CN113898417A - 一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法 - Google Patents

一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法，该导向叶片内腔具有多个贯穿叶盆和叶背的柱状扰流结构，其材质均为陶瓷基复合材料，本发明还提供该叶片的制备方法，包括以下步骤：先制备具有通气孔模具，然后根据模具制备纤维预制体，再依次沉积界面层和陶瓷基体，去除模具后，加工至设计尺寸，然后在制得的叶身壳体的扰流柱部位上，制备垂直于叶片型面的通孔，然后将销钉插入通孔内，再将制得的装配体同质连接，加工、修复后，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片。本发明制备的导向叶片的耐温性得到大幅提升，同时结构重量显著降低，且能够保证型面和尺寸的精度及导向叶片的冷却效果。

Description

一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备 方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机制造技术领域，具体涉及一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法。
背景技术
在航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机中，提高涡轮前燃气温度，是提高发动机性能的最直接有效的方法之一。对于发动机的涡轮系统而言，提高涡轮前燃气温度意味着对涡轮导向叶片设计要求的提高，这就需要涡轮导向叶片能够在高温、高压、高速气流冲刷的恶劣环境中长时间工作。目前先进航空发动机的涡轮前燃气温度可高达2000K以上，常用的高温合金涡轮导向叶片已经无法胜任使用要求，即使采用世界公认具有潜力的陶瓷基复合材料作为高压涡轮导向叶片的主体材料，在面对恶劣的工况和日益增长的需求时，依旧需要采取冷却手段来保证其结构工作在适宜的温度环境中，一般情况下，涡轮导向叶片为空心结构，冷却形式分为外部冷却和内部冷却，在内部冷却形式中，在导向叶片内腔设置扰流柱阵列是获得叶片冷却效果的主要技术途径之一，扰流柱阵列一般布置在内冷通道的压力侧和吸力侧表面，具有结构简单、换热性能好的特点，扰流柱阵列在强化换热的同时也增强了尾缘的结构强度和刚度。
然而，在采用陶瓷基复合材料作为涡轮导向叶片的主体材料时，其扰流柱阵列结构难以在纤维预制体制备阶段直接定型，如果采用制备完毕的实心陶瓷基复合材料，以机械加工的途径制备叶片，既会破坏纤维的连续性，进而影响叶片强度和使用寿命，又难以实现较为复杂的多排扰流柱的加工。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片及其制备方法，以解决现有技术在采用陶瓷基复合材料作为涡轮导向叶片的主体材料时，其扰流柱阵列结构难以在纤维预制体制备阶段直接定型的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，该导向叶片内腔具有若干扰流柱，所述扰流柱贯穿导向叶片的叶盆和叶背，所述导向叶片和扰流柱的材质均为陶瓷基复合材料。
本发明的有益效果为：本发明在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶盆和叶背之间设置了陶瓷基复合材料扰流柱，其实现了整体性的材质统一，既增强了叶片尾缘部位的刚度和强度，又实现了扰流柱阵列，同时，耐温性提升约300℃，结构重量降低50％以上。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，陶瓷基复合材料的增强体为碳纤维和/或碳化硅纤维，陶瓷基体为碳化硅或氮化硅，所述陶瓷基体还可以为碳化硅和碳化硼。
本发明还提供一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体的扰流柱部位上制备垂直于型面的通孔，然后将与叶身壳体相同材质的销钉插入通孔内，销钉贯穿通孔，再在制得的装配体表面沉积与叶身壳体相同的陶瓷基体，完成销钉和叶身壳体的同质连接，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品；
(2)将具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品加工至设计尺寸，再在表面沉积与叶身壳体相同的陶瓷基体，再进行损伤修复，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片。
进一步，步骤(1)中通孔直径与扰流柱直径一致。
进一步，步骤(1)中销钉与通孔为过盈配合，过盈量为0.01-0.08mm。
进一步，步骤(1)和(2)中陶瓷基体的沉积均是利用化学气相沉积法进行沉积，循环执行次数均为1-3次。
进一步，步骤(1)中陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体通过以下步骤制得：
(1.1)以耐高温材料制备具有通气孔的涡轮导向叶片的内型模具、叶盆模具和叶背模具；
(1.2)将碳纤维布和/或碳化硅纤维布缠绕在内型模具的外表面，然后用叶盆模具和叶背模具将其覆盖，再用碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线，以通气孔为缝合路径，将内型模具、叶盆模具、叶背模具和缠绕在内型模具上的纤维布缝合为一体，得到夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体；
(1.3)在涡轮导向叶片纤维预制体的表面依次沉积界面层和陶瓷基体，然后将模具去除，加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体。
进一步，步骤(1.1)中耐高温材料为电极石墨或高纯石墨。
进一步，高纯石墨是指石墨的含碳量>99.99％。
进一步，步骤(1.1)中内型模具、叶盆模具和叶背模具的壁厚为2.5-8mm。
进一步，步骤(1.1)中通气孔的孔径为3-8mm。
进一步，步骤(1.2)中碳纤维布和/或碳化硅纤维布缠绕的厚度为具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片设计厚度的1.05-1.2倍。
进一步，步骤(1.2)中碳纤维布和/或碳化硅纤维布为2.5维纤维编织布、二维平纹纤维编织布或二维缎纹纤维编织布。
进一步，步骤(1.3)中沉积界面层和陶瓷基体均是利用化学气相沉积法进行沉积。
进一步，步骤(1.3)中界面层厚度为100-600nm。
进一步，步骤(1.3)中界面层为氮化硼界面层。
进一步，氮化硼界面层的制备过程为：于压力为50-1000P条件下，升温至650-1000℃，保温1-2h后，通入氩气、氢气、氨气和三氯化硼混合气体，沉积15-35h后，继续保温1-2h，降温至室温；其中，氩气、氢气、氨气和三氯化硼的流量比为1：1-3：2-8：2-8。
进一步，氮化硼界面层的制备循环执行1-3次。
进一步，步骤(1.3)中陶瓷基体为碳化硅或氮化硅，陶瓷基体还可以为碳化硅和碳化硼。
进一步，陶瓷基体为碳化硅时，其制备过程为：于压力为200-5000Pa条件下，升温至900-1200℃，保温1-2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷、氢气和氩气的流量比为1∶5-15∶15-25，沉积30-60h后，继续保温1-2h，降温至室温；循环执行4-8次。
进一步，陶瓷基体为氮化硅时，其制备过程为：于压力为200-5000Pa条件下，升温至700-1200℃，保温1-2h后，氢气、氩气、三氯甲基硅烷和氨气的混合气体，氢气、氩气、三氯甲基硅烷和氨气的流量比为1∶1∶5-50∶5-50，沉积24-80h后，继续保温1-2h，降温至室温；循环执行4-8次。
进一步，陶瓷基体为碳化硅和碳化硼时，其制备过程为：先制备碳化硅陶瓷基体，然后执行一次碳化硼陶瓷基体的制备过程，再执行一次碳化硅陶瓷基体的制备过程，如此将执行一次的步骤循环操作1-4次；
其中，碳化硼陶瓷基体的制备过程为：于压力为2-50kPa条件下，升温至850-1100℃，保温1-2h后，通入甲烷、三氯化硼和氢气的混合气体，甲烷、三氯化硼和氢气的流量比为1∶1-10∶5-50，沉积10-80h后，继续保温1-2h，降温至室温。
进一步，步骤(1)和(2)中化学气相沉积法的过程与步骤(1.3)中制备陶瓷基体的过程一致。
本发明具有以下有益效果：
一、由于陶瓷基复合材料的密度为2.0-2.5g/cm3，传统高温合金材料的密度约为8.5-8.9g/cm3，因此本发明采用陶瓷基复合材料作为涡轮导向叶片的主体材料，可降低构件结构重量50％以上；此外，陶瓷基复合材料在无冷却措施的条件下，可在1350℃以下长时间保持85％以上的力学性能，相比高温合金材料1050℃的耐温能力，可大幅提升构件的耐温能力。
二、本发明所采用的导向叶片和扰流柱均为力学、物理性能完全一致的同质陶瓷基复合材料，因此叶片构件的各组成部分具有良好的物理化学相容性。本技术可以实现具有复杂扰流柱阵列特征的陶瓷基复合材料导向叶片构件制备，构件精度可满足GB/T 1804-2000所规定的m级尺寸精度和GB/T 1184-1996所规定的K级形位精度等级要求，还能够有效保证导向叶片的冷却效果。
附图说明
图1为本发明的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的结构示意图；
图2为本发明的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的俯视图；
图3为图2中A处的剖视图。
其中，1、叶身壳体；2、叶背；3、叶盆；4、扰流柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，其制备方法包括以下步骤：
(1)以电极石墨为原材料，按照导向叶片内腔的型面尺寸设计和制备内型模具，再分别按照导向叶片的叶盆和叶背型面尺寸设计和制备叶盆3模具和叶背2模具；其中，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具的壁厚为4mm，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具上有大量孔径为4mm的通气孔；
(2)将2.5维碳化硅纤维编织布缠绕在内型模具的外表面，缠绕的厚度为导向叶片设计厚度的1.1倍，然后用叶盆3模具和叶背2模具将其覆盖，再用碳化硅纤维束为缝合线，以通气孔为缝合路径，将内型模具、叶盆3模具、叶背2模具和缠绕在内型模具上的纤维编织布缝合为一体，得到夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体；
(3)将夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体放置在化学气相沉积炉内，在其表面依次沉积580nm氮化硼界面层和碳化硅陶瓷基体，然后将模具去除，按照设计图纸加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1；
其中，氮化硼界面层的制备过程为：炉体内压力为800Pa，升温至680℃，保温2h后，通入氩气、氢气、氨气和三氯化硼气体的混合气体，氩气、氢气、氨气和三氯化硼的流量比为1：1-3：2-8：2-8，沉积30h后继续保温2h，降温至室温；上述操作循环执行2次；
碳化硅陶瓷基体的制备过程为：炉体内压力为1500Pa，升温至1100℃，保温2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶10∶18，沉积48h后继续保温2h，降温至室温；上述操作循环执行8次；
(4)采用机械加工的方式，在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1的扰流柱4部位上制备垂直于叶片型面的通孔，孔径与扰流柱4直径一致，然后将碳化硅陶瓷基复合材料销钉插入通孔内，销钉贯穿通孔，销钉与通孔为过盈配合，过盈量为0.05mm，再将制得的装配体置于碳化硅化学气相沉积炉内，完成销钉和叶身壳体1的同质连接，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品；其中，同质连接的过程与步骤(3)碳化硅陶瓷基体的制备过程相同，循环执行2次。
(5)将具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品采用机械加工的手段，加工至设计尺寸，再置于碳化硅化学气相沉积炉内，进行损伤修复，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片；其中，损伤修复过程与步骤(3)碳化硅陶瓷基体的制备过程相同，循环执行2次。
实施例2：
一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，其制备方法包括以下步骤：
(1)以电极石墨为原材料，按照导向叶片内腔的型面尺寸设计和制备内型模具，再分别按照导向叶片的叶盆和叶背型面尺寸设计和制备叶盆3模具和叶背2模具；其中，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具的壁厚为2.5mm，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具上有大量孔径为3mm的通气孔；
(2)将二维平纹碳纤维编织布缠绕在内型模具的外表面，缠绕的厚度为导向叶片设计厚度的1.05倍，然后用叶盆3模具和叶背2模具将其覆盖，再用碳化硅纤维束为缝合线，以通气孔为缝合路径，将内型模具、叶盆3模具、叶背2模具和缠绕在内型模具上的纤维编织布缝合为一体，得到夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体；
(3)将夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体放置在化学气相沉积炉内，在其表面依次沉积100nm氮化硼界面层和氮化硅陶瓷基体，然后将模具去除，按照设计图纸加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1；
其中，氮化硼界面层的制备过程为：炉体内压力为50Pa，升温至1000℃，保温2h后，通入氩气、氢气、氨气和三氯化硼气体的混合气体，氩气、氢气、氨气和三氯化硼的流量比为1：1-3：2-8：2-8，沉积15h后继续保温2h，降温至室温；上述操作循环执行2次；
氮化硅陶瓷基体的制备过程为：于压力为2000Pa条件下，升温至750℃，保温2h后，通入氢气、氩气、三氯甲基硅烷和氨气的混合气体，氢气、氩气、三氯甲基硅烷和氨气的流量比为1∶1∶20∶15，沉积60h后，继续保温2h，降温至室温；上述操作循环执行6次；
(4)采用机械加工的方式，在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1的扰流柱4部位上制备垂直于叶片型面的通孔，孔径与扰流柱4直径一致，然后将氮化硅陶瓷基复合材料的销钉插入通孔内，销钉贯穿通孔，销钉与通孔为过盈配合，过盈量为0.01mm，再将制得的装配体置于氮化硅化学气相沉积炉内，完成销钉和叶身壳体1的同质连接，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品；其中，同质连接的过程与步骤(3)氮化硅陶瓷基体的制备过程相同。
(5)将具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品采用机械加工的手段，加工至设计尺寸，再置于氮化硅化学气相沉积炉内，进行损伤修复，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片；其中，损伤修复过程与步骤(3)氮化硅陶瓷基体的制备过程相同。
实施例3：
一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，其制备方法包括以下步骤：
(1)以电极石墨为原材料，按照导向叶片内腔的型面尺寸设计和制备内型模具，再分别按照导向叶片的叶盆和叶背型面尺寸设计和制备叶盆3模具和叶背2模具；其中，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具的壁厚为8mm，内型模具、叶盆3模具和叶背2模具上有大量孔径为8mm的通气孔；
(2)将二维缎纹碳化硅纤维编织布缠绕在内型模具的外表面，缠绕的厚度为导向叶片设计厚度的1.2倍，然后用叶盆3模具和叶背2模具将其覆盖，再用碳化硅纤维束为缝合线，以通气孔为缝合路径，将内型模具、叶盆3模具、叶背2模具和缠绕在内型模具上的纤维编织布缝合为一体，得到夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体；
(3)将夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体放置在化学气相沉积炉内，在其表面沉积600nm氮化硼界面层后，然后在界面层上沉积碳化硅和碳化硼陶瓷基体，再将模具去除，按照设计图纸加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1；
其中，氮化硼界面层的制备过程为：炉体内压力为1000Pa，升温至650℃，保温2h后，通入氩气、氢气、氨气和三氯化硼气体的混合气体，氩气、氢气、氨气和三氯化硼的流量比为1：1-3：2-8：2-8，沉积32h后继续保温2h，降温至室温。上述操作循环执行3次；
碳化硅和碳化硼陶瓷基体的制备过程为：先制备碳化硅陶瓷基体，然后执行一次碳化硼陶瓷基体的制备过程，再执行一次碳化硅陶瓷基体的制备过程，如此将执行一次的步骤循环操作2次；
碳化硅陶瓷基体的制备过程为：炉体内压力为1500Pa，升温至1100℃，保温2h后，通入三氯甲基硅烷、氢气和氩气的混合气体，三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1∶8∶16，沉积48h后继续保温2h，降温至室温；上述操作循环执行7次；
碳化硼陶瓷基体的制备过程为：炉体内压力为25kPa条件下，升温至850℃，保温2h后，通入甲烷、三氯化硼和氢气的混合气体，甲烷、三氯化硼和氢气的流量比为1∶5∶20，沉积50h后，继续保温2h，降温至室温。
(4)采用机械加工的方式，在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体1的扰流柱4部位上制备垂直于叶片型面的通孔，孔径与扰流柱4直径一致，然后将碳化硼陶瓷基复合材料销钉插入通孔内，销钉贯穿通孔，销钉与通孔为过盈配合，过盈量为0.08mm，再将制得的装配体置于化学气相沉积炉内，完成销钉和叶身壳体1的同质连接，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品；其中，同质连接的过程与步骤(3)中碳化硅和碳化硼陶瓷基体的制备过程相同。
(5)将具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品采用机械加工的手段，加工至设计尺寸，再置于碳化硼化学气相沉积炉内，进行损伤修复，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片；其中，损伤修复过程与步骤(3)中碳化硅和碳化硼陶瓷基体的制备过程相同。
效果验证
一、对实施例1-3制备的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片进行性能检测，其中，密度检测的测试方法：《GB/T 2997-2000精细陶瓷密度和显气孔率试验方法》，耐温性测试方法：《Q/AVIC 06185-2015连续纤维增强陶瓷基复合材料高温力学性能试验方法》，检测结果见表1，由表1可知，本发明可将构件的长时使用温度提升至1350℃，相比于高温合金材料1050℃的耐温能力，构件的耐温性得到大幅提升，同时可降低构件的结构重量约50％。
表1具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片长时使用温度、密度
实施例 长时使用温度(℃) 密度(g/cm<sup>3</sup>)
实施例1 1350 2.67
实施例2 1350 2.58
实施例3 1350 2.62
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，其特征在于，导向叶片的内腔具有若干扰流柱(4)，所述扰流柱(4)贯穿导向叶片的叶盆(3)和叶背(2)，所述导向叶片和扰流柱(4)的材质均为陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求1所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片，其特征在于，陶瓷基复合材料的增强体为碳纤维和/或碳化硅纤维，陶瓷基体为碳化硅或氮化硅，所述陶瓷基体还可以为碳化硅和碳化硼。
3.权利要求1-2任一项所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体(1)的扰流柱(4)部位上制备垂直于型面的通孔，然后将与叶身壳体(1)相同材质的销钉插入通孔内，销钉贯穿通孔，再在制得的装配体表面沉积与叶身壳体(1)相同的陶瓷基体，完成销钉和叶身壳体(1)的同质连接，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品；
(2)将具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的半成品加工至设计尺寸，再在表面沉积与叶身壳体(1)相同的陶瓷基体，进行损伤修复，得到具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片。
4.根据权利要求3所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中销钉与通孔为过盈配合，过盈量为0.01-0.08mm。
5.根据权利要求3所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中陶瓷基体的沉积均是利用化学气相沉积法进行沉积，循环执行次数为1-3次。
6.根据权利要求3所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体(1)通过以下步骤制得：
(1.1)以耐高温材料制备均具有通气孔的涡轮导向叶片的内型模具、叶盆(3)模具和叶背(2)模具；
(1.2)将碳纤维布和/或碳化硅纤维布缠绕在内型模具的外表面，然后用叶盆(3)模具和叶背(2)模具将其覆盖，再用碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线，以通气孔为缝合路径，将内型模具、叶盆(3)模具、叶背(2)模具和缠绕在内型模具上的碳纤维布和/或碳化硅纤维布缝合为一体，得到夹持有模具的涡轮导向叶片纤维预制体；
(1.3)在涡轮导向叶片纤维预制体的表面依次沉积界面层和陶瓷基体，然后将模具去除，加工至设计尺寸，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的叶身壳体(1)。
7.根据权利要求6所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中耐高温材料为电极石墨或高纯石墨。
8.根据权利要求6所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1.2)中碳纤维布和/或碳化硅纤维布缠绕的厚度为具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片设计厚度的1.05-1.2倍。
9.根据权利要求6所述的具有扰流结构的陶瓷基复合材料涡轮导向叶片的制备方法，其特征在于，步骤(1.3)中界面层为氮化硼界面层。
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