具有分级纤维增强陶瓷基底的陶瓷基复合材料涡轮机部件制造技术

一种陶瓷基复合材料(“CMC”)部件、比如用于燃气涡轮发动机(20)的涡轮叶片(80)，该陶瓷基复合材料部件具有纤维增强的固化的陶瓷基底(88)。基底(88)具有用于使部件(80)的结构强度增强的内纤维层(100)。在外纤维层(120)中限定有空隙(126)。热障涂层(“TBC”)(90)被应用在外纤维层(120)上并且联接至外纤维层(120)，从而填充空隙(126)。空隙(126)提供了增大的表面面积并且与TBC(90)机械地互锁，从而提高了纤维增强陶瓷基底(88)与TBC之间的附着。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有分级纤维增强陶瓷基底的陶瓷基复合材料涡轮机部件相关申请的交叉引用本申请要求于2016年2月17日提交的、题目为“CERAMICMATRIXCOMPOSITETURBINECOMPONENTWITHENGINEEREDSURFACEFEATURESRETAININGATHERMALBARRIERCOAT(具有保持热障涂层的专设表面特征的陶瓷基复合材料涡轮机部件)”的国际申请No.PCT/US16/18224的优先权，国际申请No.PCT/US16/18224要求于2015年2月18日提交的、题目为“TURBINECOMPONENTTHERMALBARRIERCOATINGWITHCRACKISOLATINGENGINEEREDGROOVEFEATURES(具有裂纹隔离专设槽特征的涡轮机部件热障涂层)”的国际申请No.PCT/US15/16318的优先权和效益，上述申请的整体内容通过参引并入本文。
本专利技术涉及用于燃气涡轮发动机的具有陶瓷基复合材料(“CMC”)结构的部件以及用于制造这些部件的方法，其中，陶瓷基复合材料(“CMC”)结构又通过热障涂层(“TBC”)被进行隔热。更特别地，本专利技术涉及用于燃气涡轮发动机的具有陶瓷基复合材料(“CMC”)结构的发动机部件，其中，陶瓷基复合材料(“CMC”)结构具有分级纤维增强的陶瓷基底。内纤维层图案为部件提供结构支撑，并且外纤维层图案将TBC锚固至CMC结构。
技术介绍
CMC结构包括固化的陶瓷基底，在该固化的陶瓷基底中嵌入有陶瓷纤维。与没有结合嵌入纤维的陶瓷结构相比，CMC的陶瓷基底内的嵌入的陶瓷纤维提高了抗延伸断裂性、断裂韧性、耐热冲击性和动态载荷能力。CMC嵌入的纤维取向还有助于部件的结构性能的选择性各向异性的改变。CMC结构通过将陶瓷纤维、也被称为“粗纱”铺设到或者以其他方式定向到织物、纤维缠绕物、纤维束或编织物中来制造。用于CMC的纤维增强陶瓷基底制造可以比得上形成用于飞行器机翼或船体的纤维增强的聚合物结构部件。除非陶瓷纤维用包含陶瓷材料的树脂预浸渍，否则陶瓷纤维随后通过比如气相沉积、熔融浸润、预陶瓷聚合物热解、化学反应、烧结或陶瓷粉末的电泳沉积的这些技术被陶瓷材料浸渍，从而形成具有嵌入的定向陶瓷纤维的实体陶瓷结构。陶瓷基复合材料(“CMC”)结构作为诸如绝缘衬套、机叶和涡轮叶片之类的这些部件的绝缘层和/或结构元件被结合到燃气涡轮发动机部件中。这些CMC对于氧化物基陶瓷基复合材料而言在约1150摄氏度(“C”)的范围内提供了更好的抗氧化性和更高的温度能力，并且对于碳化硅纤维-碳化硅芯(“SiC-SiC”)基陶瓷基复合材料而言在达约1350C的情况下提供了更好的抗氧化性和更高的温度能力，而镍基或钴基超合金在发动机内的类似的运行条件下通常被限制在约950摄氏度至1000摄氏度。尽管1150C(对于SiC-SiC基CMC而言为1350C)的运行能力是对传统的超合金的温度极限的改进，但CMC的机械强度(例如，承载能力)还受限于晶粒生长、与基体的反应过程和/或1150C/1350C及更高温度的环境。在所需的燃气涡轮发动机的燃烧温度高达1600C至1700C的情况下，CMC需要在其自身与燃烧气体之间置入另外的隔热保护，以将CMC的温度保持在1150C/1350C以下。如以往的关于超合金部件所做的那样，CMC通过应用热障涂层或涂覆层(“TBC”)的上覆层来接受额外的隔热保护。然而，TBC在CMC或超合金基底上的应用带来了新的和不同的热膨胀失配及附着的挑战。在燃气涡轮发动机运行期间，超合金、CMC和TBC材料都具有不同的热膨胀性能。在超合金基底上应用TBC的情况下，超合金材料比位于该超合金基底上方的TBC材料膨胀的程度更大，这在极端情况下会导致在TBC层中形成裂纹，从而导致TBC层与超合金表面的分层。除了热失配的挑战之外，还存在金属基底/TBC接合面附着的挑战。尽管TBC材料通常很好地附着至最初的金属超合金基底上，或者很好地附着在位于该超合金基底上方的金属结合涂层(“BC”)基底中，但是金属会产生氧化物表面层，该氧化表面层随后在相应的层接合面处降低了对TBC的附着。TBC/金属基底接合面的一体性通过使用如下申请中的方案来保持：题目为“TURBINECOMPONENTTHERMALBARRIERCOATINGWITHCRACKISOLATINGENGINEEREDGROOVEFEATURES(具有裂纹隔离专设槽特征的涡轮机部件热障涂层)”的国际申请No.PCT/US15/16318；以及题目为“TURBINECOMPONENTTHERMALBARRIERCOATINGWITHCRACKISOLATINGENGINEEREDSURFACEFEATURES(具有裂纹隔离专设表面特征的涡轮机部件热障涂层”的国际申请No.PCT/US15/16331，这两个申请都在本申请的优先权限内并且在国家阶段审查期间在允许这样的并入的管辖区内被参引并入。在这些优先权申请中描述的一些实施方式在金属超合金基底的基底表面上或在位于该基层表面上方的金属结合涂层中(“BC”)或这两种金属表面的组合中都结合有专设的表面特征(“ESF”)。金属表面/TBC层接合面的ESF机械地锚固TBC材料，以抑制分层或至少限制对由相邻的ESF限定的边界的分层损害。优先权申请中的其他实施方式在TBC层外表面上结合有专设的槽特征(“EGF”)，以控制表面裂纹扩展。这些申请中的另外的实施方式结合有ESF和EGF两者。因此，当金属材料在发动机运行期间变热(形成表面氧化物)并且膨胀时，尽管层间附着降低，但更少膨胀的TBC材料与金属机械地互锁。回到CMC/TBC热膨胀失配和通常的层间附着挑战，相对层的膨胀与超合金/TBC部件所经历的相反。TBC材料往往比位于TBC材料下方的CMC材料膨胀更多。随着TBC变热，其趋于失去与CMC表面的附着并且与CMC表面分层。许多CMC材料在固化的陶瓷芯和CMC材料所嵌入的陶瓷纤维中已经包含有氧化物，这对CMC/TBC接合面处的层间附着有不利的影响。在SiC-SiC复合材料的情况下，热障涂层可以与位于热障涂层下方的硅基基体反应形成比基体或涂层更脆的新化合物。因此，将TBC应用在部件的CMC表面上而不随后在发动机运行期间分层是困难的。根据预制件中嵌入的陶瓷纤维的局部宏观粗糙度以及将预制件嵌入到固化的陶瓷芯中的陶瓷材料的浸润特性，TBC涂层的附着通常比TBC涂层在金属的基质上的附着差。TBC/CMC的附着在陶瓷基底的嵌入纤维被定向成平行于部件表面的情况下是特别差的。TBC层的厚度被限制至下述厚度：尽管TBC具有较高的热膨胀率，但所述厚度的TBC仍能保持与CMC表面结合。换句话说，TBC层厚度在已经相对受限的TBC/CMC材料附着能力界限内被保持在使TBC/CMC热膨胀分层加速的阈值以下。不幸的是，限制TBC层的厚度不利地限制了TBC的隔热性能。通常，较厚的TBC层会比较薄的TBC层向位于TBC层下方的CMC基底/层提供更多的隔热保护。
技术实现思路
文中描述示例性实施方式通过利用嵌入在CMC陶瓷基底内的不同区域中的分级纤维或分级图案的织物而提高TBC在燃气涡轮发动机中的CMC部件上的保持。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于燃气涡轮发动机的陶瓷基复合材料(“CMC”)部件，所述陶瓷基复合材料(“CMC”)部件包括：纤维增强陶瓷基底，所述纤维增强陶瓷基底具有：用于增强所述部件的结构强度的内纤维层，以及在所述内纤维层的外部的外纤维层，在所述外纤维层中限定有空隙；以及热喷涂的、或者汽相沉积的、或者溶液/悬浮液等离子体喷涂的热障涂层(“TBC”)，所述热障涂层包括TBC内表面和TBC外表面，所述TBC内表面被应用在所述外纤维层上并且被联接至所述外纤维层，从而填充所述外纤维层之间的所述空隙，所述TBC外表面用于暴露于燃烧气体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.17 US PCT/US2016/0182241.一种用于燃气涡轮发动机的陶瓷基复合材料(“CMC”)部件，所述陶瓷基复合材料(“CMC”)部件包括：纤维增强陶瓷基底，所述纤维增强陶瓷基底具有：用于增强所述部件的结构强度的内纤维层，以及在所述内纤维层的外部的外纤维层，在所述外纤维层中限定有空隙；以及热喷涂的、或者汽相沉积的、或者溶液/悬浮液等离子体喷涂的热障涂层(“TBC”)，所述热障涂层包括TBC内表面和TBC外表面，所述TBC内表面被应用在所述外纤维层上并且被联接至所述外纤维层，从而填充所述外纤维层之间的所述空隙，所述TBC外表面用于暴露于燃烧气体。2.根据权利要求1所述的发动机部件，所述外纤维层限定下述带纹理表面轮廓以增大与所述TBC内表面的接触表面面积，所述带纹理表面轮廓具有比所述外纤维层中的任何的单个纤维或纤维束的直径大的高度变化。3.根据权利要求2所述的发动机部件，还包括远离由所述外纤维层限定的图案的外表面而向外突出的纤维股，以增大与所述TBC内表面的接触表面面积。4.根据权利要求2所述的发动机部件，还包括远离由所述外纤维层限定的图案的外表面而向外突出的纤维股环，以增大与所述TBC内表面的接触表面面积。5.根据权利要求2所述的发动机部件，所述TBC外表面具有专设槽特征(“EGF”)。6.根据权利要求1所述的发动机部件，所述TBC的厚度在0.5mm至2mm之间。7.根据权利要求2所述的发动机部件，所述外纤维层中的带纹理表面轮廓高度在0.1mm至1.5mm之间变化，其中，所述外纤维层中的空隙由各个纤维或纤维束之间的为0.1mm至8mm的间隔限定。8.根据权利要求2所述的发动机部件，还包括置于所述内纤维层与所述外纤维层之间的中间纤维层，所述中间纤维层具有下述纤维图案：所述纤维图案限定了比所述内纤维层图案的密度和横截面面积小且比所述外纤维层的图案的密度和横截面面积大的密度和横截面面积。9.根据权利要求1所述的发动机部件，还包括联接至纤维增强陶瓷基底并且被所述内纤维层所包围的金属构件。10.根据权利要求1所述的发动机部件，还包括置于所述内纤维层与所述外纤维层之间的中间纤维层，所述中间纤维层具有下述纤维图案：所述纤维图案限定了比所述内纤维层图案的密度和横截面面积小且比所述外纤维层的图案的密度和横截面面积大的密度和横截面面积。11.根据权利要求1所述的发动机部件，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉梅什·苏布拉马尼亚，克里斯蒂安·沙维尔·坎贝尔，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE