[發明專利]一種纖維預制體以及陶瓷基復合材料渦輪外環

有效

• 申請號: 202010988304.9
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112267917B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 鄧楊芳;陳易誠;查海勇;余劍;王標;韋林;何愛杰
• 申請（專利權）人: 中國航發四川燃氣渦輪研究院
• 主分類號: F01D25/00
• 分類號: F01D25/00;F01D9/04;F01D25/30
• 代理公司: 北京清大紫荊知識產權代理有限公司 11718
• 代理人: 張卓

本發明提供了一種用于渦輪外環的纖維預制體，所述纖維預制體包括上層的π形件、與所述π形件相配合的C形件和設置于下層的弧形件。本發明所提供的用于渦輪外環的纖維預制體的工藝成型性號，簡單便捷，適用于二維纖維布和單向帶預浸料等多種原材料形式，沒有三維編織的復雜成型工藝，適合大批量生產應用，質量穩定性一致，制造成本低，周期短。

技術領域

本發明屬于航空發動機領域，具體涉及一種纖維預制體以及陶瓷基復合材料渦輪外環。

背景技術

隨著先進航空發動機推重比的提高，尾噴管、燃燒室和渦輪等熱端部件對輕質、耐高溫、長壽命、抗氧化的陶瓷基復合材料提出了日益迫切的需求。航空發動機的高壓渦輪外環直接與高溫熱氣接觸，承受較大熱應力，是發動機典型的熱端靜子部件?，F有金屬渦輪外環采用等軸鑄造高溫合金或定向凝固單晶高溫合金，在試驗過程中常出現燒蝕、變形、耐溫能力不足等問題。采用陶瓷基復合材料代替高溫合金制備渦輪外環，可提高零件耐溫能力約300℃，解決現用金屬渦輪外環局部超溫和燒蝕變形現象，減少從壓氣機引出的冷氣用量（無需使用冷氣）；減輕結構重量50%~70%，還有利于控制間隙和減少燃氣熱量向機匣擴散，提高渦輪效率并降低發動機耗油率。

為并提高發動機性能，歐洲、美國和日本等國相繼在軍、民用發動機熱端部件中開展陶瓷基復合材料的研究，發展了多種致密化工藝研究，主流工藝有化學氣相沉積工藝（Chemical Vapor Infiltration, CVI）、先驅體浸漬裂解（Polymer Infiltration andPyrolysis, PIP）及反應熔滲工藝（Reactive Melt Infiltration, RMI）等。完成了從材料全面性能測試、構件試驗考核到發動機整機驗證以及適航工作等全流程研究工作，陶瓷基復合材料渦輪外環已實現在Leap、GE9x等商用發動機上的實現批量生產應用，減輕了發動機結構重量，并降低了耗油率1.5%以上。國內也針對航空發動機用陶瓷基復合材料密封片/調節片、火焰筒、渦輪外環等熱端構件開展了CVI、PIP、RMI等工藝研究和應用考核研究。

陶瓷基復合材料構件的結構及其纖維預制體具有一體化的設計特點，纖維作為復合材料的增強體，是其主要承力相，纖維預制體結構與性能極大影響著復合材料及構件的性能。陶瓷基復合材料具有很強的可設計性特征，一般纖維預制體結構分為單向帶、2D和3D及組合連接結構，其中2D預制體結構最為簡單，工藝可實現性好，適合成型薄壁零件，但對于成型復雜結構、厚度尺寸大的構件難度較大，并且層間強度（Z方向）較低，通過構件的外形結構設計以及預制體3D編織和組合連接等形式可提高層間強度并成型復雜構件，但又會對面內性能有所影響。

渦輪外環位于航空發動機高壓渦輪轉子葉片葉尖對應的渦輪機匣上，在工作時直接與高溫燃氣接觸，并需要承受一定的機械激振力和氣動負荷。渦輪外環一旦發生掉塊會打傷高速旋轉的渦輪葉片，造成重大故障。銷釘組合連接的渦輪外環預制體結構，其層間拉伸強度（Z方向）較低，并且在振動應力作用下銷釘容易產生應力集中，層板之間又無纖維承力，而出現銷釘斷裂、分層開裂破壞的失效模式，不滿足發動機工程應用要求。陶瓷基復合材料渦輪外環急需一種層間強度高、振動可靠性高及工藝可實現性好的纖維預制體以滿足發動機工程應用要求。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種纖維預制體以及陶瓷基復合材料渦輪外環，用于提高渦輪外環的層間強度，解決現有分體預制體易出現分層開裂破壞及3D編織工藝復雜的問題，提升陶瓷基復合材料渦輪外環的工藝可實現性，滿足航空發動機渦輪外環的結構強度設計和使用要求。

本發明的目的在于，提供一種纖維預制體，所述纖維預制體包括上層的π形件、與所述π形件相配合的C形件和設置于下層的弧形件。

本發明所提供的纖維預制體，還具有這樣的特征，所述π形件、所述C形件和所述弧形件為單向帶纖維預浸料所制得。

本發明所提供的用于渦輪外環的纖維預制體，還具有這樣的特征，所述單向帶纖維預浸料的鋪層包括從0°、±45°、90°中選擇的一種鋪層角度。