一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环制造技术

本发明专利技术提供了一种用于涡轮外环的纤维预制体，所述纤维预制体包括上层的π形件、与所述π形件相配合的C形件和设置于下层的弧形件。本发明专利技术所提供的用于涡轮外环的纤维预制体的工艺成型性号，简单便捷，适用于二维纤维布和单向带预浸料等多种原材料形式，没有三维编织的复杂成型工艺，适合大批量生产应用，质量稳定性一致，制造成本低，周期短。周期短。周期短。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环


[0001]本专利技术属于航空发动机领域，具体涉及一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环。

技术介绍

[0002]随着先进航空发动机推重比的提高，尾喷管、燃烧室和涡轮等热端部件对轻质、耐高温、长寿命、抗氧化的陶瓷基复合材料提出了日益迫切的需求。航空发动机的高压涡轮外环直接与高温热气接触，承受较大热应力，是发动机典型的热端静子部件。现有金属涡轮外环采用等轴铸造高温合金或定向凝固单晶高温合金，在试验过程中常出现烧蚀、变形、耐温能力不足等问题。采用陶瓷基复合材料代替高温合金制备涡轮外环，可提高零件耐温能力约300℃，解决现用金属涡轮外环局部超温和烧蚀变形现象，减少从压气机引出的冷气用量(无需使用冷气)；减轻结构重量50％～70％，还有利于控制间隙和减少燃气热量向机匣扩散，提高涡轮效率并降低发动机耗油率。
[0003]为并提高发动机性能，欧洲、美国和日本等国相继在军、民用发动机热端部件中开展陶瓷基复合材料的研究，发展了多种致密化工艺研究，主流工艺有化学气相沉积工艺(Chemical Vapor Infiltration,CVI)、先驱体浸渍裂解(Polymer Infiltration and Pyrolysis,PIP)及反应熔渗工艺(Reactive Melt Infiltration,RMI)等。完成了从材料全面性能测试、构件试验考核到发动机整机验证以及适航工作等全流程研究工作，陶瓷基复合材料涡轮外环已实现在Leap、GE9x等商用发动机上的实现批量生产应用，减轻了发动机结构重量，并降低了耗油率1.5％以上。国内也针对航空发动机用陶瓷基复合材料密封片/调节片、火焰筒、涡轮外环等热端构件开展了CVI、PIP、RMI等工艺研究和应用考核研究。
[0004]陶瓷基复合材料构件的结构及其纤维预制体具有一体化的设计特点，纤维作为复合材料的增强体，是其主要承力相，纤维预制体结构与性能极大影响着复合材料及构件的性能。陶瓷基复合材料具有很强的可设计性特征，一般纤维预制体结构分为单向带、2D和3D及组合连接结构，其中2D预制体结构最为简单，工艺可实现性好，适合成型薄壁零件，但对于成型复杂结构、厚度尺寸大的构件难度较大，并且层间强度(Z方向)较低，通过构件的外形结构设计以及预制体3D编织和组合连接等形式可提高层间强度并成型复杂构件，但又会对面内性能有所影响。
[0005]涡轮外环位于航空发动机高压涡轮转子叶片叶尖对应的涡轮机匣上，在工作时直接与高温燃气接触，并需要承受一定的机械激振力和气动负荷。涡轮外环一旦发生掉块会打伤高速旋转的涡轮叶片，造成重大故障。销钉组合连接的涡轮外环预制体结构，其层间拉伸强度(Z方向)较低，并且在振动应力作用下销钉容易产生应力集中，层板之间又无纤维承力，而出现销钉断裂、分层开裂破坏的失效模式，不满足发动机工程应用要求。陶瓷基复合材料涡轮外环急需一种层间强度高、振动可靠性高及工艺可实现性好的纤维预制体以满足发动机工程应用要求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环，用于提高涡轮外环的层间强度，解决现有分体预制体易出现分层开裂破坏及3D编织工艺复杂的问题，提升陶瓷基复合材料涡轮外环的工艺可实现性，满足航空发动机涡轮外环的结构强度设计和使用要求。
[0007]本专利技术的目的在于，提供一种纤维预制体，所述纤维预制体包括上层的π形件、与所述π形件相配合的C形件和设置于下层的弧形件。
[0008]本专利技术所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述π形件、所述C形件和所述弧形件为单向带纤维预浸料所制得。
[0009]本专利技术所提供的用于涡轮外环的纤维预制体，还具有这样的特征，所述单向带纤维预浸料的铺层包括从0
°
、
±
45
°
、90
°
中选择的一种或多种铺层角度。
[0010]本专利技术所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述π形件、所述C形件和所述弧形件为二维经纬布所制得。
[0011]本专利技术所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述二维经纬布之间通过纤维进行缝合。
[0012]本专利技术所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述π形件与所述C形件的数量比为1：2～2：1。
[0013]本专利技术所提供的纤维预制体，还具有这样的特征，所述纤维包括氧化铝纤维或碳化硅纤维。
[0014]本专利技术的另一目的在于提供一种陶瓷基复合材料涡轮外环，所述涡轮外环为由上述任一项所述的陶瓷基复合材料纤维预制体经CVI、PIP、RMI致密化工艺制成的陶瓷基复合材料涡轮外环。
[0015]本专利技术所提供的陶瓷基复合材料涡轮外环，还具有这样的特征，所述涡轮外环呈倒置的π型，涡轮外环的下底板一边设有凹陷，另一边设有与所述凹陷相配合的凸起。
[0016]本专利技术所提供的陶瓷基复合材料涡轮外环，还具有这样的特征，所述涡轮外环的下底板表面设有沟槽和盲孔。
[0017]本专利技术所提供的陶瓷基复合材料涡轮外环，还具有这样的特征，所述盲孔为柱形或圆形，直径≤Ф1.5mm，孔深0.2～0.5mm。
[0018]本专利技术所提供的陶瓷基复合材料涡轮外环，还具有这样的特征，所述沟槽为15
°
、30
°
、45
°
等不同角度直线。
[0019]与现有技术相比，具有如下的有益效果
[0020]1、本专利技术所提供的用于涡轮外环的纤维预制体的工艺成型性号，简单便捷，适用于二维纤维布和单向带预浸料等多种原材料形式，没有三维编织的复杂成型工艺，适合大批量生产应用，质量稳定性一致，制造成本低，周期短。
[0021]2、本专利技术所提供的涡轮外环由整体纤维预制体制成，作为一个整体结构，使得涡轮外环层间方向有纤维承力，提高了构件在层间的强度和构件的可靠性，解决了现有分体预制体因层间强度不足而出现分层开裂的问题，而且该涡轮外环为陶瓷基复合材料涡轮外环，薄壁结构既能满足发动机的强度、装配、封严等工况要求，又能适应于陶瓷基复合材料致密化成型及加工，满足发动机强度设计和使用要求。
附图说明
[0022]图1为陶瓷基复合材料涡轮外环预制体结构示意图；
[0023]图2为陶瓷基复合材料涡轮外环纤维预制体缝合示意图；
[0024]图3为陶瓷基复合材料涡轮外环结构示意图；
[0025]图4为陶瓷基复合材料涡轮外环封严结构示意图；
[0026]图5为陶瓷基复合材料涡轮外环下底板盲孔示意图；
[0027]图6为陶瓷基复合材料涡轮外环下底板沟槽示意图；
[0028]图7为陶瓷基复合材料涡轮外环下底板可磨耗涂层示意图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本专利技术所提供的纤维预制体以及陶瓷基复合材料涡轮外环作具体阐述。
[0030]在本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维预制体，其特征在于，所述纤维预制体包括上层的π形件、与所述π形件相配合的C形件和设置于下层的弧形件。2.根据权利要求1所述的纤维预制体，其特征在于，所述π形件、所述C形件和所述弧形件为单向带纤维预浸料所制得。3.根据权利要求2所述的用于涡轮外环的纤维预制体，其特征在于，所述单向带纤维预浸料的铺层包括从0
°
、
±
45
°
、90
°
中选择的一种或多种铺层角度。4.根据权利要求1所述的纤维预制体，其特征在于，所述π形件、所述C形件和所述弧形件为二维经纬布所制得。5.根据权利要求4所述的纤维预制体，其特征在于，所述二维经纬布之间通过纤维进行缝合。6.根据权利要求1所述的纤维预制体，其特征在于，所述π形件与所述C形件的数量比为1：2～2：1。7.根据权利要求1所述的纤维预制体，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓杨芳，陈易诚，查海勇，余剑，王标，韦林，何爱杰，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：