罩节段，其中，所述机械互锁接头为沟槽接头、销钉沟槽接头、互锁槽口接头、销钉互锁槽口接头、或燕尾榫接头中的一者。
技术方案12. 根据技术方案10所述的护罩节段，其中，所述互锁机械接头还包括以防止所述互锁机械接头的失效的方式的至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销。
技术方案13. 根据技术方案10所述的护罩节段，其中，所述至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销跨越所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的所述一者设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中的所述部分的宽度。
技术方案14. 根据技术方案13所述的护罩节段，还包括至少一个附加的陶瓷基质复合物(CMC)销，其以防止层间分层的方式设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者中。
技术方案15. 根据技术方案1所述的陶瓷基质复合物(CMC)构件，其中，所述至少一个凹槽还包括在所述凹槽的开口近侧的一个或多个槽口接头。
技术方案16. 根据技术方案15所述的陶瓷基质复合物(CMC)构件，其中，所述互锁机械接头还包括在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中形成的一个或多个沟槽凹口，并且其中所述一个或多个沟槽凹口与所述一个或多个槽口接头协作，以提供所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件的互锁。
技术方案17. 一种形成陶瓷基质复合物(CMC)构件的方法，包括：
提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第一CMC子构件，其中所述多个增强纤维大致上沿着所述第一CMC子构件的长度定向；
提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第二CMC子构件，其中所述多个增强纤维沿着所述第二CMC子构件的长度定向；以及
使所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件以将所述第一CMC子构件的所述增强纤维定向成大致上正交于所述第二CMC子构件的所述增强纤维的方式在互锁机械接头处机械地连结以形成所述复合物材料构件。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述陶瓷基质复合物(CMC)构件为燃气涡轮构件。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述互锁机械接头为沟槽接头、销钉沟槽接头、互锁槽口接头、或销钉互锁槽口接头、或燕尾榫接头中的一者。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其中，使所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件在所述互锁机械接头处机械连结还包括，以防止所述互锁机械接头的失效的方式设置至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销。
技术方案21. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述互锁机械接头在CMC制造过程期间在高压釜(AC)状态、燃尽(BO)状态或熔融渗透(MI)状态中的一者下形成。
技术方案22. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述互锁机械接头包括所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件的直接粘合。
附图说明
本公开的这些及其它的特征将从连同附图进行的本公开的各种方面的以下详细描述更容易理解，该附图描绘了本公开的各种实施例，在该附图中：
图1为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的航空燃气涡轮发动机的截面图；
图2为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、在连结之前的示例性第一子构件和第二子构件的示意性透视图；
图3为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图4示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于连结状态的图3的第一子构件和第二子构件；
图5为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图6示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括互锁机械接头的、处于连结状态的图5的第一子构件和第二子构件；
图7为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图8示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括增强的互锁机械接头的、处于连结状态的图7的第一子构件和第二子构件；
图9为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图10示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括互锁机械接头的、处于连结状态的图9的第一子构件和第二子构件；
图11为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、当在施加力的影响下时的、图10的互锁机械接头；
图12为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图13示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括增强的互锁机械接头的、处于连结状态的图12的第一子构件和第二子构件；
图14示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、组装图13的第一子构件和第二子构件以形成增强的互锁机械接头的方法；
图15示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括增强的互锁机械接头和附加的增强层间销的、处于连结状态的图13的第一子构件和第二子构件；
图16为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图17示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括互锁机械接头的、处于连结状态的图16的第一子构件和第二子构件；
图18为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、当在施加力的影响下时的、图17的互锁机械接头；
图19为根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、处于未连结状态的第一子构件和第二子构件的实施例；
图20示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括增强的互锁机械接头的、处于连结状态的图19的第一子构件和第二子构件；
图21示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、组装图20的第一子构件和第二子构件以形成增强的互锁机械接头的方法；
图22示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的、包括增强的互锁机械接头和附加的增强层间销的、处于连结状态的图21的第一子构件和第二子构件；以及
图23为示出根据本文中示出或描述的一个或多个实施例的制造方法中的步骤的流程图。
除非另外指示，否则本文中提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征认为是适用于多种系统，其包括本公开的一个或多个实施例。就此而言，附图不意在包括本文中公开的实施例的实践所需的、本领域普通技术人员已知的所有常规特征。
注意的是，如本文中给出的附图不一定按比例。附图旨在仅描绘公开的实施例的典型方面，并且因此不应当认作是限制本公开的范围。在附图中，相似的标记在附图之间表示相似的元件。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中进行各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。还将理解的是，用语“包括”和/或“包含”在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。
如本文中遍及说明书和权利要求使用的近似语言应用于修饰可在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下可容许地改变的任何数量表达。除非另外指示，否则如本文中使用的近似语言，如“大体上”、“大致”和“大约”，指示如此修饰的用语可仅适用于如将由本领域普通技术人员所认可的近似程度，而非适用于绝对或完美程度。因此，由此类用语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。此处和遍及说明书和权利要求，范围限制被组合和互换。此类范围被识别并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。
此外，除非另外指示，否则用语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并且不旨在对这些用语所指的项目施加次序、位置或层次要求。此外，例如，对“第二”项目的引用不需要或排除例如“第一”或更低编号的项目或“第三”或更高编号的项目的存在。
如本文中所使用，陶瓷基质复合物或“CMC”是指包含由陶瓷纤维增强的陶瓷基质的复合物。对于使用可接收的CMC的一些实例在本文中可包括但不限于具有基质和包含氧化物、碳化物、氮化物、碳氧化物、氮氧化物及它们的混合物的增强纤维的材料。非氧化物材料的实例包括但不限于具有碳化硅基质和碳化硅纤维的CMC(在由硅熔融渗透制成时，该基质将含有残留的游离硅)；碳化硅/硅基质混合物和碳化硅纤维；氮化硅基质和碳化硅纤维；以及碳化硅/氮化硅基质混合物和碳化硅纤维。此外，CMC可具有基质和由氧化物陶瓷组成的增强纤维。具体而言，氧化物-氧化物CMC可由包含氧化物基材料(如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、硅铝酸盐，以及它们的混合物)的基质和增强纤维组成。因此，如本文中所使用，用语“陶瓷基质复合物”包括但不限于碳纤维增强碳(C/C)、碳纤维增强碳化硅(C/SiC)，以及碳化硅纤维增强碳化硅(SiC/SiC)。在一个实施例中，与(非增强的)整体式陶瓷结构相比，陶瓷基质复合物材料具有增加的伸长率、断裂韧性、热冲击以及各向异性性质。
存在可用于制作SiC-SiC CMC的若干方法。在一种途径中，基质通过熔融硅或含硅合金到CMC预制件中的熔融渗透(MI)而部分地形成或致密化。在另一种途径中，基质通过碳化硅到CMC预制件中的化学气相渗透(CVI)而至少部分地形成。在第三种途径中，基质通过热解碳化硅而至少部分地形成，产生预陶瓷聚合物。该方法通常被称为聚合物渗透和热解(PIP)。也可使用以上三种技术的组合。
在MI CMC过程的一个实例中，氮化硼基涂层系统沉积在SiC纤维上。涂覆的纤维接着用基质前体材料浸渍，以形成预浸带。制作带的一种方法为纤维缠绕。纤维拉动穿过基质前体浆料浴，并且浸渍的纤维缠绕在滚筒上。基质前体可含有碳化硅和/或碳颗粒以及有机材料。浸渍的纤维接着沿着滚筒的轴线切割并且从滚筒移除，以产生平的预浸带，其中纤维名义上沿相同的方向延长。所得的材料为单向预浸带。预浸带还可使用连续预浸渍机器或由其它手段制成。带可接着切割成形、铺叠并层压，以产生预制件。预制件被热解或者烧掉，以便使来自基质前体的任何有机材料烧成炭并且产生孔隙。熔融的硅接着渗透到多孔预制件中，其中该熔融的硅可与碳反应，以形成碳化硅。理想地，过量的游离硅填充任何剩余的孔隙，并且获得致密的复合物。以该方式产生的基质典型地含有残留的游离硅。
预浸MI过程通过将多个一维预浸板层堆叠在一起而生成具有二维纤维架构的材料，其中纤维的定向在板层之间变化。板层通常基于连续纤维的定向来识别。建立零度定向，并且其它板层基于它们的纤维相对于零度方向的角度来设计。其中纤维垂直于零方向延长的板层被称为90度板层、交叉板层或横向板层。
MI途径还可与二维或三维编织架构一起使用。该途径的实例将为浆料浇铸过程，其中纤维首先编织成三维预制件或者编织成二维织物。在织物的情况下，织物的层切割成形并且堆积，以产生预制件。使用化学气相渗透CVI技术，以将界面涂层(典型为氮化硼基或碳基)沉积到纤维上。CVI还可用于沉积一层碳化硅基质。基质的剩余部分通过将基质前体浆料浇铸到预制件中并且接着利用熔融硅渗透来形成。
MI途径的备选方案在于使用CVI技术以在一维、二维或三维架构中致密化碳化硅基质。类似地，PIP可用于使复合物的基质致密化。CVI和PIP生成的基质可在没有过量的游离硅的情况下产生。 MI、CVI和PIP的组合还可用于使基质致密化。
本文中描述的接头可用于连结各种CMC材料，如但不限于氧化物-氧化物CMC或SiC-SiC CMC，或者用于将CMC连结于整体式材料。在SiC-SiC CMC的情况下，接头可连结全部基于MI的、全部基于CVI的、全部基于PIP的、或者为它们的组合的子构件。在互锁接头的情况下，可不存在子构件直接粘合在一起，或者子构件可由硅、碳化硅、它们的组合或其它合适的材料粘合。粘合材料可沉积为基质前体材料，其随后通过MI、CVI或PIP致密化。作为备选，粘合材料可通过MI、CVI或PIP产生，而不在接头中使用基质前体。此外，本文中描述的接头可在CMC处理中的任何适当阶段形成。即，子构件可由绿色预浸件、层压预制件、热解预制件、完全致密的预制件或它们的组合组成。
现在参照附图，其中相似的标记始终对应于相似的元件，首先注意图1，图1以图解形式描绘与飞行器一起利用的示例性燃气涡轮发动机10，其出于参照目的具有穿过其的纵向或轴向中心线轴线12。应当理解的是，本文中描述的原理同样适用于涡轮风扇、涡轮喷气发动机和涡轮轴发动机，以及用于其它车辆或用于固定应用中的涡轮发动机。此外，虽然涡轮护罩用作实例，但是本发明的原理适用于任何低延展性流动路径构件，其至少部分地暴露于燃气涡轮发动机的主燃烧气体流动路径并且由陶瓷基质复合物(CMC)材料形成。
发动机10优选地包括大体上由标记14标识的核心燃气涡轮发动机和定位在其上游的风扇区段16。核心发动机14典型地包括大体上管状的外壳18，其限定环形入口20。外壳18还包封增压压缩机22，以用于将进入核心发动机14的空气的压力升高至第一压力水平。高压多级轴流式压缩机24接收来自增压器22的加压空气并且进一步增加空气的压力。加压空气流动至燃烧器26，其中燃料注射到加压空气流中，以升高加压空气的温度和能量水平。高能燃烧产物从燃烧器26流动至第一(高压)涡轮28，以用于通过第一(高压)驱动轴驱动高压压缩机24，并且接着流动至第二(低压)涡轮32，以用于通过与第一驱动轴同轴的第二(低压)驱动轴驱动增压压缩机22和风扇区段16。涡轮28、32包括固定喷嘴和位于喷嘴下游的转子盘，其绕着发动机10的中心线轴线12旋转并且承载翼型形状的涡轮叶片34的阵列。包含多个弓形护罩节段的护罩29、36布置成以便环绕并紧密地包绕涡轮叶片27、34，并且由此限定用于流动穿过涡轮叶片27、34的热气体流的外径向流动路径边界。在驱动涡轮28和32中的各个之后，燃烧产物通过排气喷嘴38离开核心发动机14。
风扇区段16包括可旋转的轴流式风扇转子30和多个风扇转子叶片44，其由环形风扇壳40包绕。将认识到的是，风扇壳40由核心发动机14通过多个大致上径向延伸的、周向间隔的出口导向导叶42支撑。以该方式，风扇壳40包封风扇转子30和多个风扇转子叶片44。
从流动的观点来看，将认识到的是，由箭头50表示的初始空气流通过入口52进入燃气涡轮发动机10。空气流50穿过风扇叶片44，并且分成移动穿过风扇壳40的第一压缩空气流(由箭头54表示)，和进入增压压缩机22的第二压缩空气流(由箭头56表示)。第二压缩空气流56的压力增加并且进入高压压缩机24，如由箭头58表示。在与燃料混合并且在燃烧器26中燃烧之后，燃烧产物46离开燃烧器26并且流动穿过第一涡轮28。燃烧产物46接着流动穿过第二涡轮32并且离开排气喷嘴38，来为燃气涡轮发动机10提供推力。
由于复杂的几何形状，许多发动机构件可制作成若干件，并且随后连结在一起。这些构件还可在发动机10的操作期间直接经受热燃烧气体，并且因此具有非常苛刻的材料要求。因此，由陶瓷基质复合物(CMC)制作的发动机10的弓形构件(如涡轮叶片27、34、喷嘴、燃烧器衬套以及护罩(如护罩29、36))可制作成多于一件，并且随后连结在一起。如先前所述，陶瓷基质复合物(CMC)对于涡轮应用而言为有吸引力的材料，因为CMC具有高温性能并且重量轻。
在连结多个CMC件或子构件(如多个护罩节段)以形成完整的构件结构(如护罩)时，合乎需要的是，形成为容许损伤的并且表现出费力的、适度失效的接头。如果连结多个CMC子构件的机械接头失效，则可导致构件结构的灾难性失效。
对这些接头特别令人关注的是，粘合线本质上趋于易碎，这可导致接头的脆性失效。在CMC领域中建立的是，该限制可经由通过控制粘合的表面面积并通过使用简单的木工类型接头(如对接接头、搭接接头、榫槽接头、榫卯接头，以及更精细的锯齿或阶梯渐缩接头)来在粘合中保持低应力而解决。作为备选，含有坚韧CMC子构件的机械互锁的接头也展示适度的失效。展示了常规木工接头，如燕尾榫接头。以上接头可用于将CMC子构件连结成二维或三维，如平板和“T”形。虽然许多木工类型接头可在两个CMC子构件之间产生机械互锁，但是对于互锁而言为了利用CMC的完全韧性，互锁特征必须定向成使得增强纤维将需要断开，以便使互锁失效。如果互锁特征定向成使得接头可通过沿层间方向使CMC子构件中的一者失效来释放，则互锁的韧性可由CMC的层间性质限制。大体上，CMC的层间强度和韧性显著低于面内性质。
现在参照图2，示出构件60(如图1的护罩36的部分)的截面视图，构件60由第一子构件62和第二子构件64组成，它们以未连结状态示出，并且在连结之前形成完整的构件结构。在实施例中，第一子构件62和第二子构件64在连结时形成高温机械系统构件的至少一部分。在实施例中，第一子构件62和第二子构件64为护罩节段。在备选的实施例中，第一子构件62和第二子构件64在连结时可形成燃气涡轮发动机的翼型件、叶片、燃烧室衬套或类似构件的至少一部分。
在该特定实施例中，第一子构件62和第二子构件由已知类型的陶瓷基质复合物(CMC)材料构成。在备选的实施例中，第一子构件或第二子构件中的一者由已知类型的陶瓷基质复合物(CMC)材料形成，而第一子构件或第二子构件中的另一者由整体式陶瓷材料形成。因此，构件结构可包括一个CMC子构件和一个整体式陶瓷子构件，或者两个子构件可为陶瓷基质复合物(CMC)材料。
如SiC的整体式陶瓷典型为脆性材料。此类材料的应力应变曲线大体上为直线，其在样品断裂时终止。失效应力通常由缺陷的存在来决定，并且失效经由从临界缺陷的快速开裂生长而发生。突然的失效有时被称为脆性或灾难性失效。虽然陶瓷的强度和失效应变为缺陷依赖的，但是对于失效应变而言大约~0.1％并不罕见。
大体上，CMC材料包括高强度陶瓷型纤维，如由COI Ceramics公司制造的Hi-NicalonTM Type S。纤维嵌入陶瓷型基质中，如SiC或含有残留游离硅的SiC。在SiC-SiC复合物的实例中，其中SiC纤维增强SiC基质，如氮化硼的界面涂层典型地施加于纤维。该涂层允许纤维从基质中脱粘，并且在基质开裂附近滑动。SiC-SiC复合物的快速断裂的应力-应变曲线大体上具有初始线性弹性部分，其中应力和应变彼此成比例。随着负荷增加，最终基质将开裂。在制作精良的复合物中，开裂将由增强纤维桥接。随着复合物上的负荷进一步增加，附加的基质开裂将形成，并且这些开裂也将由纤维桥接。随着基质开裂，其卸掉负荷至纤维，并且应力应变曲线变为非线性。非线性应力-应变行为的开始通常被称为比例极限或基质开裂应力。桥接纤维赋予复合物韧性，因为它们从基质中脱粘并且在基质开裂附近滑动。在穿过开裂的地点处，纤维承载施加于复合物的所有负荷。最终，负荷足够大，纤维失效，这导致复合物失效。在基质开裂之后承载负荷的CMC的能力通常被称为适度的失效。由CMC表现出的损伤容限使其比灾难性失效的整体式陶瓷更合乎需要。
CMC材料至少在一定程度上为正交各向异性的，即，材料沿平行于纤维的长度的方向(纤维方向或0度方向)的拉伸强度强于沿垂直方向(90度、交叉板层或层间方向，以及沿层间或贯穿厚度方向)的拉伸强度。如模量和泊松比的物理性质关于纤维定向也不同。大多数复合物具有沿多个方向定向的纤维。例如，在预浸MI SiC-SiSiC CMC中，架构由单向纤维的层或板层组成。常见的架构由0度和90度纤维的交替层组成，该纤维沿纤维的平面中的所有方向赋予韧性。然而，该板层级架构不具有沿贯穿厚度或层间方向延长的纤维。因此，该复合物的强度和韧性在层间方向上低于在面内方向上的强度和韧性。
CMC在基质开裂由纤维桥接时表现出坚韧的行为和适度的失效。本文中最关注的是响应于施加的负荷，在两个CMC材料构件连结在一起时形成的接头的失效。如果接头沿如下方向加载，使得其可失效并且在没有断开纤维的情况下分离，则存在该接头的脆性、灾难性失效的可能性。作为备选，如果接头沿如下方向加载，使得基质在接头中开裂之后，纤维桥接开裂，则存在接头的可能的韧性、容许损伤的、适度的失效。
现在参照图3-22，示出的是多个机械接头，它们可用于两个或更多个子构件的连结，以形成具有不同强度结果的更大构件结构。如所示，各个图描绘为具有简化的框几何形状，并且示出为标注构件内的纤维的线性方向，作为线性填充线。然而，独立板层中的纤维可沿由填充线限定的平面内的任何方向定向，如突出进出页面。在本文中公开的实施例中的各个中，描述的机械接头可用于连结第一CMC子构件(如第一子构件62)和第二CMC子构件(如图2的第二子构件64)，以形成更大的或完整的构件结构，如图1的护罩36。在备选的实施例中，第一子构件62或第二子构件64可包括为整体式陶瓷子构件。在本文中公开的实施例中的各个中，第一子构件和第二子构件为护罩节段。
更具体地参照图3和图4，示出的是根据本文中公开的实施例的第一子构件80和第二子构件82。在示出的实施例中，第一子构件80由陶瓷基质复合物(CMC)形成，该陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维。第二子构件82也由陶瓷基质复合物(CMC)形成，该陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维。在备选的实施例中，第一子构件80或第二子构件82形成为陶瓷整体式子构件。第一CMC子构件80和第二CMC子构件82在图3中以未连结状态示出，并且在图4中以连结状态示出。如图4中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82示出为在接头84处彼此连结。在该特定实施例中，接头84构造为典型的木工对接接头85。更具体而言，构造第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，其中第一CMC子构件80的表面86和第二CMC子构件82的表面88定位成以大致直角“θ”邻接。结果，形成第一CMC子构件80的多个纤维90和形成第二CMC子构件82的多个纤维92也相对于彼此以大致直角定向。在该特定实施例中，子构件80和82不由纤维连接，因为纤维90或92都不桥接接头。因此，沿着接头平面传播的开裂将不由纤维90或纤维92桥接。在备选的实施例中，纤维在第一子构件80的平面内沿一个或多个方向定向。例如，纤维的第一半部分沿着长度定向，且纤维的第二半部分沿着宽度定向。在另一实施例中，纤维以关于长度的角度定向，但是在子构件的平面中。
现在参照图5和图6，示出的是用于连结多个子构件的另一机械接头。应该理解的是，相似的元件遍及本文中公开的图3-22的实施例设有相似的标记。图5示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如先前所述，在备选的实施例中，第一子构件80或第二子构件82可形成为整体式陶瓷构件。图6示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如图6中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82在接头84处彼此连结。在该特定实施例中，接头84构造为典型的木工沟槽(dado)接头100。沟槽接头100典型地通过横跨第二CMC子构件82的宽度来切割凹槽102而形成(凹槽102在图5和图6中延伸进出页面)。在凹槽102或沟槽横跨第二CMC子构件92的整个宽度延长时，其通常被称为贯通沟槽。在凹槽102或沟槽仅横跨第二CMC子构件92的部分宽度延长时，其通常被称为止动沟槽。在止动沟槽中，凹槽102典型地按等于第二CMC子构件92的厚度的量从边缘终止。在图5和图6的实施例中，凹槽102可构造为贯通沟槽或止动沟槽。在示出的实施例中，构造第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，其中第一CMC子构件80的部分87定位在第二CMC子构件82中限定的凹槽102内，形成沟槽接头100。如所示，在该特定实施例中，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82以大致直角“θ”定位。结果，形成第一CMC子构件80的多个纤维90和形成第二CMC子构件82的多个纤维92也相对于彼此以大致直角定向。在该特定实施例中，子构件80和82不由纤维连接，因为纤维90或92都不桥接接头。虽然该接头可在正交于子构件80加载时为强的，但是如果子构件80和82由脆性材料(如硅或碳化硅)在接头100处粘合，则接头100可能以脆性方式在粘合中失效。
现在参照图7和图8，示出的是用于连结多个子构件的另一机械接头。图7示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如先前所述，在备选的实施例中，第一子构件80或第二子构件82可形成为整体式陶瓷构件。图8示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如图8中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82在接头84处彼此连结。类似于图5和图6的先前实施例，在该特定实施例中，接头84构造为切割到第二CMC子构件92中的典型木工沟槽接头110(凹槽102在图7和图8中延伸进出页面)。在备选的实施例中，凹槽102可构造为止动沟槽接头。与图5和图6的实施例形成对比，在该特定实施例中，沟槽接头110利用CMC销112增强，以在第一子构件80与第二子构件之间提供增韧或更强的接头。增韧的接头将更能够耐受运用在第一子构件80和第二子构件90上的施加力，如本文中描述的那样。为了提供此类CMC销112，第一CMC子构件80具有形成在其中的接收开口114，接收开口114横跨第一CMC子构件80的层间宽度“W1”延伸。类似地，第二CMC子构件82具有形成在其中的协作接收开口116，协作接收开口116横跨凹槽102的宽度“W2”延伸并且延伸到第二CMC子构件82中。为了CMC销112在接收开口114、116中的定位，第一CMC子构件80定位在第二CMC子构件82的凹槽102内，并且CMC销112从第二CMC子构件82的一侧以滑动配合插入到接收开口114、116中，直到CMC销112的前端部部分118在CMC销112到达第二CMC子构件82内的最佳位置时相对于接收开口116的邻接部120撞击。
在图7和图8的示出的实施例中，构造第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，其中第一CMC子构件80的部分87定位在第二CMC子构件82中限定的凹槽102内，形成沟槽接头110。如所示，类似于先前实施例，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82以大致直角“θ”定位。因此，形成第一CMC子构件80的多个纤维90和形成第二CMC子构件82的多个纤维92也相对于彼此以大致直角定向。此外，包括CMC销112的多个纤维117沿与第二子构件92大体相同的定向来定向。在该特定实施例中，在存在施加的负荷的情况下，如由方向箭头122指示，CMC销112中的纤维117将需要断开，以便引起接头110的失效并且因此引起第一子构件80和第二子构件82的分离。接头84利用CMC销112的增强在两个CMC材料子构件之间提供接头，该CMC材料子构件在施加的负荷122的方向上非常耐用。接收开口116的形成需要第二CMC子构件82中的纤维92的部分的移除/移位。这可导致在该方向上的性质借记(debit)。
现在参照图9-11，示出的是用于连结多个子构件的另一机械接头。图9示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如先前所述，在备选的实施例中，第一子构件80或第二子构件82可形成为整体式陶瓷构件。图10示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。图11示出响应于施加的力的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如图10中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82在接头84处彼此连结。在该特定实施例中，接头84构造为木工互锁槽口接头，或组合槽口和沟槽接头130。更具体而言，互锁槽口接头130包括横跨第二CMC子构件82的宽度切割的凹槽102(凹槽102在图9-11中延伸进出页面)。与图5-8的实施例形成对比，在该特定实施例中，互锁槽口接头130(以及更具体地凹槽102)还包括形成在凹槽102的任一侧上的多个小槽口接头132，其在凹槽102的开口103近侧。协作沟槽凹口134形成在第一CMC子构件80中。在组装期间，第一CMC子构件82通过沿进/出页面的方向滑动第一CMC子构件80来滑动地定位成与第二CMC子构件82协作接合。
在图9-11的示出的实施例中，构造第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，其中第一CMC子构件80的部分87定位在第二CMC子构件82中限定的凹槽102内，以便提供第二CMC子构件82的相应槽口接头132与形成在第一CMC子构件80中的相应凹口134的协作接合。这些互锁特征在组装时形成互锁槽口接头130。如所示，类似于先前实施例，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82以大致直角θ定位。在另一实施例中，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82以不为直角的角度定位。因此，形成第一CMC子构件80的多个纤维90和形成第二CMC子构件82的多个纤维92也相对于彼此以大致直角定向。
更具体地参照图11，在该特定实施例中，在存在施加的负荷的情况下，如由方向箭头122指示的那样，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82中的纤维90、92分别不需要断开，以用于使接头130失效并且使第一CMC子构件80从第二CMC子构件82释放。为了发生互锁槽口接头130的失效，仅第一CMC子构件80需要沿层间方向剪切。沿该方向的剪切以及接头130的失效导致第一CMC子构件80的CMC纤维90的部分136保持在嵌接的凹槽102内。
为了给嵌接的凹槽接头(如图9-11的接头130)提供强度或韧性，可添加CMC销，如图12中最佳地示出。因此，现在参照图12-14，示出的是用于连结多个CMC构件的另一机械接头。图12示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。图13示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。图14示出在连结过程期间的第一CMC子构件80和第二CMC子构件。如图13中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82被构造并且在接头84处彼此连结，并且更具体地在互锁槽口接头130处彼此连结，大体上类似于图9-11的实施例。在该特定实施例中，互锁槽口接头13(以及更具体地第一CMC子构件80)通过横跨第一CMC子构件80的宽度“W1”定位的CMC销138的包括来进一步增强或增韧。与图8的CMC销118形成对比，CMC销138仅横跨第一CMC子构件80的宽度W1延伸，以便响应于施加的负荷122增强易受层间剪切影响的第一CMC子构件80的部分，如图9-11中描述的那样。在实施例中，第一CMC子构件80包括接收开口(未示出)，大体上类似于图7的接收开口114。在该特定实施例中，CMC销138在与第二CMC子构件82组装之前插入到第一CMC子构件80中。
参照图13，在该特定实施例中，在存在施加的负荷的情况下，如由方向箭头122指示，为了使接头130失效，包括CMC销138的多个纤维140将需要断开，以将第一CMC子构件80从第二CMC子构件82释放。作为备选，如果互锁特征中(以及更具体地第二CMC子构件90的槽口接头132中)的CMC纤维92断开，以便将第一CMC子构件80从第二CMC子构件82释放，则接头130将失效。
如先前关于图9-10所指示，在组装期间，第一CMC子构件82可通过沿进/出页面的方向滑动第一CMC子构件80来滑动地定位成与第二CMC子构件82协作接合。在涡轮护罩实施例中，注意的是，第一CMC子构件80可为进出页面的笔直挤出，或者其可弯曲成进出页面。作为备选，如图14中所示，在实施例中，第二CMC子构件82可构造为两个件，由此第一CMC子构件82如由虚线箭头指示地滑动地接合到第二CMC子构件82的第一件142中，以便使一个或多个小槽口接头132中的各个与形成在第一CMC子构件82中的协作的沟槽凹口134接合。此后，第二CMC子构件92的第二件144滑动地移动，以提供第二件144的一个或多个槽口接头132中的各个与第一CMC子构件80的协作沟槽凹口134中的另一者的接合。
在又一实施例中，如图15中最佳地示出，附加的CMC销146可包括在整个结构中，延伸穿过第二CMC子构件82的厚度“T1”。在实施例中，附加的CMC销146可仅部分地延伸穿过第二CMC子构件82的厚度“T1”。附加的CMC销146的包括防止第二CMC子构件82在经受如先前描述的负荷122时的层间失效。
现在参照图16-22，示出的是用于连结多个子构件的另一机械接头。图16示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如先前所述，在备选的实施例中，第一子构件80或第二子构件82可形成为整体式陶瓷构件。图17示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如图17中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82在接头84处彼此连结。在该特定实施例中，接头84构造为木工互锁燕尾榫接头150。更具体而言，互锁燕尾榫接头150包括限定在第一CMC子构件80中的、限定尾部154的多个倾斜侧部152，和限定在第二CMC子构件82中的凹槽156(尾部154和凹槽156在图16-22中延伸进出页面)。在组装期间，第一CMC子构件80通过将第一CMC子构件80(以及更具体地尾部154)沿进/出页面的方向滑动到凹槽156中而滑动地定位成与第二CMC子构件82协作接合。
在图16-22的示出的实施例中，构造第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，其中第一CMC子构件80的尾部154定位在第二CMC子构件82中限定的凹槽156内，以便提供第一CMC子构件80与第二CMC子构件82的协作接合。这些互锁特征在组装时形成互锁燕尾榫接头150。如所示，类似于先前的实施例，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，以及更具体地，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82中的各个的多个纤维90，相对于彼此以大致直角θ定位。在另一实施例中，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82，以及因此，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82中的各个的多个纤维90，以不为直角的角度定位。
更具体地参照图18，在该特定实施例中，在存在施加的负荷的情况下，如由方向箭头122指示，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82中的纤维90、92分别不需要断开，以用于使接头150失效并且使第一CMC子构件80从第二CMC子构件82释放。为了发生燕尾榫接头150的失效，仅第一CMC子构件80需要沿层间方向剪切。沿该方向的剪切以及接头150的失效导致第一CMC子构件80的CMC纤维90的部分158保持在凹槽156内。
为了给图15-22的燕尾榫接头150提供强度，可添加CMC销，如图19-22中最佳地示出。因此，示出的是用于连结多个CMC构件的另一机械接头。图19和图21示出处于未连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。图20和图22示出处于连结状态的第一CMC子构件80和第二CMC子构件82。如图20和图22中最佳地示出，第一CMC子构件80和第二CMC子构件82被构造并且在接头84处彼此连结，并且更具体地在互锁燕尾榫接头150处彼此连结，大体上类似于图16-18的实施例。在该特定实施例中，互锁燕尾榫接头150(以及更具体地第一CMC子构件80)通过横跨第一CMC子构件80的尾部154的层间宽度“W1”定位的CMC销138的包括来进一步增强或增韧。与图8的CMC销118形成对比，CMC销138仅横跨第一CMC子构件80的层间宽度W1延伸，以便响应于施加的负荷122增强易受层间剪切影响的第一CMC子构件80的部分，如图18中所述。在实施例中，第一CMC子构件80包括接收开口(未示出)，大体上类似于图7的接收开口114。在该特定实施例中，CMC销138在与第二CMC子构件82组装之前插入到第一CMC子构件80中。
参照图20，在存在施加的负荷的情况下，如由方向箭头122指示，为了使接头150失效，包括CMC销138的多个纤维140将需要断开，以将第一CMC子构件80从第二CMC子构件82释放。
如先前关于图16和图17指示，在组装期间，第一CMC子构件82可通过沿进/出页面的方向滑动第一CMC子构件80来滑动地定位成与第二CMC子构件82协作接合。在涡轮护罩实施例中，注意的是，第一CMC子构件80可为进出页面的笔直挤出，或者其可弯曲成进出页面。
作为备选，如图21和图22中示出，在实施例中，第二CMC子构件82可构造为多个件，由此第一CMC子构件82接合在第二CMC子构件82的第一件160内。此后，第二CMC子构件92的第二件162和第三件164滑动地移动，以限定第二CMC子构件82中的凹槽156，并且提供第一CMC子构件80的尾部154的接合，如图22中最佳地示出。
图23为根据本文中公开的实施例的形成陶瓷基质复合物(CMC)构件的方法200的流程图。如图23中示出，方法200包括在步骤202提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第一CMC子构件。如先前所述，多个增强纤维大致上沿着第一CMC子构件的长度定向。
接下来，方法200包括在步骤204提供由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成的第二CMC子构件。如先前所述，多个增强纤维沿着第二CMC子构件的长度定向。
接下来，在步骤206，第一CMC子构件和第二CMC子构件在互锁机械接头处机械地连结，以形成复合物材料构件。互锁机械接头为沟槽接头、销钉沟槽接头、互锁槽口接头，或销钉互锁槽口接头，或燕尾榫接头中的一者。在互锁机械接头处机械连结第一CMC子构件和第二CMC子构件的步骤还包括以防止互锁机械接头的失效的方式设置至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销。第一CMC子构件和第二CMC子构件以将第一CMC子构件的增强纤维定向成大致上正交于第二CMC子构件的增强纤维的方式连结。互锁机械接头在CMC制造过程期间形成为在高压釜(AC)状态、燃尽(BO)状态或熔融渗透(MI)状态中的一者下。在实施例中，陶瓷基质复合物(CMC)构件为燃气涡轮构件。
因此，描述的是用以连结多个子构件的机械接头的使用，并且更具体而言，使用机械互锁接头，包括一个或多个可选的增强CMC销，其中包括子构件或增强CMC销的陶瓷纤维将需要断开，以便使接头沿预期的加载方向分离。虽然一些现有的互锁接头以该方式起作用，但是其它的互锁接头不以该方式起作用，并且可通过沿层间方向剪切互锁特征而失效。如本文中描述的互锁机械接头提供构成接头的子构件的增强，而不增强接头本身。该途径可极大地简化制造过程，并且防止可沿正交于增强的方向发生的性质借记。应当理解的是，设想了用于连结第一子构件和第二子构件的附加类型的机械接头，包括但不限于交叉搭接接头、燕尾榫接头、榫钉接头、斜接接头、榫卯接头、花键接头、榫槽接头等。如本文中描述的子构件的互锁机械连结可在层压之前的铺叠状态下、在CMC制造过程的高压釜(AC)、燃尽(BO)或熔融渗透(MI)状态或它们的组合下进行。对于在MI状态下制成的接头而言，接头可留下“脱胶”。这些接头也可更容易修复。在实施例中，简单的形状(如平的面板)可为绿色加工的(在高压釜状态下)并且使用如本文中描述的木工类型互锁机械接头来组装。在实施例中，CMC基质前体浆料(或其变体)可用于将CMC子构件“胶合”在一起。最终的致密化和粘合发生在MI状态下。
虽然本发明依据一个或多个特定实施例来描述，但是显而易见的是，本领域技术人员可采用其它形式。理解的是，在本文中示出和描述的方法中，其它过程可在未示出时执行，并且过程的顺序可根据各种实施例来重新布置。此外，中间过程可在一个或多个描述的过程之间执行。本文中示出和描述的过程流程不被解释为对各种实施例的限制。
该书面的描述使用实例以公开本公开(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本公开(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本公开的可专利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实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种陶瓷复合物材料构件，包括：
第一子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成；
第二子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)或陶瓷整体式材料中的一者组成；以及
至少一个互锁机械接头，其连结所述第一子构件和所述第二子构件以形成所述陶瓷复合物材料构件，
其中所述至少一个互锁机械接头包括至少一个凹槽，所述至少一个凹槽限定在所述第一子构件或所述第二子构件中的一者中，并且所述第一子构件或所述第二子构件中的另一者的一部分设置到所述至少一个凹槽中。
2.根据权利要求1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述复合物材料构件为燃气涡轮发动机构件。
3.根据权利要求2所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述复合物材料构件为护罩节段。
4.根据权利要求1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述互锁机械接头包括至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销，其沿层间方向增强所述第一子构件和所述第二子构件中的至少一者。
5.根据权利要求4所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销沿层间方向延伸，跨越所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中的所述部分的层间宽度。
6.根据权利要求4所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个陶瓷基质复合物(CMC)销设置在所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件中，以跨越大于所述互锁机械接头的层间宽度的距离。
7.根据权利要求4所述的陶瓷复合物材料构件，还包括至少一个附加的陶瓷基质复合物(CMC)销，其以防止层间分层的方式设置在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者中。
8.根据权利要求1所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述至少一个凹槽还包括在所述凹槽的开口近侧的一个或多个槽口接头。
9.根据权利要求8所述的陶瓷复合物材料构件，其中，所述互锁机械接头还包括在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者中形成的一个或多个沟槽凹口，并且其中所述一个或多个沟槽凹口与所述一个或多个槽口接头协作，以提供所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件的互锁。
10.一种用于燃气涡轮的护罩节段，包括：
第一CMC子构件，其由包括嵌入基质中的多个增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，其中所述多个增强纤维大致上沿着所述第一CMC子构件的长度定向；
第二CMC子构件，其由包括嵌入基质中的增强纤维的陶瓷基质复合物(CMC)组成，并且其中所述多个增强纤维大致上沿着所述第二CMC子构件的长度定向；以及
互锁机械接头，其连结所述第一CMC子构件和所述第二CMC子构件以形成所述护罩节段，其中所述互锁机械接头包括至少一个凹槽，所述至少一个凹槽限定在所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的一者中，并且所述第一CMC子构件或所述第二CMC子构件中的另一者的一部分以将所述第一CMC子构件的所述增强纤维定向成大致上正交于所述第二CMC子构件的所述增强纤维的方式设置到所述至少一个凹槽中。
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