用于高溫應(yīng)用的復(fù)合渦輪葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于諸如燃氣渦輪或渦輪發(fā)動機的高溫應(yīng)用的復(fù)合渦輪葉片，其適于安裝和組裝在渦輪或發(fā)動機的轉(zhuǎn)子或盤上，以便提供不同的渦輪級，特別是在熱氣路徑中。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高燃氣渦輪發(fā)動機的效率和性能，例如，需要可在比傳統(tǒng)燃氣渦輪更高的溫度下運行的渦輪。為了滿足這些運行要求，在過去提議使用所謂的超合金(例如鎳基超合金)來制造渦輪葉片。但是，這些材料易于腐蝕，而且限于某個高溫范圍。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提出了用于用例如冷卻空氣供應(yīng)冷卻高溫渦輪葉片的不同方法。但是，隨著溫度升高，所需的冷卻空氣量增加，燃氣渦輪的整體性能和效率降低。為了進一步提高由超合金制成的渦輪葉片的耐溫能力，已經(jīng)提出了陶瓷隔熱涂層(TBC)。但是，對于這樣的具有陶瓷涂層的渦輪葉片也存在關(guān)于高溫應(yīng)用的范圍的限制，而且它們的制造相當復(fù)雜。
[0003]此外，在過去提出了用于高溫燃氣渦輪的渦輪葉片，其由陶瓷材料實現(xiàn):例如，在EP O 712 382 BI中，公開了使用共晶陶瓷纖維來制造渦輪葉片，其中，陶瓷共晶纖維用來制造陶瓷基質(zhì)復(fù)合物。
[0004]US 2003/0207155 Al也描述了由陶瓷材料制成的高溫渦輪葉片，其中，提供冷卻導(dǎo)管來在燃氣發(fā)動機在高溫范圍中運行的期間，冷卻渦輪葉片。
[0005]但是，這些已知的用于高溫應(yīng)用的渦輪葉片都有缺點，它們需要單獨的冷卻器件，諸如冷卻導(dǎo)管，或者無法實現(xiàn)所需的機械屬性，特別是抵抗這樣的渦輪葉片的一些部分或位置中的增大的負載的高強度。由陶瓷材料制成的已知渦輪葉片的另一個問題在于，它們的特征在于對異物損傷的抵抗力相當?shù)汀４送猓厦婷枋龅墓簿沾刹牧暇哂休^低的斷裂韌度，使得應(yīng)用這樣的陶瓷材料來實現(xiàn)渦輪葉片且特別是這樣的葉片的翼型件受到相當大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]考慮到這些缺點，本發(fā)明的問題是提供一種用于高溫應(yīng)用的復(fù)合渦輪葉片，其同時結(jié)合了對抗異物損傷的高抵抗力和高斷裂韌度和高耐溫能力或可運行的溫度范圍。
[0007]借助于具有權(quán)利要求1的特征的復(fù)合渦輪葉片來解決此問題。實現(xiàn)和另外的發(fā)展的有利優(yōu)選形式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合渦輪葉片具有用于安裝在轉(zhuǎn)子的對應(yīng)的組裝凹槽中的根部，以及連接到所述根部上的翼型件，其中，提供內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)，其延伸經(jīng)過所述根部的至少一部分和所述翼型件的至少一部分，而且其特征在于，所述內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)由高強度共晶陶瓷制成，并且所述翼型件由陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)材料制成。至少在葉片的根部以及連接到根部上的翼型件的一些部分中提供所述內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)。由于對內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)使用高強度共晶陶瓷，渦輪葉片具有所需的提高的機械屬性，以應(yīng)用在這樣的燃氣渦輪的高溫范圍中。
[0009]翼型件本身由不同的陶瓷材料制成，即，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物材料或所謂的CMC材料。由于此材料，形成翼型件的空氣動力學(xué)形狀，其在葉片的這個部分中提供抵抗異物損傷的高抵抗力，以及良好的耐腐蝕結(jié)構(gòu)?？垢g性可由CMC材料或施用在CMC的表面上的一個或多個涂層直接提供。此外這種CMC材料的特征在于高斷裂韌度，使得實現(xiàn)渦輪葉片的長久壽命。由于渦輪葉片的不同的元件或部分全部都由適于它們的相應(yīng)的功能和位置的不同陶瓷材料實現(xiàn)，所以渦輪葉片也特別適合高溫應(yīng)用，特別是大約或高于1500°C的溫度范圍。通過使根據(jù)本發(fā)明的不同陶瓷材料與渦輪葉片的不同元件或構(gòu)件結(jié)合，在渦輪葉片的不同位置處實現(xiàn)期望機械屬性和與溫度有關(guān)的屬性:渦輪葉片的根部區(qū)段例如必須承載整個葉片的負載，但在燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間通常暴露于較低的溫度。另一方面，這個根部區(qū)段要求組裝和拆卸在形狀方面具有小公差。因此，渦輪葉片的根部不必由耐高溫的陶瓷材料制成，諸如翼型件，但可由其它陶瓷材料和/或金屬和陶瓷材料的組合實現(xiàn)。由高強度共晶陶瓷實現(xiàn)的內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)是渦輪葉片的內(nèi)部部分，使得它不直接接觸高溫氣體，而且不遭受異物或磨損，如翼型件本身的情況那樣。
[0010]另一方面，根據(jù)本發(fā)明的翼型件由陶瓷基質(zhì)復(fù)合物材料實現(xiàn)，這保證高機械屬性以及對高達1500°C或者甚至1800°C的提高的溫度的抵抗力。由于復(fù)合陶瓷渦輪葉片的這個新設(shè)計，冷卻要求在很大程度上降低。取決于部件的機械負載和熱氣溫度，這種復(fù)合葉片不需要主動冷卻(例如通過冷卻空氣供應(yīng))是可行的。關(guān)鍵構(gòu)件的材料在高溫范圍內(nèi)具有高強度。減少冷卻空氣會導(dǎo)致總成本降低，以及提高渦輪發(fā)動機的性能和效率。
[0011]除了專用于高溫應(yīng)用之外，本發(fā)明的復(fù)合渦輪葉片在重量和抗腐蝕性方面也有優(yōu)點。與金屬材料或金屬合金相比，在同一渦輪葉片中使用不同類型的陶瓷材料還可避免關(guān)于腐蝕的問題。由于本發(fā)明的陶瓷渦輪葉片的這種復(fù)合設(shè)計，不同的陶瓷(和/或金屬)材料的組合在渦輪葉片的在完整葉片結(jié)構(gòu)中具有不同功能的不同位置處提供相應(yīng)的期望機械屬性和與溫度有關(guān)的屬性。內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的主要功能是承載負載，以及將翼型件牢固地連接和固持到渦輪葉片的根部區(qū)段上。另一方面，翼型件本身尤其適合這樣的燃氣渦輪等的運行期間的高溫和可能的異物損傷或磨損要求。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實現(xiàn)的有利形式，渦輪葉片的翼型件由纖維增強陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)材料實現(xiàn)。由于使用纖維增強CMC材料，機械強度進一步提高，而且提供高斷裂韌度。用于增強陶瓷基質(zhì)復(fù)合物材料的纖維也可為共晶陶瓷纖維或由不同材料制成的纖維，例如基于氧化物纖維(諸如Al2O3、富鋁紅柱石、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Hf02、Zr02或Y2O3)。但是，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的是使用陶瓷共晶纖維來增強翼型件的材料。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個有利方面，渦輪葉片的根部區(qū)段或根部由共晶陶瓷材料制成，具有外部金屬表面涂層。由于根部的金屬涂層，關(guān)于用于在燃氣渦輪的對應(yīng)的周向組裝凹槽內(nèi)安裝和拆卸渦輪葉片所需的形式，根部區(qū)段的形狀可具有小公差。因此對渦輪葉片的根部提供緊密完工且同時提供經(jīng)受住在葉片的運行和組裝或拆卸期間的各種類型負載的能力是可行的。盡管如此，渦輪葉片具有較輕的重量，而且由于共晶陶瓷材料的原因，尤其適合應(yīng)用在高溫范圍中。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個有利實施例，翼型件的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物材料直接在所述內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上成形為葉片的預(yù)定形態(tài)的近乎最終形狀。這表示，翼型件直接成形或鑄造在內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的共晶陶瓷材料上。從而實現(xiàn)緊密連結(jié)，而不需要單獨的連結(jié)器件。例如，在所述兩個構(gòu)件以及很可能渦輪葉片的另外的構(gòu)件固化之后，提供完工的復(fù)合渦輪葉片結(jié)構(gòu)，其僅需要對翼型件的外部形狀進行少量加工。還可行的是輕易地達到不同構(gòu)件的預(yù)先限定的制造公差，特別是由有或沒有增強纖維的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物材料制成的翼型件。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個有利實施例，渦輪葉片的內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)在其與葉片的根部區(qū)段相對的自由端處具有基本錨定形橫截面。由于在內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的自由端處的這種錨定形橫截面，在外部翼型件上的固定阻力提高。例如，翼型件的材料可直接在內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的錨定形端部上和其周圍成形。此外，所需材料量由于此特征而減少，而且渦輪葉片的總重量從而也降低。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個有利形式的實現(xiàn)，渦輪葉片的根部具有杉樹型橫截面，以接合在燃氣渦輪發(fā)動機的所述組裝凹槽的對應(yīng)的橫截面中。渦輪葉片這里可直接組裝在對應(yīng)的安裝凹槽內(nèi)，不需要額外的固持器件，諸如夾子等。由于這種形狀配合式接合，此外保證渦輪葉片牢固且長久地固持在其在燃氣渦輪內(nèi)的精確的預(yù)先限定的位置。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個有利實施例，對復(fù)合渦輪葉片提供用于將所述翼型件連結(jié)到所述內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的器件。由于用于將翼型件連結(jié)到內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的額外的器件，這些構(gòu)件之間的固持力提高。而且在燃氣渦輪的運行期間作用于翼型件上的負載高的情況下，渦輪葉片的組裝和精確定位得到保持。
[0018]作為用于將翼型件連結(jié)到內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的器件，可在外部翼型件和內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)之間的相應(yīng)的接觸位置處對本發(fā)明的渦輪葉片提供陶瓷漿料，漿料在渦輪葉片固化期間被燒結(jié)。這里，當翼型件和內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)固化時，自動形成實心陶瓷接頭。通過在相應(yīng)的接觸位置處提供陶瓷漿料，實現(xiàn)渦輪葉片的這些陶瓷構(gòu)件的長久連結(jié)。
[0019]根據(jù)這方面的另一個有利實施例，用于連結(jié)渦輪葉片的翼型件和內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的器件包括形態(tài)結(jié)構(gòu)，諸如孔和隆起，其呈在所述渦輪葉片的元件之間實現(xiàn)機械鎖定的形態(tài)。如果例如內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)設(shè)有多個孔或凹口，則鑄造在內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的翼型件的材料將填滿相應(yīng)的孔或凹口。因此，實現(xiàn)牢固的保持作用，使得渦輪葉片的不同構(gòu)件彼此牢固地固定。此外，這樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)不需要用于將翼型件連結(jié)到內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的額外的元件或構(gòu)件。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的這方面的另一個備選形式的實現(xiàn)，用于將翼型件連結(jié)到內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)上的器件包括幾個孔和銷組合。幾個孔和銷的這樣的組合在