CN118030204A - 一种陶瓷基复合材料导向叶片结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机涡轮导向叶片领域，具体公开了一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，包括依次设置的上缘、叶身和下缘，所述上缘设有上缘板，所述下缘设有下缘板，中部叶身等厚度，所述叶身上下部具有上下安装边，所述上下安装边分别与上缘板和下缘板固定连接。该陶瓷基复合材料导向叶片结构发挥陶瓷基复合材料耐高温、低密度的材料特，同时等厚度叶身、组合式叶片结构可大幅度降低叶身结构的加工难度，缩短陶瓷基复合材料静子结构的加工周期。

Description

一种陶瓷基复合材料导向叶片结构及制备方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮导向叶片领域，具体是一种陶瓷基复合材料导向叶片结构及制备方法。

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，即使采用密度仅为高温合金1/3-1/4、耐热温度比高温合金高150-350℃、耐酸碱腐蚀和强韧性高的世界公认具有潜力的陶瓷基复合材料作为高压涡轮导叶的主体材料，在面对恶劣的工况和日益增长的需求时，依旧需要采取先进、有效的冷却手段以保护涡轮导向叶片构件的高温稳定性和长时使用寿命，以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，且在多数高压涡轮导向叶片的结构设计中，多采用在导向叶片尾缘处设置劈缝的结构形式，用以形成尾缘吹气的冷却方式以增强冷却效果，当导向叶片在引入尾缘吹气后，冷却气流能够吹除尾缘绝大部分位置的高温气流，使尾缘温度降低，减缓或防止尾缘结构不断侵蚀和型面后退，有效阻挡对尾缘结构的热侵蚀。

然而导向叶片结构复杂，包含缘板、叶片、安装边等多个结构，简单采用陶瓷基复合材料进行替换，加工周期长且难度大，且制备成本高，导向叶片尺寸精度叶无法保证。导向叶片结构中叶身部位直接接触燃气，对其耐温、抗腐蚀等能力要求较高。现有的陶瓷基复合材料导向叶片尚无法满足应用要求。

现阶段陶瓷基复合材料导向叶片的相关研究较少，主要是在金属导向叶片结构的基础上进行材料替换，尚未针对导向叶片结构特点开展结构、工艺设计，沉积精度得不到保证，需要多次沉积加工，大大加长了导向叶片结构的加工难度和加工周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，针对导向叶片叶身直接与燃烧室内产生的高温燃气接触这一问题，发挥陶瓷基复合材料耐高温、低密度的材料特性，同时可大幅度降低叶身结构的加工难度，缩短陶瓷基复合材料静子结构的加工周期。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，包括依次设置的上缘、叶身和下缘，其特征在于，所述上缘设有上缘板，所述下缘设有下缘板，中部叶身等厚度，所述叶身上下部具有上下安装边，所述上下安装边分别与上缘板和下缘板固定连接。

进一步方案中，所述上缘板和下缘板上分别开设有与上下安装边相匹配的开孔，用于插入上下安装边。

进一步方案中，所述叶身为薄壁曲面结构，曲面结构内侧面形成一个具有开环结构的弧形冷却凹腔。

进一步方案中，所述上下安装边的曲率与叶身中部保持一致。

进一步方案中，所述叶身尾缘宽度小于前缘宽度。

进一步方案中，所述上缘板和下缘板均呈斜凹槽形，所述上缘板底面与叶身上表面紧密接触，所述下缘板上表面与叶身底面紧密接触。

进一步方案中，所述上缘板、下缘板和叶身分开制作后组装，对组装后的整体进行基体沉积。

进一步方案中，所述叶身通过平纹纤维布以及模具按照叶型进行铺层缝合，获得叶身纤维预制体结构。

进一步方案中，所述基体沉积的方法为通过化学气相沉积法依次沉积氮化硼界面层和碳化硅陶瓷基体。

进一步方案中，所述模具包括以耐高温材料制备均具有通气孔的冷却凹腔模具、叶盆模具和叶背模具，分别用于叶身冷却凹腔、叶身叶盆和叶身叶背定型。

本发明的有益效果：

按照本发明设计的陶瓷基复合材料静子叶身结构方案，可大幅度降低叶身结构的加工难度，缩短陶瓷基复合材料静子结构的加工周期。同时，还能保障叶身结构纤维的完整性以及基体致密化程度，提高叶型加工精度。

本发明通过设计等厚度叶身利于基体沉积，保证加工精度。

本发明进行了陶瓷基复合材料叶身模拟件的制备，并开展了热冲击考核。按照本发明中陶瓷基复合材料静子叶身结构设计方案加工的叶身实物，能够有效的提高叶身部位的基体致密化程度，降低孔隙率，提高叶型精度，降低加工难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种陶瓷基复合材料导向叶片结构示意图；

图2是本发明实施例中叶身部位结构示意图；

图3是本发明实施例中叶身的铺层层面示意图；

图4是本发明实施例中叶身部位铺层后缝合示意图；

图中：1、上缘；11、上缘板；2、叶身；20、安装边；21、尾缘；22、前缘；3、下缘；31、下缘板；4、平纹纤维布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，包括依次设置的上缘1、叶身2和下缘3，所述上缘1设有上缘板11，所述下缘3设有下缘板31，中部叶身2等厚度，如图2所示，所述叶身2上下部具有上下安装边20，所述上下安装边20分别与上缘板11和下缘板31固定连接。

通过将陶瓷基复合材料导向叶片的上缘1、叶身2和下缘3分别单独制造，上缘1和下缘3分别通过上缘板11、下缘板31制作，采用等厚度的叶身2，可直接获得叶身2部位纤维预制体结构，这样便于叶片各个位置制造，改善加工效率，减少叶身2部位加工切削量，避免叶身2纤维的破坏，不用像传统叶片结构整体式铺设后，进行多次精加工至设计尺寸或多次沉积。

根据上述工作原理，提供一些优选的实施例或实施结构，所述上缘板11和下缘板31上分别开设有与上下安装边20相匹配的开孔，用于插入上下安装边20。便于固定上缘板11和下缘板31后用于整体沉积。

所述叶身2为薄壁曲面结构，曲面结构内侧面形成一个具有开环结构的弧形冷却凹腔。弧形冷却凹腔便于气体流动，对叶身2内外表面均进行气流冷却，提高冷却效果。

所述上下安装边20的曲率与叶身2中部保持一致。这样更便于叶身2制作成型，也能使得叶身2应对气流冲击效果好。

所述叶身2尾缘21宽度小于前缘22宽度。这样更符合气流流动规律。

所述上缘板11和下缘板31均呈斜凹槽形，所述上缘板11底面与叶身2上表面紧密接触，所述下缘板31上表面与叶身2底面紧密接触。这样便于后期沉降。

所述上缘板11、下缘板31和叶身2分开制作组装，对组装后的整体进行基体沉积。这样可以显著提高叶片的加工效率，减低制作成本。

如图4所示，所述叶身2通过平纹纤维布4以及模具按照叶型进行铺层缝合，获得叶身2纤维预制体结构。

所述基体沉积的方法为通过化学气相沉积法依次沉积氮化硼界面层和碳化硅陶瓷基体。

所述模具包括以耐高温材料制备均具有通气孔的冷却凹腔模具、叶盆模具和叶背模具，分别用于叶身2冷却凹腔、叶身2叶盆和叶身2叶背定型。通气孔直径一般可优选为2-5mm。

具体的制作时可以是，如图3所示，以叶身2的冷却腔为参考，制备内型模具，以叶背为参考，制备叶背模具，以叶盆为参考，制备叶盆模具，模具厚度可优选3-6mm；其中，在内型模具、叶背模具和叶盆模具均具有若干与型面垂直的直径为2.5mm左右的通气孔，制备内型模具、叶背模具和叶盆模的材料可为高纯石墨；

将二维碳纤维编织布沿内型模具缠绕，缠绕的厚度为叶身2厚度的0.5-0.6倍左右，形成单腔纤维预制体，然后按设计图拼接，形成拼合纤维预制体，然后将二维碳纤维编织布卷成棒状，填充拼接时在弯角处留下的孔穴，再用二维碳纤维编织布沿拼合纤维预制体的外围缠绕，缠绕的厚度为叶身2厚度的0.7倍，形成叶身2整体纤维预制体；

将叶身2整体纤维预制体夹持在内型模具、叶背模具和叶盆模具之间，并将叶背模具和叶盆模具用材质为高纯石墨的螺栓/螺母进行固定；以通气孔为缝合路径，采用碳纤维束缝合线将内型模具、叶背模具、叶盆模具和叶身2整体纤维预制体缝合为一体，完成叶片的叶身2定型。

涡轮导向叶片的材质为陶瓷基复合材料，且涡轮导向叶片的叶身2和缘板为一体化成型。避免了结构单元之间的拼接，使得叶身2与缘板之间的连接可靠性大大增强。

本领域技术人员应该能够想到，陶瓷基复合材料的增强体为碳纤维和/或碳化硅纤维，基体为碳化硅。上缘1和下缘3依次制作成预制体。

在定型后的叶身2整体纤维预制体、上缘1和下缘3预制体依次沉积界面层和碳化硅陶瓷基体，去除内型模具后，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片坯料；沉积界面层和碳化硅陶瓷基体是利用化学气相沉积法进行沉积。界面层为氮化硼界面层。氮化硼界面层的制备过程为：于压力为50-1000Pa条件下，升温至650-1000℃，保温1-2h后，通入氩气、氢气、氨气和三氯化硼气体的混合气体，沉积15-35h后，继续保温1-2h，降温至室温；其中，氩气、氢气、氨气和三氯化硼气体的流量比为1：1-3：2-8：2-8。氮化硼界面层制备过程执行1-3次。碳化硅陶瓷基体的制备过程为：于压力为200-5000Pa的条件下，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，沉积30-80h后，继续保温2h，降温至室温；此制备过程执行4-8次。三氯甲基硅烷∶氢气∶氩气的流量比为1：5-15：10-20。

将陶瓷基复合材料涡轮导向叶片坯料加工至设计尺寸，然后继续在其表面沉积碳化硅，进行损伤修复，得到陶瓷基复合材料涡轮导向叶片。加工是利用机械或激光加工。沉积碳化硅的过程为：于压力为200-5000Pa的条件下，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，沉积30-80h后，继续保温2h，降温至室温；此制备过程执行1-3次。

上述步骤中的石墨可优选为电极石墨或高纯石墨。编织纤维布原材料为碳纤维和/或碳化硅纤维。编织方法为二维平纹编织、二维缎纹编织、二维斜纹编织或2.5维编织。

本领域技术人员应该能够想到，还能以别的耐高温材料制备均具有通气孔的导向叶片的内型模具、叶盆模具和叶背模具；

以开放式尾缘型面为参考，通过叠层铺放的方式，将碳纤维布和/或碳化硅纤维布堆叠形成板状纤维布叠层，均匀裁剪，制得若干条状纤维布叠层，即预埋劈缝模型；

将制得的预埋劈缝模型均匀放置于制得的夹持有内型模具的导向叶片纤维预制体的开放式尾缘内，然后用碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线，将预埋劈缝模型和开放式尾缘缝合为一体；再用叶盆模具和叶背模具将其覆盖，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、覆盖在内型模具上的纤维布、上、下缘3预制体和预埋劈缝模型缝合为一体，制得夹持有内型模具和预埋劈缝模型的导向叶片纤维预制体；

制得的夹持有内型模具和预埋劈缝模型的导向叶片纤维预制体及上、下缘3预制体表面依次沉积界面层和陶瓷基体，去除模具，加工至设计尺寸，继续沉积陶瓷基体，精加工至设计尺寸，然后进行损伤修复，制得具有尾缘劈缝的陶瓷基复合材料导向叶片。

本发明进行了陶瓷基复合材料叶身2模拟件的制备，并开展了热冲击考核。按照本发明中陶瓷基复合材料静子叶身2结构设计方案加工的叶身2实物，能够有效的提高叶身2部位的基体致密化程度，降低孔隙率，提高叶型精度，降低加工难度。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，包括依次设置的上缘(1)、叶身(2)和下缘(3)，其特征在于，所述上缘(1)设有上缘板(11)，所述下缘(3)设有下缘板(31)，中部叶身(2)等厚度，所述叶身(2)上下部具有上下安装边(20)，所述上下安装边(20)分别与上缘板(11)和下缘板(31)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，其特征在于，所述上缘板(11)和下缘板(31)上分别开设有与上下安装边(20)相匹配的开孔，用于插入上下安装边(20)。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，其特征在于，所述叶身(2)为薄壁曲面结构，曲面结构内侧面形成一个具有开环结构的弧形冷却凹腔。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，其特征在于，所述上下安装边(20)的曲率与叶身(2)中部保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，其特征在于，所述叶身(2)尾缘(21)宽度小于前缘(22)宽度。

6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构，其特征在于，所述上缘板(11)和下缘板(31)均呈斜凹槽形，所述上缘板(11)底面与叶身(2)上表面紧密接触，所述下缘板(31)上表面与叶身(2)底面紧密接触。

7.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构的制备方法，其特征在于，所述上缘板(11)、下缘板(31)和叶身(2)分开制作后组装，对组装后的整体进行基体沉积。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构的制备方法，其特征在于，所述基体沉积的方法为通过化学气相沉积法依次沉积氮化硼界面层和碳化硅陶瓷基体。

9.根据权利要求7所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构的制备方法，其特征在于，所述叶身(2)通过平纹纤维布(4)以及模具按照叶型进行铺层缝合，获得叶身(2)纤维预制体结构。

10.根据权利要求9所述的一种陶瓷基复合材料导向叶片结构的制备方法，其特征在于，所述模具包括以耐高温材料制备均具有通气孔的冷却凹腔模具、叶盆模具和叶背模具，分别用于叶身(2)冷却凹腔、叶身(2)叶盆和叶身(2)叶背定型。