[发明专利]具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片、模具及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片、模具及制备方法，通过在涡轮转子叶片纤维预制体定型时引入具有一定强度且易于清除的型材，通过后续的陶瓷基体致密化工艺，将型材原位消除，以在叶片预定部位原位形成冷却槽道。本方法一方面规避了冷却槽道的机械加工难度，及其可能造成的加工损伤；另一方面实现了转子叶片内部任意截面、任意路径的冷却槽道的成型，大大改善了叶片的冷却效果。

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机制造技术领域，涉及一种具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片、模具及制备方法。

背景技术

在航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机结构中，涡轮系统的作用是将高温燃气中的部分热能和势能转换成机械功，驱动压气机和附件工作。涡轮是燃气涡轮发动机中热负荷和动力负荷最大的系统，其特点是输出功率大、使用温度高、重量要求轻、结构尺寸小。涡轮系统中的主要热端构件包括导向叶片、涡轮外环、涡轮盘、转子叶片等。涡轮转子叶片是涡轮发动机内将燃料内能转化为动能核心部件，其作为流道件直接面对燃气冲击、高温氧化等恶劣环境。随着航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机的发展，其服役环境变得愈加苛刻。

发动机涡轮转子叶片常用的高温合金材料存在耐温性不高于1100℃、重量大等问题；而能够耐较高温度的碳纤维增强碳基体复合材料又存在高温易氧化的缺点。陶瓷基复合材料密度仅为高温合金的1/3～1/4、耐热温度比高温合金高150～350℃、耐酸碱腐蚀、强韧性高；同时，陶瓷基复合材料在高温燃气环境中反应所生成的氧化物保护膜能够封堵材料表面的裂纹和孔隙，阻止外界氧向材料内部扩散，从而保证构件的高温稳定性和长时使用寿命。因此，陶瓷基复合材料已被国内外公认为是新一代航空发动机热防护构件的首选材料之一。

目前，先进航空发动机的涡轮前燃气温度可高达1800℃以上，已显著超出当前常用的高温合金材料的耐温极限；即使采用世界公认具有潜力的陶瓷基复合材料作为转子叶片的主体材料，在恶劣的使用条件下仍需采取冷却手段来保证其结构工作在适宜的温度环境中。在诸多冷却手段中，在叶片内部设置贯通于叶尖和榫头的气流冷却槽道，是获得有效冷却效果的主要技术途径之一。

然而，在采用陶瓷基复合材料作为涡轮转子叶片的主体材料时，无法通过机械加工等常规手段实现极大深径比、复杂通道截面、弯曲路径的冷却槽道，导致陶瓷基复合材料涡轮转子叶片在实际使用时存在超温失效风险。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片、模具及制备方法，通过在涡轮转子叶片纤维预制体定型时引入具有一定强度且易于清除的型材，通过后续的陶瓷基体致密化工艺，将型材原位消除，以在叶片预定部位原位形成冷却槽道。本方法一方面规避了冷却槽道的机械加工难度，及其可能造成的加工损伤；另一方面实现了转子叶片内部任意截面、任意路径的冷却槽道的成型，大大改善了叶片的冷却效果。

技术方案

一种具有内部冷却槽道的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，其特征在于采用陶瓷基复合材料一体成型，结构包括叶身2和其下端的榫头3；所述叶身2的叶背侧4与叶盆侧5之间设有多条冷却用槽道1，所述槽道1自叶身2顶部贯通至榫头3底部。

所述槽道1的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形或长方形。

所述陶瓷基复合材料是碳纤维和碳化硅纤维中的一种或多种。

所述碳纤维和碳化硅纤维中基体是碳化硅、氮化硅和碳化硼中的一种或多种。