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陶瓷基復(fù)合構(gòu)件及其制造方法

文檔序號(hào):5141327閱讀:131來源:國知局
陶瓷基復(fù)合構(gòu)件及其制造方法
【專利摘要】一種作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片(1)而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,具有構(gòu)成葉片部(2)和燕尾部(6)的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部(4)的從屬部分。構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物(13)中的主纖維由連續(xù)纖維組成。主纖維的拉伸方向與施加應(yīng)力的方向平行。構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物(13)和構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物(15)連接而形成三軸纖維織物(11)。相對(duì)于構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物(13),將構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物(15)以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成有陶瓷基質(zhì)。
【專利說明】陶瓷基復(fù)合構(gòu)件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合構(gòu)件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等具有在其使用時(shí)施加了離心力等向著一定方向的強(qiáng)的應(yīng)力的部件。對(duì)于這樣的部件,除了耐熱性以外,還要求特別高的強(qiáng)度,因而,通常使用金屬材料來制造。圖7 (a)是一般的航空器用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的概略立體圖。圖7 (b)是將圖7 (a)所示的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的一部分放大了的概略圖。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子葉片向著葉片部的長度方向(向徑)施加了強(qiáng)離心力。因此,渦輪轉(zhuǎn)子葉片通常由Ni基合金等制造。此外,如圖7(b)所示,渦輪轉(zhuǎn)子葉片100具備葉片部102、向相對(duì)于其主面的垂直方向上伸展的平臺(tái)部104、以及配置于葉片部102的一個(gè)端部的燕尾部106。這樣的渦輪轉(zhuǎn)子葉片100具有比較復(fù)雜的形狀。但通過使用Ni基合金等金屬材料進(jìn)行澆鑄,可以比較容易地制造。
[0003]陶瓷基復(fù)合構(gòu)件(ceramic matrix composite member)是使用包含陶瓷纖維和陶瓷基質(zhì)的陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites, CMC)而形成的。近年來,期待該陶瓷基復(fù)合構(gòu)件在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的應(yīng)用。陶瓷基復(fù)合構(gòu)件輕量且耐熱性優(yōu)異,因此,如果能夠作為噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的部件進(jìn)行利用,就可以期待發(fā)動(dòng)機(jī)的重量的減輕和燃料消耗率的降低。
[0004]專利文獻(xiàn)I?3提出應(yīng)用了陶瓷基復(fù)合材料的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用部件、其制造方法。具體而言,這些專利文獻(xiàn)記載了包含陶瓷基復(fù)合構(gòu)件的渦輪轉(zhuǎn)子葉片。在該渦輪轉(zhuǎn)子葉片中,葉片部通過基質(zhì)、釬焊材料(口 一材)等粘接在平臺(tái)部。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:美國專利第7510379號(hào)說明書
[0008]專利文獻(xiàn)2:美國專利第7094021號(hào)說明書
[0009]專利文獻(xiàn)3:美國專利第4650399號(hào)說明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明所要解決的課題
[0011]在以往的使用了陶瓷基復(fù)合構(gòu)件的渦輪轉(zhuǎn)子葉片中,存在渦輪轉(zhuǎn)子葉片不能耐受向著一定方向的強(qiáng)的應(yīng)力(離心力等)而損壞的情況。尤其容易從各構(gòu)件間的粘接部損壞。
[0012]本發(fā)明以解決這樣的課題為目的。即,本發(fā)明以提供下述陶瓷基復(fù)合構(gòu)件為目的:即使作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用,也可耐受向著一定方向的強(qiáng)的應(yīng)力(離心力等),難以損壞。
[0013]用于解決課題的方法
[0014]本發(fā)明的第I方式的要點(diǎn)在于一種作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物和構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物連接而形成三軸纖維織物,相對(duì)于構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
[0015]本發(fā)明的第2方式的要點(diǎn)在于一種作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行,在將構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物與構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物縫合連接后,相對(duì)于構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
[0016]發(fā)明效果
[0017]根據(jù)本發(fā)明,可以提供一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,即使作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用,也可耐受向著一定方向的強(qiáng)的應(yīng)力(離心力等),難以損壞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1 (a)是本發(fā)明的第I和第2實(shí)施方式涉及的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的概略立體圖,圖1 (b)是表示構(gòu)成渦輪轉(zhuǎn)子葉片的陶瓷纖維織物的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的概略立體圖。
[0019]圖2 (a)和圖2 (b)表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式涉及的三軸纖維織物,圖2 (a)是其概略側(cè)視圖,圖2 (b)是圖2 (a)中的A — A線剖視圖。
[0020]圖3 (a)和圖3 (b)是用于對(duì)使本發(fā)明的第I實(shí)施方式涉及的三軸纖維織物變形進(jìn)行說明的概略立體圖。
[0021]圖4 Ca)是本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的主體部分的纖維織物的概略側(cè)視圖,圖
4(b)是圖4 (a)中的B— B線剖視圖,圖4 (c)是2片平臺(tái)部的概略主視圖。
[0022]圖5 (a)是本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的主體部分的纖維織物的概略側(cè)視圖,圖
5(b)是圖5 (a)中的C — C線剖視圖。
[0023]圖6 (a)和圖6 (b)是用于對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的纖維織物的變形進(jìn)行說明的概略立體圖。
[0024]圖7 Ca)是一般的航空器用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的概略立體圖,圖7 (b)是將該渦輪轉(zhuǎn)子葉片的一部分放大了的概略圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明是基于下述見解而得到的發(fā)明。陶瓷基復(fù)合構(gòu)件具有構(gòu)成其主體部分的陶瓷纖維織物。該陶瓷纖維織物的主纖維在規(guī)定的方向上拉伸(為了便于說明,將該方向稱為拉伸方向)。在將陶瓷基復(fù)合構(gòu)件作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的情況下,在陶瓷基復(fù)合構(gòu)件上施加了伴隨旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力等應(yīng)力。發(fā)現(xiàn),此時(shí)如果主纖維的拉伸方向與應(yīng)力的方向平行,則即使在該應(yīng)力強(qiáng)時(shí),陶瓷基復(fù)合構(gòu)件也難以破損。此外,在使構(gòu)成作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件的多個(gè)部分各自成型、在形成基質(zhì)后將它們粘接的情況下,各部分間的粘接強(qiáng)度變低,容易以該粘接部為起點(diǎn)被損壞。但是發(fā)現(xiàn),如果將各部分成型為一體、在成為一體的成型體中形成基質(zhì),則各部分的纖維間的粘結(jié)變得牢固,作為整體的強(qiáng)度也增強(qiáng),陶瓷基復(fù)合構(gòu)件難以破損。
[0026]以下,對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。本實(shí)施方式是作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件。圖1 (a)是本實(shí)施方式涉及的渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的概略立體圖。圖1(b)是表示構(gòu)成渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的陶瓷纖維織物的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的概略立體圖。如圖1 (a)所示,渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的外形可以與通常的渦輪轉(zhuǎn)子葉片(例如圖7所示的葉片)同樣。
[0027]渦輪轉(zhuǎn)子葉片I具有構(gòu)成主體部分的葉片部2和燕尾部6、以及構(gòu)成相對(duì)于主體部分為從屬部分的平臺(tái)部4。平臺(tái)部4向著相對(duì)于葉片部2的主面的垂直方向拉伸。燕尾部6配置于葉片部2的2個(gè)端部中的一方。如圖1 (a)所示,燕尾部6配置于例如渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的接近旋轉(zhuǎn)中心的端部。在這種情況下,如圖1 (a)所示,燕尾部6嵌于盤部8中。在使用渦輪轉(zhuǎn)子葉片I時(shí),盤部8旋轉(zhuǎn)。由于該旋轉(zhuǎn),在渦輪轉(zhuǎn)子葉片I上向著葉片部2的長度方向(向徑)上施加了強(qiáng)離心力。
[0028]如圖1 (b)所示,構(gòu)成渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的陶瓷纖維織物具備三維結(jié)構(gòu)。三維結(jié)構(gòu)的纖維織物通過例如將數(shù)百?數(shù)千根左右陶瓷纖維捆成纖維束后,將該纖維束在XYZ方向上進(jìn)行編織而得到。具體而言,例如通過重疊多層將纖維束在X方向和垂直于其的Y方向上配置而成的層,在其厚度方向(Z方向)上用其他纖維束進(jìn)行縫合,可以獲得三維結(jié)構(gòu)的纖維織物。這里,本實(shí)施方式涉及的陶瓷纖維織物可以是不具備三維結(jié)構(gòu)的織物,也可以是部分具備三維結(jié)構(gòu)的織物。
[0029]構(gòu)成上述主體部分(即葉片部2和燕尾部6)的陶瓷纖維織物具有主纖維。在本實(shí)施方式中,該主纖維的拉伸方向與施加離心力的方向大體平行。這里,陶瓷纖維織物中的主纖維是指構(gòu)成纖維織物的纖維中在特定方向上拉伸的纖維群。此外,例如在陶瓷纖維織物具備三維結(jié)構(gòu)的情況下,特定方向是指X方向、Y方向或Z方向。因而,在這種情況下,X方向的纖維束、Y方向的纖維束、Z方向的纖維束中在任一方向上拉伸的纖維束群均為主纖維。如上所述,如果渦輪轉(zhuǎn)子葉片上施加的離心力的方向與主纖維的方向(X方向、Y方向或Z方向)大體平行,則即使施加了強(qiáng)離心力,渦輪轉(zhuǎn)子葉片也難以破損。
[0030]此外,構(gòu)成主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維可以由連續(xù)纖維形成。即,主纖維從主體部分的一端至另一端之間沒有斷裂。在這種情況下,主纖維可以是僅由一根連續(xù)的纖維形成的單絲,也可以是捆有多根一根連續(xù)的纖維的復(fù)絲。如果主纖維在與離心力大體平行的方向上拉伸并且由連續(xù)纖維形成,則即使施加了強(qiáng)離心力,主纖維也難以破損。因此,其結(jié)果是主體部分作為整體也難以損壞,變得可以耐用。
[0031]本發(fā)明的第I實(shí)施方式是一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,其為作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物和構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物連接而形成三軸纖維織物,相對(duì)于構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
[0032]此外,本發(fā)明的第2實(shí)施方式是一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,其為作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分,構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行,在將構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物與構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物縫合連接后,相對(duì)于構(gòu)成前述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成前述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
[0033]關(guān)于第I實(shí)施方式,使用圖2、圖3進(jìn)行說明。圖2 (a)和(b)是表示構(gòu)成葉片部和燕尾部(主體部分)的陶瓷纖維織物13與成為平臺(tái)部(從屬部分)的陶瓷纖維織物15連接的三軸纖維織物11的圖,圖2 Ca)是概略側(cè)視圖,圖2 (b)是圖2 (a)中A — A線剖視圖。
[0034]在第I實(shí)施方式中,在得到三軸纖維織物11后,如圖3 (a)所示,相對(duì)于構(gòu)成葉片部2 (參照?qǐng)D1)和燕尾部6 (參照?qǐng)D1)的陶瓷纖維織物13,將構(gòu)成平臺(tái)部4 (參照?qǐng)D1)的陶瓷纖維織物15以成為所期望的角度(渦輪轉(zhuǎn)子葉片的情況下為大致90度)的方式進(jìn)行彎曲,從而得到圖3 (b)所示形態(tài)的纖維織物。之后,將構(gòu)成平臺(tái)部4的2塊纖維織物15重疊的部分151使用其他纖維束縫合。通過該縫合,可以使陶瓷纖維織物的強(qiáng)度更高。
[0035]這里,三軸纖維織物11例如可以通過以往公知的方法進(jìn)行制造。例如可以通過在將數(shù)百~數(shù)千根左右陶瓷纖維捆成纖維束后,將該纖維束在XYZ方向上進(jìn)行編織而獲得所期望的形狀的織物。
[0036]此外,陶瓷纖維的材質(zhì)、粗細(xì)等不受特別限定。例如可以使用由SiC、C、Si3N4,A1203、BN等形成的陶瓷纖維。此外,陶瓷纖維的粗細(xì)與以往公知的陶瓷纖維相同也可以,例如可以為數(shù)μπι~數(shù)十μL?左右。
[0037]得到圖3 (b)所示那樣的形態(tài)的纖維織物后,將得到的纖維織物在模具(未圖示)中組裝并成型為一體。模具具有與所期望的成型體的形狀對(duì)應(yīng)的內(nèi)部形狀,并分割為適當(dāng)?shù)膫€(gè)數(shù)(例如6)。纖維織物沿著模具而變形,同時(shí)被組裝。因此,可以在模具的內(nèi)部使纖維織物成型為一體。之后,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)。陶瓷基質(zhì)的形成可以列舉利用氣體的化學(xué)反應(yīng)的方法、利用固體粉末的燒結(jié)的方法等。例如,在模具的內(nèi)部將成為一體的成型體在腔室中暴露于原料氣體中,通過化學(xué)反應(yīng)使基質(zhì)在成型體的表面析出?;蛘?,將成為一體的成型體在漿狀的原料粉末固體中含浸,進(jìn)行燒結(jié)。還可以使用其他方法。
[0038]下面關(guān)于第2實(shí)施方式,使用圖4、圖5、圖6進(jìn)行說明。
[0039]圖4 (a)、(b)和(c)是表示成為葉片部和燕尾部(主體部分)的纖維織物23與成為平臺(tái)部(從屬部分)的纖維織物25的圖,圖4 Ca)是概略側(cè)視圖,圖4 (b)是圖4 Ca)中的B— B線剖視圖,圖4 (c)是2片平臺(tái)部的概略主視圖。
[0040]在第2實(shí)施方式中,在得到圖4所示那樣的纖維織物23和纖維織物25后,通過將它們縫合連接,得到圖5所示形態(tài)的纖維織物21。圖5 (a)是縫合而得到的纖維織物21的概略側(cè)視圖,圖5 (b)是圖5 (a)中的C 一 C線剖視圖。如圖5 (b)所示,在圖5所示形態(tài)中,將纖維織物23和纖維織物25在燕尾部附近縫合連接。
[0041]然后,下面,如圖6 (a)所示,相對(duì)于成為葉片部和燕尾部的纖維織物23,將成為平臺(tái)部的纖維織物25以成為所期望的角度(渦輪轉(zhuǎn)子葉片的情況下為大致90度)的方式進(jìn)行彎曲,從而得到圖6 (b)所示形態(tài)的纖維織物。
[0042] 在得到圖6 (b)所示形態(tài)后,優(yōu)選將2個(gè)成為平臺(tái)部的纖維織物25重疊的部分251使用其他纖維束縫合。這是由于得到的本發(fā)明的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的強(qiáng)度更高。[0043]這里,纖維織物23和纖維織物25的制造方法不受特別限定,例如可以通過以往公知的方法進(jìn)行制造。例如可以在將數(shù)百?數(shù)千根左右陶瓷纖維捆成纖維束后,將該纖維束在XYZ方向上進(jìn)行編織而獲得所期望的形狀的織物。
[0044]此外,陶瓷纖維的材質(zhì)、粗細(xì)等不受特別限定。例如可以使用由SiC、C、Si3N4,A1203、BN等形成的陶瓷纖維。此外,陶瓷纖維的粗細(xì)與以往公知的陶瓷纖維相同也可以,例如可以為數(shù)Pm?數(shù)十μπι左右。
[0045]如上所述進(jìn)行操作,得到圖6 (b)所示那樣的形態(tài)的纖維織物后,將得到的纖維織物在模具中組裝并成型為一體。對(duì)于成型和之后的陶瓷基質(zhì)的形成,與第I實(shí)施方式的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件的形成過程相同。即,第2實(shí)施方式的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件也是在分割的模具中組裝并使纖維織物成型為一體,之后,通過上述方法在成型體的表面形成陶瓷基質(zhì)。
[0046]這里,本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式,還包括權(quán)利要求書的記載所示的、進(jìn)一步在與權(quán)利要求書的記載同等的含義和范圍內(nèi)的全部變更。
[0047]產(chǎn)業(yè)可利用性
[0048]本發(fā)明提供一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,即使作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用,其也可耐受向著一定方向的強(qiáng)的應(yīng)力(離心力等),難以損壞。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,其為作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件, 具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分, 構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行, 構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物與構(gòu)成所述從屬部分的陶瓷纖維織物連接而形成三軸纖維織物, 相對(duì)于構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成所述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
2.一種陶瓷基復(fù)合構(gòu)件,其為作為渦輪轉(zhuǎn)子葉片而使用的陶瓷基復(fù)合構(gòu)件, 具有構(gòu)成葉片部和燕尾部的主體部分以及構(gòu)成平臺(tái)部的從屬部分, 構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物中的主纖維為連續(xù)纖維,其方向與施加應(yīng)力的方向平行, 在將構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物與構(gòu)成所述從屬部分的陶瓷纖維織物縫合連接后,相對(duì)于構(gòu)成所述主體部分的陶瓷纖維織物,將構(gòu)成所述從屬部分的陶瓷纖維織物以成為所期望的角度的方式進(jìn)行彎曲,在模具中組裝并成型為一體,在得到的成型體中形成陶瓷基質(zhì)而成。
【文檔編號(hào)】F02C7/00GK103890348SQ201280049778
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】渡邊文章 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Ihi
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