具有陶瓷面板和陶瓷毡的夹层布置制造技术

本发明专利技术涉及一种夹层布置，其包括至少两个外周设置的陶瓷面板(101a,101b)和插入在第一陶瓷面板与第二陶瓷面板之间的陶瓷毡(110)。第一陶瓷面板的材料等同或不同于第二面板的材料，其中陶瓷毡由具有规则或准规则结构化的织造纤维的纺织物结构形成。纤维由至少一种材料和/或成分制成，其中至少一个粘合器件设在面板下侧与相邻纤维之间。

Interlayer arrangement with ceramic panels and ceramic felt

The invention relates to a sandwich layout, which comprises at least two ceramic panels (101A, 101b) set on the periphery and a ceramic felt (110) inserted between the first ceramic panel and the second ceramic panel. First, the material of the ceramic panel is equivalent or different from the second panel material, of which the ceramic felt is formed by the fabric structure with regular or quasi regular structured weaving fibers. The fiber is made of at least one material and / or component, of which at least one adhesive device is located between the lower side of the panel and the adjacent fibers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有陶瓷面板和陶瓷毡的夹层布置
本专利技术涉及模块化工业燃气轮机(IGT)构件的先进构想，其基于根据涉及权利要求1至5中的一项的现有技术水平的IGT构件的每个领域的工业范围中使用最适合材料的原理。
技术介绍
最适合的材料选择由服务公开(serviceexposure)下的环境、热、机械和热机械负载条件驱使。根据该设计构想，整体的陶瓷和陶瓷基质复合物(CMC)材料尤其有益于施加到高温负载区域中，而金属合金优选主要用于机械或热机械负载的区段。该原理表示使用独石陶瓷(monolithicceramic)且尤其是CMC来用于生成平台和翼型件、插入件，或更总体上是作为用于相应区段的衬套材料。该途径也是适于较高T应用的涉及WO2014/146829A1的新重整/修理原理的延伸。实际上，独石陶瓷材料和陶瓷基质复合物在经历高和很高的温度(1000到1700°)和周期操作状况时，不易于有热退化效果。相比于使用必须由与热障涂层(即，TBC系统)组合的环境金属涂层保护的金属合金，允许了相当长的总体构件寿命。陶瓷系统(包括CMC)尤其在较高的温度范围中还可能需要环境和由陶瓷制成的热障保护涂层。基于该构想，主要存在两个因素驱使开发用于陆基IGT的涡轮叶片的独石且陶瓷的复合物制成的本体：1.构件耐温且延长寿命；2.涡轮叶片的前级的冷却要求可通过向叶片(旋转和/或静止)提供陶瓷壳作为针对操作期间的热气体的冲击的保护隔层来显著地减小。模块化IGT构件设计中的现今标准独石陶瓷和CMC系统的典型缺陷：1.脆性性质和低断裂韧性(独石陶瓷)；2.很有限的疲劳性质，尤其是独石陶瓷，而且CMC系统也是；3.有限抗蠕变性(CMC)；4.成本较高(CMC)。市售的以及文献中描述的CMC材料仍存在：在考虑涡轮零件且尤其是在旋转叶片(蠕变负载)的情况下，CMC的机械强度值大体上在设计要求的极限内。考虑不同构件区段的简单功能分开(即，机械和热去耦)并不足够，诸如构件分成不同的子构件，其中某些区域主要需要承受机械负载，而其它构件区段将必须对抗高热负载(如若干专利和公开文献所述)。壳的一些特殊区域仍将屈服于很高的温度，以及来自很高气体质量流、气体压力和离心负载的不可忽略的机械负载；强各向异性机械和物理CMC材料性质。该现象基于CMC复合物内的无机纤维的本来的2D/3D织造微观结构。尤其是在需要较厚材料强度的情况下，多层布置不可避免，这进一步加剧了内在的不均一，且导致独立层叠层之间的局部缺陷或完全分层的风险。除此方面外，增大多孔性的总体风险随用于形成最终的壳或衬套区段的层数上升；有限蠕变性质，如主要由作为增强元件包含在CMC微观结构内的纤维性质驱动。陶瓷复合材料的该特质甚至进一步限制了设计灵活性和随后在较长操作时间内应用于组合的机械和高温负载的区域中；将预计到翼型件周围的高热梯度(温度不均一)。事实上，所得的最大热和机械负载可很局部化，这存在局部破坏形成的高风险，这可最终导致CMC系统的完全破坏。文献WO2014/022344A1公开了用于飞行器的燃气涡轮发动机的CMC核心护罩，其包括多个导管面板，各个导管面板均沿纵向搭接头连结到相邻的导管面板上。各个导管面板还包括具有沿大致横向方向定向的陶瓷纤维的交织纤维结构。陶瓷基质包绕陶瓷纤维结构的陶瓷纤维。陶瓷纤维和基质形成为大体上圆柱形，其具有前端和后端，且具有用于围绕前端且沿纵向搭接头周向地定向的机械附接的器件。前端还包括附加的CMC材料，其具有沿第三预选方向定向的纤维，从而提供附加强度来用于前端处和搭接头处的机械附接。文献EP2033772A1公开了一种层叠结构，其包括由中间层连结到第二层上的至少第一层，第一层的材料不同于第二层的材料，且中间层由交织的不同第一材料和第二材料的纤维构成。粘合剂设在中间层与第一层和第二层中的至少一者之间。第一层和第二层可提供为薄或厚的片、板或一些组合的片和板。作为备选，一层可提供为其它层施加到其上的成型基底。第一层和第二层可为柔性或刚性的。中间层可采用织造织物的形式，涂层可施加到其一侧，或不同涂层可施加到任一侧，其中施加到中间层的一侧上的涂层能够粘合到中间层和第一层或第二层中的一个的(多个)材料上。文献US2009/324421A1公开了间隔元件，其尤其优选均匀地分布在壳与支承结构之间。间隔元件在各种情况中形成为软钎焊小球的形式，其通过软钎焊，尤其是表面软钎焊连接到支承结构和壳上。壳与支承结构的连接因此由软钎焊执行，特别优选在独立点处。焊料由小焊料球构成，其在软钎焊过程期间并未完全熔化，而是部分熔化。这些焊料小球通常在电气工程中由用语"球型网架(ball-grid)"表示。以此方式，窄间隙形式的空间可形成在壳与支承结构之间，其中热可仅在由此形成的软钎焊点处传递至支承结构。根据本专利技术，软钎焊小球形成大表面，使得热可直接地传递至流过该空间的冷却介质。随着每单位面积的间隔元件的数目增长，冷却介质可在其上流动的间隔元件的表面也一起增大，这一方面改善了冷却，且另一方面改善了壳与支承结构的连接。改善的连接继而又允许刚性更大且更薄的壳。文献DE102013110381A1公开了一种例如用于涡轮的热气体通路构件的层布置，其具有基底层和陶瓷基质复合层，非金属间隔物形成在它们之间，以限定填充有绝热物质的凹穴。层布置具有基底层和陶瓷基质复合物层，非金属间隔物形成在它们之间以限定凹穴。基底层以镍基超级合金或陶瓷形成。非金属间隔物设有热保护涂层和切割肋。凹穴填充有绝热物质。
技术实现思路
本专利技术的目的在于概括现今用于IGT构件的独石陶瓷和CMC区段以及相关模块化构件设计方案的局限性和不足，以下关键方面必须被克服：I.CMC材料的机械性质的显著各向异性；II.标准独石和CMC材料的机械、热和热机械限制；III.CMC材料的侵蚀极限；IV.标准独石和CMC材料的抗冲击性；V.导致基质和纤维性质退化的非氧化物陶瓷的高温化学稳定性(陶瓷腐蚀)和氧化的极限；VI.独立的CMC壳和衬套区段的高成本。本专利技术的目的通过根据独立权利要求1至5中的至少一项的实施例来达成。根据第一实施例，CMC材料可设计成具有定制/个性化的纤维结构，其中一定百分比的纤维呈现出较大的直径，且旨在在操作期间主要承载混合IGT部分的CMC区段内的机械负载。同样由带较细纤维的2D/3D纺织结构构成的连接的第二CMC子网络用于将陶瓷基质固定到整个纤维子结构上，且使机械负载的局部力偏转陶瓷基质(将消散能量其而允许应力释放的"牺牲"纤维子结构/网络的类型)。后一纤维涂布有光滑的保护涂层，且显示出与陶瓷基质的较强接触。取决于选择的CMC系统(即，材料类型和处理路线)，未涂布的纤维也是一个选择。本专利技术的创新且进步的步骤由这些结构的部分或安全集成构成。根据另一个实施例，标准CMC结构可通过使用夹层系统改善，夹层系统包含作为内部结构的特别织造的织物或毡，其完全或部分渗透，以便提供内部冷却通道结构，和/或两个CMC表皮壳内的绝缘物和增强物。冷却通道可通过以下提供：i)开放多孔结构(例如，部分渗透的毡)；ii)具有特别设计的结构的加工的多孔结构；iii)特殊CMC层(或甚至多层结构)，其中冷却结构通过消除具有限定架构(参看图4)的特别选择的织造纤维(例如，C纤维)而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种夹层布置，其包括以下结构中的至少一个、一部分或一体的组合：a) 包绕毡或复合织造纺织物结构的至少一个或两个CMC表皮；b) 外/内结构，其中一个CMC表皮附接至毡，其形成内层或外层，或复合织造纺织物结构，其形成所述内层；c) 相反的夹层结构，其中CMC具有不同结构的表皮，其形成由陶瓷毡制成的两个表皮包绕的结构的核心；d) 附加结构，其中陶瓷毡是所述外层，常规CMC是中间层，且所述复合织造纺织物结构是所述内层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.31 EP 15162104.21.一种夹层布置，其包括以下结构中的至少一个、一部分或一体的组合：a)包绕毡或复合织造纺织物结构的至少一个或两个CMC表皮；b)外/内结构，其中一个CMC表皮附接至毡，其形成内层或外层，或复合织造纺织物结构，其形成所述内层；c)相反的夹层结构，其中CMC具有不同结构的表皮，其形成由陶瓷毡制成的两个表皮包绕的结构的核心；d)附加结构，其中陶瓷毡是所述外层，常规CMC是中间层，且所述复合织造纺织物结构是所述内层。2.一种夹层布置，其包括至少一个外周设置的陶瓷面板(101a,101b)和有效地连接至所述陶瓷面板的陶瓷毡(110)，其中所述陶瓷毡由带规则或准规则结构化的织造纤维的纺织物结构形成，其中所述纤维由至少一种材料和/或成分制成，其中至少一个粘合器件设在所述陶瓷面板的下侧与所述毡或复合织造纺织物的相邻纤维之间。3.一种夹层布置，其包括至少两个外周设置的陶瓷面板(101a,101b)和插入在第一陶瓷面板与第二陶瓷面板之间的陶瓷毡(110)，其中所述第一陶瓷面板的材料等同或不同于第二面板的材料，其中所述陶瓷毡由带规则或准规则结构化的织造纤维的纺织物结构形成，其中所述纤维由至少一种材料和/或成分制成，其中至少一个粘合器件设在面板的下侧与相邻的纤维之间。4.一种夹层布置，其包括至少两个外周设置的陶瓷面板(101a,101b)和插入在第一陶瓷面板与第二陶瓷面板之间的陶瓷毡(110)，其中所述第一陶瓷面板的材料等同或不同于第二面板的材料，其中所述陶瓷毡由带规则或准规则结构化的织造纤维的纺织物结构形成，其中所述纤维由至少一种材料和/或成分制成，其中所述陶瓷面板与相邻陶瓷毡之间的化合物通过所述夹层布置的各种构件的冷压来达成。5.一种夹层布置，其包括至少两个外周设置的陶瓷面板(101a,101b)和插入在第一陶瓷面板与第二陶瓷面板之间的陶瓷毡(110)，其中所述第一陶瓷面板的材料等同或不同于第二面板的材料，其中所述陶瓷毡由带规则或准规则结构化的织造纤维的纺织物结构形成，其中所述纤维由至少一种材料和/或成分制成，其中所述陶瓷面板与相邻陶瓷毡之间的化合物通过所述夹层布置的各种构件的热压模制达成。6.根据权利要求1至5中的一项所述的夹层布置，其特征在于，所述陶瓷毡由与彼此互混的不规则纤维制成。7.根据权利要求1至6中的一项所述的夹层布置，其特征在于，所述陶瓷面板和/或陶瓷毡构造在多壁结构上，其中独立的壁与彼此间隔开，其中壁由支承结构相互支承，其中所述支承结构之间得到的空间拥有弱、中或强的渗透性。8.根据权利要求1至7中的一项所述的夹层布置，其特征在于，所述夹层布置包含作为内部结构的织造织物或毡，其完全或部分渗透，以便提供内部冷却通道结构和/或至少一个CMC表皮壳内的绝缘物和增...

【专利技术属性】
技术研发人员：PD格拉斯索，A斯坦科斯基，S普伊多卡斯，
申请(专利权)人：安萨尔多能源英国知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB