CN111102014A - 一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法，包括CMCs涡轮盘和位于CMCs涡轮盘外围的一圈CMCs涡轮叶片，CMCs涡轮盘由涡轮盘径向纱线和涡轮盘周向纱线编织而成，CMCs涡轮叶片由平纹纤维布经纱和平纹纤维布纬纱编织而成，部分涡轮盘径向纱线伸出至CMCs涡轮盘边缘以外，这部分伸出的涡轮盘径向纱线作为平纹纤维布经纱参与平纹纤维布叶片编织体的编织，从而使得CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片共用部分纱线，CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片组成了陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘。本发明针对叶片和涡轮盘各自的结构特点，采用了两种不同的编织方式，同时采用一体化编织，使从叶片到涡轮盘的纤维连续，保证了其优异的力学性能。

Description

一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空发动机结构设计领域，具体为一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法。

背景技术

陶瓷基复合材料（CMCs）作为一种极具潜力的新型材料，具有耐高温、高比强度、耐腐蚀、可设计性强等优点，被看作是提升新一代航空发动机性能的关键材料。涡轮叶片是航空发动机热端部件中数量最多、受载荷最复杂的一类部件，首当其冲受到燃烧室所产生的高温热流冲击。有资料显示，与合金相比，陶瓷基复合材料在无空气冷却和热障涂层的情况下，可以降低15%-25%的冷却气流量，提高工作温度150℃-350℃，同时可大幅减重。以上可以看出陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件，特别是涡轮叶片制造中的巨大作用。

同时，整体叶盘作为一种特殊的发动机结构，具有结构简单，重量轻，连接结构少等优点，在国外先进发动机中多有应用。欧洲的EJ200发动机采用电子束整体焊接的方式，将单个叶片焊接到轮盘外缘，制成了第3级风扇和第1级高压压气机叶盘。美国GE公司生产的F414发动机在风扇的后2级和高压压气机的前3级中，都采用了整体叶盘，使转子重量减轻了23.43kg，同时使发动机零件数减少了484件。

根据已公开的发明专利：一种陶瓷基涡轮转子叶片预制体的设计方法（申请公布号：CN108897931A），其描述了一种新型陶瓷基复合材料转子叶片预制体的设计方法，通过对转子叶片进行铺层设计，保证纤维布的连续性以增强叶片的力学性能。此方法只考虑了转子叶片的设计方法，需要与金属轮盘以榫头榫槽配合的形式连接。

根据已公开的发明专利：基于SiC纤维陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘制备方法（申请公布号：CN109650924A），其描述了一种陶瓷基涡轮整体叶盘的设计制备方法，通过平面极坐标织造的形式编织涡轮整体叶盘圆柱状预成品，再通过机械加工的形式，在该预成品外缘加工出叶片。此方法虽然制备出了整体叶盘，但是机械加工量巨大，打断了大量纤维，损害了叶片的力学性能。同时由于陶瓷基材料机械加工困难的特点，需要使用金刚石等特种刀具，对刀具磨损也很严重，成本过高。

综合来看，整体叶盘在涡轮部件中的应用较少，利用陶瓷基复合材料制造涡轮整体叶盘的方法也少有报道。

以上说明，陶瓷基复合材料在涡轮整体叶盘的结构设计中大有可为，应用陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘可显著提高航空发动机整体性能。目前，国内正缺少一种在保证陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘优异力学性能的同时，能有效降低其制造成本的整体叶盘结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种一体化设计而成、不能被分割成若干部件的陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法。相较于已有的陶瓷基涡轮结构，本专利中的涡轮叶片和涡轮盘采用了两种不同的编织方式，可以进行整体编织制造，保证了叶片和轮盘纤维的连续性，同时减少了机械加工量，有效降低了成本。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其中：包括CMCs涡轮盘和位于CMCs涡轮盘外围的一圈CMCs涡轮叶片，CMCs涡轮盘由若干层涡轮盘预制体在厚度方向上叠设而成，涡轮盘预制体由涡轮盘径向纱线和涡轮盘周向纱线编织而成，涡轮盘径向纱线由涡轮盘预制体轮盘中心原点，向涡轮盘预制体四周直线延伸，涡轮盘周向纱线由涡轮盘预制体轮盘中心原点向四周螺旋发散，直至涡轮盘预制体边缘，CMCs涡轮叶片由平纹纤维布叶片编织体层叠而成；平纹纤维布叶片编织体由平纹纤维布经纱和平纹纤维布纬纱编织而成，平纹纤维布经纱具有数根，方向平行单一，平纹纤维布纬纱上下方交替穿插平纹纤维布经纱且平纹纤维布纬纱垂直于平纹纤维布经纱，部分涡轮盘径向纱线伸出至CMCs涡轮盘边缘以外，这部分伸出的涡轮盘径向纱线作为平纹纤维布经纱参与平纹纤维布叶片编织体的编织，从而使得CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片共用部分纱线，CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片组成了陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的相邻两根平纹纤维布纬纱在同一平纹纤维布经纱处上下交替。

上述的CMCs涡轮叶片叶根处设置有纤维布补片，纤维布补片间隔的插在平纹纤维布经纱之间，使CMCs涡轮叶片叶根形成叶片榫头，CMCs涡轮盘边缘加工出榫槽，叶片榫头能插入榫槽中，榫槽与叶片榫头通过缝合纱线缝制为一体。

上述的陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘外表面喷涂有热障涂层。

上述的涡轮盘周向纱线根据阿基米德螺线方程由涡轮盘预制体轮盘中心原点向四周螺旋发散，所述阿基米德螺线极坐标方程如下：

其中：

为纱线在轮盘所处半径坐标；

为纱线在轮盘所处角度坐标；

和

分别为控制螺线形状的常数。

一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、编织CMCs涡轮盘：将涡轮盘径向纱线由涡轮盘预制体轮盘中心原点，向涡轮盘预制体四周成中心辐射状延伸，当涡轮盘径向纱线延伸至涡轮盘预制体轮盘边缘时，在涡轮盘预制体轮盘与CMCs涡轮叶片连接处预留较长的涡轮盘径向纱线，使其能作为平纹纤维布经纱参与平纹纤维布叶片编织体的编织，其余不参与叶片编织的涡轮盘径向纱线沿轮盘边缘剪断，涡轮盘周向纱线由涡轮盘预制体轮盘中心原点向四周螺旋发散，直至涡轮盘预制体边缘；将涡轮盘径向纱线和涡轮盘周向纱线进行穿插编织，即将由轮盘中心原点出发的涡轮盘径向纱线依次从上方和下方穿过涡轮盘周向纱线，形成涡轮盘预制体，若干个涡轮盘预制体沿涡轮盘厚度方向进行堆叠，形成编织CMCs涡轮盘，该编织CMCs涡轮盘四周伸出有沿轮盘厚度方向排列的若干排涡轮盘径向纱线；

步骤二、编织CMCs涡轮叶片：首先铺设数根单一方向的平纹纤维布经纱，再在平纹纤维布经纱上下方交替穿插铺设平纹纤维布纬纱，且平纹纤维布纬纱垂直于平纹纤维布经纱，相邻两根平行纱线在穿插时分别位于被穿插纱线的上方和下方，形成平纹编织布，根据叶片的几何气动外形对平纹编织纤维布进行修剪，得到平纹纤维布叶片编织体，将平纹纤维布叶片编织体按照平行于叶片几何中面的方向粘贴层叠，制成CMCs涡轮叶片，其中靠叶片中心的一层或多层平纹纤维布叶片编织体是以轮盘延伸出的涡轮盘径向纱线作为平纹纤维布经纱，整体编织后修剪而成；

步骤三、将纤维布补片间隔的插在CMCs涡轮叶片叶根处的平纹纤维布经纱之间，形成叶片榫头，在CMCs涡轮盘边缘加工出榫槽，将叶片榫头与榫槽相互贴合，以专用缝合用针牵引缝合纱线，在垂直纤维布方向对叶片榫头与榫槽进行穿刺，在针进行穿刺时，会依次刺破各层纤维布，将上层纤维组织带入下层之中，同时将缝合纱线穿过各层纤维布，在回针之后，纱线和各层纤维组织被滞留在原处，通过重复以上过程，用缝合纱线将编织CMCs涡轮盘边缘的各层纤维布与CMCs涡轮叶片各层纤维布相互连接，从而将CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片固定为一体；

步骤四、在CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片表面喷涂热障涂层，涂热障涂层至少为两层，位于表面的一层为陶瓷面层，通过形成沿厚度方向的温度梯度，减少高温气体向叶片内部的热量传递；位于内部的一层为为粘结层，可以将CMCs涡轮盘或CMCs涡轮叶片与表面陶瓷面层相粘结，喷涂热障涂层后，制得陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构。

步骤四中，利用悬浮等离子喷涂技术在在CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片表面喷涂热障涂层，热障涂层由内到外分为粘结层、封阻层和陶瓷面层，其中粘结层为MCrAlY合金，厚度为120μm，陶瓷面层厚度为300μm，封阻层用于降低高温燃气对粘结层的腐蚀和氧化速率。

CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片使用的陶瓷基复合材料为SiCf/SiC复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的一种新型CMCs整体涡轮叶盘，该整体叶盘的叶片和涡轮盘针对各自的结构特点，采用了两种不同的编织方式，同时采用一体化编织，即部分涡轮盘径向纱线伸出至CMCs涡轮盘边缘以外，这部分伸出的涡轮盘径向纱线作为平纹纤维布经纱参与平纹纤维布叶片编织体的编织，从而使从叶片到涡轮盘的纤维连续，保证了其优异的力学性能。

（2）本发明提供的一种新型CMCs整体涡轮叶盘，涡轮盘与涡轮叶片编织为一个整体，避免了先制备涡轮盘，再机械加工出涡轮叶片，从而造成的纤维断裂。该方法减少了机械加工量，保证了纤维连续性，从而在保证整体叶盘力学性能的同时，降低了制造成本。

（3）本发明提供了一种新型的叶片轮盘连接形式，通过涡轮盘、叶片一体编织和纤维缝合相结合的方式，进行涡轮盘和叶片的连接。该连接方式相较于分离式涡轮结构，改善了榫头榫槽连接处的受力，提高了结构强度。

附图说明

图1是涡轮盘预制体的编织示意图；

图2是平纹纤维布叶片编织体编织示意图；

图3是CMCs涡轮叶片的分解示意图；

图4是平纹纤维布叶片编织体与涡轮盘预制体的连接示意图；

附图标记为：涡轮盘预制体1、涡轮盘径向纱线11、涡轮盘周向纱线12、平纹纤维布叶片编织体2、平纹纤维布纬纱21、平纹纤维布经纱22、纤维布补片3、缝合纱线4。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其中：由中心辐射编织的CMCs涡轮盘和平纹编织的CMCs涡轮叶片组成。CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片使用的陶瓷基复合材料为SiC_f/SiC复合材料。CMCs涡轮盘由若干层涡轮盘预制体1在厚度方向上叠设而成，涡轮盘预制体1由涡轮盘径向纱线11和涡轮盘周向纱线12编织而成，涡轮盘周向纱线12由涡轮盘预制体1轮盘中心原点向四周螺旋发散，极坐标方程取

的阿基米德螺线形式，由中心向四周发散，当轮盘直径到达300mm时停止编织，将圆盘作24等分，每间隔15度在涡轮盘周向纱线12间穿插编织涡轮盘径向纱线11，同时在与叶片连接处预留足够长的涡轮盘径向纱线11用以与叶片进行整体编织，如图1所示。将40层涡轮盘纤维布预制体层叠粘结，构成CMCs涡轮盘结构。

平纹纤维布叶片编织体2由平纹纤维布经纱22和平纹纤维布纬纱21经过二维编织工艺编织而成，首先在一个方向上铺设10根宽度为10mm的平纹纤维布经纱22，再在垂直方向依次穿过平纹纤维布经纱22上下表面铺设25根宽度为4mm的平纹纤维布经纱22，局部如图2所示。重复以上步骤，制成数层平纹编织布，其中的至少一层纤维布以由CMCs涡轮盘结构延伸出的涡轮盘径向纱线11作为平纹纤维布纬纱21进行编织，根据叶片的几何气动外形对平纹编织纤维布进行修剪，将这些修剪过的平纹编织纤维布按照平行于叶片几何中面的方向粘贴层叠，制成平纹纤维布叶片编织体2，如图3所示。同时，在叶片叶根处间隔插入纤维布补片3，形成叶片榫头。在CMCs涡轮盘边缘加工出能与叶片榫头配合的榫槽，对叶片榫头处两端与涡轮盘外缘表面相互贴合的纤维布以及涡轮盘周向纱线12进行缝合。以专用缝合用针牵引缝合纱线4，在垂直纤维布方向对叶片榫头与榫槽进行穿刺，在针进行穿刺时，会依次刺破各层纤维布，将上层纤维组织带入下层之中，同时将缝合纱线4穿过各层纤维布，在回针之后，纱线和各层纤维组织被滞留在原处，如图4所示。通过重复以上过程，用缝合纱线4将编织CMCs涡轮盘边缘的各层纤维布与CMCs涡轮叶片各层纤维布相互连接，从而将CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片固定为一体；提高整体的力学性能。

利用悬浮等离子喷涂技术在在CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片表面喷涂热障涂层，热障涂层由内到外分为粘结层、封阻层和陶瓷面层，其中粘结层为MCrAlY合金，厚度为120μm，陶瓷面层厚度为300μm，封阻层可有效降低高温燃气对粘结层的腐蚀和氧化速率，大大降低叶片表面的导热系数，将叶片耐高温能力提高260℃以上。

本实施例制备而成的CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片经一体编织而成，保证了纤维的连续性，能有效地改善叶片与轮盘之间的连接性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其特征是：包括CMCs涡轮盘和位于CMCs涡轮盘外围的一圈CMCs涡轮叶片，所述的CMCs涡轮盘由若干层涡轮盘预制体(1)在厚度方向上叠设而成，所述的涡轮盘预制体(1)由涡轮盘径向纱线(11)和涡轮盘周向纱线(12)编织而成，所述的涡轮盘径向纱线(11)由涡轮盘预制体(1)轮盘中心原点，向涡轮盘预制体(1)四周直线延伸，涡轮盘周向纱线(12)由涡轮盘预制体(1)轮盘中心原点向四周螺旋发散，直至涡轮盘预制体(1)边缘，所述的CMCs涡轮叶片由平纹纤维布叶片编织体(2)层叠而成；所述的平纹纤维布叶片编织体(2)由平纹纤维布经纱(22)和平纹纤维布纬纱(21)编织而成，所述的平纹纤维布经纱(22)具有数根，方向平行单一，所述的平纹纤维布纬纱(21)上下方交替穿插平纹纤维布经纱(22)且平纹纤维布纬纱(21)垂直于平纹纤维布经纱(22)，部分涡轮盘径向纱线(11)伸出至CMCs涡轮盘边缘以外，这部分伸出的涡轮盘径向纱线(11)作为平纹纤维布经纱(22)参与平纹纤维布叶片编织体(2)的编织，从而使得CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片共用部分纱线，CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片组成了陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其特征是：相邻两根平纹纤维布纬纱(21)在同一平纹纤维布经纱(22)处上下交替。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其特征是：所述的CMCs涡轮叶片叶根处设置有纤维布补片(3)，所述的纤维布补片(3)间隔的插在平纹纤维布经纱(22)之间，使CMCs涡轮叶片叶根形成叶片榫头，所述的CMCs涡轮盘边缘加工出榫槽，叶片榫头能插入榫槽中，榫槽与叶片榫头通过缝合纱线(4)缝制为一体。

4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其特征是：所述的陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘外表面喷涂有热障涂层。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构，其特征是：所述的涡轮盘周向纱线(12)根据阿基米德螺线方程由涡轮盘预制体(1)轮盘中心原点向四周螺旋发散，所述阿基米德螺线极坐标方程如下：

其中：

为纱线在轮盘所处半径坐标；

为纱线在轮盘所处角度坐标；

和

分别为控制螺线形状的常数。

6.如权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、编织CMCs涡轮盘：将涡轮盘径向纱线(11)由涡轮盘预制体(1)轮盘中心原点，向涡轮盘预制体(1)四周成中心辐射状延伸，当涡轮盘径向纱线(11)延伸至涡轮盘预制体(1)轮盘边缘时，在涡轮盘预制体(1)轮盘与CMCs涡轮叶片连接处预留较长的涡轮盘径向纱线(11)，使其能作为平纹纤维布经纱(22)参与平纹纤维布叶片编织体(2)的编织，其余不参与叶片编织的涡轮盘径向纱线(11)沿轮盘边缘剪断，涡轮盘周向纱线(12)由涡轮盘预制体(1)轮盘中心原点向四周螺旋发散，直至涡轮盘预制体(1)边缘；将涡轮盘径向纱线(11)和涡轮盘周向纱线(12)进行穿插编织，即将由轮盘中心原点出发的涡轮盘径向纱线(11)依次从上方和下方穿过涡轮盘周向纱线(12)，形成涡轮盘预制体(1)，若干个涡轮盘预制体(1)沿涡轮盘厚度方向进行堆叠，形成编织CMCs涡轮盘，该编织CMCs涡轮盘四周伸出有沿轮盘厚度方向排列的若干排涡轮盘径向纱线(11)；

步骤二、编织CMCs涡轮叶片：首先铺设数根单一方向的平纹纤维布经纱(22)，再在平纹纤维布经纱(22)上下方交替穿插铺设平纹纤维布纬纱(21)，且平纹纤维布纬纱(21)垂直于平纹纤维布经纱(22)，相邻两根平行纱线在穿插时分别位于被穿插纱线的上方和下方，形成平纹编织布，根据叶片的几何气动外形对平纹编织纤维布进行修剪，得到平纹纤维布叶片编织体(2)，将平纹纤维布叶片编织体(2)按照平行于叶片几何中面的方向粘贴层叠，制成CMCs涡轮叶片，其中靠叶片中心的一层或多层平纹纤维布叶片编织体(2)是以轮盘延伸出的涡轮盘径向纱线(11)作为平纹纤维布经纱(22)，整体编织后修剪而成；

步骤三、将纤维布补片(3)间隔的插在CMCs涡轮叶片叶根处的平纹纤维布经纱(22)之间，形成叶片榫头，在CMCs涡轮盘边缘加工出榫槽，将叶片榫头与榫槽相互贴合，以专用缝合用针牵引缝合纱线(4)，在垂直纤维布方向对叶片榫头与榫槽进行穿刺，在针进行穿刺时，会依次刺破各层纤维布，将上层纤维组织带入下层之中，同时将缝合纱线(4)穿过各层纤维布，在回针之后，纱线和各层纤维组织被滞留在原处，通过重复以上过程，用缝合纱线(4)将编织CMCs涡轮盘边缘的各层纤维布与CMCs涡轮叶片各层纤维布相互连接，从而将CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片固定为一体；

步骤四、在CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片表面喷涂热障涂层，涂热障涂层至少为两层，位于表面的一层为陶瓷面层，通过形成沿厚度方向的温度梯度，减少高温气体向叶片内部的热量传递；位于内部的一层为为粘结层，可以将CMCs涡轮盘或CMCs涡轮叶片与表面陶瓷面层相粘结，喷涂热障涂层后，制得陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构。

7.根据权利要求6所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构的制备方法，其特征是：步骤四中，利用悬浮等离子喷涂技术在在CMCs涡轮盘与CMCs涡轮叶片表面喷涂热障涂层，热障涂层由内到外分为粘结层、封阻层和陶瓷面层，其中粘结层为MCrAlY合金，厚度为120μm，陶瓷面层厚度为300μm，封阻层用于降低高温燃气对粘结层的腐蚀和氧化速率。

8.根据权利要求6所述的一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构的制备方法，其特征是：CMCs涡轮盘和CMCs涡轮叶片使用的陶瓷基复合材料为SiC_f/SiC复合材料。

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