包括冷却通道的陶瓷基复合物部件及其生产方法与流程

包括冷却通道的陶瓷基复合物部件及其生产方法
1.本技术是2020年12月18日所提出的申请号为202011509001.0、发明名称为“包括冷却通道的陶瓷基复合物部件及其生产方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明总体上涉及用于发电的燃气涡轮，并且更具体地涉及形成用于燃气涡轮的热气路径涡轮部件的陶瓷基复合物部件的方法。


背景技术：

3.已经提出了基于碳化硅(sic)的陶瓷基复合物(cmc)材料作为燃气涡轮发动机的某些部件的材料，燃气涡轮发动机的某些部件例如涡轮叶片，轮叶，喷嘴，护罩和斗(bucket)。已知用于制造基于sic的部件的多种方法，包括silicomp，熔体渗透(mi)，化学气相渗透(cvi)，聚合物膨胀热解(pip)和氧化物/氧化物方法。尽管这些制造技术彼此之间存在显著差异，但是每种制造技术都涉及使用手工铺层和加工工具或模具，以通过包括在各个方法阶段施加热量的方法来制造近净成形的零件。
4.与由更常规的超合金材料形成的涡轮叶片和轮叶一样，cmc叶片，轮叶和护罩主要配备有腔和冷却空隙以减轻重量，减少离心负荷并降低部件的操作温度。这些特征通常使用可去除和消耗性工具，钻孔等的组合在cmc部件中形成。内部冷却通道有利于冷却金属和cmc热气路径硬件，因为它们降低了冷却流量要求和热梯度/应力。
5.在许多情况下，cmc燃气涡轮部件以极端热梯度和高温的形式经受极端条件。即使如前所述在cmc部件中包含腔和冷却空隙，极端条件也会驱动cmc部件中的裂纹形成，涂层剥落和衰退。由于这些问题导致的使用寿命降低，阻止了cmc部件实现其全部潜能。
6.因此，需要一种陶瓷基复合物部件和一种生产陶瓷基复合物部件的方法，其当经受极端条件(例如极端的热梯度和高温)时，为cmc燃气涡轮部件提供改进的冷却。


技术实现要素：

7.本公开的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本公开而获知。
8.大体提供一种陶瓷基复合物(cmc)部件，以及形成陶瓷基复合物部件的方法。在一个实施例中，陶瓷基复合物部件包括：多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，多个纵向延伸的陶瓷基复合物层以堆叠构造形成致密体；一个或多个细长的功能特征，一个或多个的细长功能特征形成在致密体中，并与多个纵向延伸的陶瓷基复合物层对齐；以及一个或多个孔，一个或多个孔从一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近陶瓷基复合物部件的外表面的出口。一个或多个细长的功能特征中的每一个都包括与来自流体源的冷却流体流流体连通的入口。
9.在另一个实施例中，一种陶瓷基复合物部件包括：多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，多个纵向延伸的陶瓷基复合物层以堆叠结构形成致密体；一个或多个的细长功能特征，
一个或多个的细长功能特征形成在致密体中；和一个或多个孔，一个或多个孔从一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近陶瓷基复合物的外表面的出口，以形成至少一个冷却通道。一个或多个细长的功能特征中的每一个包括与来自流体源的冷却流体流流体连通的入口。一个或多个的细长功能特征中的至少一个构造成将来自流体源的流体流保持在细长的功能特征中，以形成隔离通道。
10.在又一个实施例中，一种形成陶瓷基复合物产品的方法包括：形成包括基质前体，多个增强纤维和多个牺牲纤维的cmc预成型件；执行以下操作中的一个：去除多个牺牲纤维，使得在cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个的细长功能特征；或将流体渗透剂应用于cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化；执行以下操作中的另一个：去除多个牺牲纤维，使得在cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个细长的功能特征；或将流体渗透剂应用于cmc预成型件，从而使cmc预成型件致密化；以及形成一个或多个孔，一个或多个孔从一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近陶瓷基复合物部件的外表面的出口，以将来自流体源的流体流提供至陶瓷基复合物部件的外部，并形成一个或多个冷却通道。
11.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
附图说明
12.在说明书中提出了针对本领域的普通技术人员的包括其最佳模式的完整且可行的公开，其中参照附图，其中：
13.图1是根据本文公开的一个或多个实施例的陶瓷基部件(cmc)，更具体地，cmc喷嘴的立体图；
14.图2是根据本文公开的一个或多个实施例的图1的陶瓷基复合物(cmc)部件沿图1的方向2-2截取的截面图；
15.图3是根据本文公开的一个或多个实施例的陶瓷基部件(cmc)，更具体地，cmc叶片的另一实施例的立体图；
16.图4是根据本文公开的一个或多个实施例的图1的陶瓷基复合物(cmc)部件的一部分沿图1的方向4-4截取的示意性截面图；
17.图5是根据本文公开的一个或多个实施例的图1的陶瓷基复合物(cmc)部件的一部分沿图1的方向5-5截取的示意性截面图；
18.图6是根据本文公开的一个或多个实施例的图3的陶瓷基复合物(cmc)部件的一部分的示意图，以隐藏线示出了一个或多个功能特征；和
19.图7示意性地示出了根据本文公开的一个或多个实施例的用于形成cmc部件的方法。
20.只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记表示相同的部分。
具体实施方式
21.例如，与未能包括本文公开的一个或多个特征的概念相比，本公开的实施例使得
能够在cmc翼型件部件中形成一个或多个冷却通道，其中，该通道被构造为与一个或多个cmc层对准。包含与一个或多个cmc层对准的冷却通道提供了部件结构完整性的维持。cmc翼型件部件还包括一个或多个隔离通道或一个或多个膜冷却孔。根据本公开的方法具有降低的复杂性和低成本，并且具有降低零件的冷却需求和流速的能力的更有效的冷却。
22.当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”，“一种”，“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列元件之外，可能还有其他元件。现在将详细参考本公开的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。通过说明本公开而不是限制本公开来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对本公开进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本公开旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。
23.在本公开中，当将层描述为在另一层或基板“上”或上方时，应当理解，这些层可以彼此直接接触或者在层之间具有另一层或特征，除非有相反的明确说明。因此，这些术语只是简单地描述了层彼此之间的相对位置，并且不一定表示“在...顶部”，因为上方或下方的相对位置取决于装置相对于观看者的取向。
24.在本公开中，化学元素使用其常见化学缩写来讨论，例如在元素周期表中常见的。例如，氢将以其常见的化学缩写h表示；氦将以其常见的化学缩写he表示；等等。
25.如本文所用，“平均粒径”或“平均纤维直径”是指颗粒或纤维的直径，使得约50％的颗粒或纤维的直径大于该直径，并且约50％的颗粒或纤维的直径小于该直径。
26.如本文所用，“基本上”是指所描述的组的至少约90％或更多。例如，如本文所用，“基本上所有”表示相应组的至少约90％或更多具有适用的性状，并且“基本上没有”或“基本上不存在”表示相应组的至少约90％或更多不具有适用的性状。如本文所用，“大多数”是指所描述的组的至少约50％或更多。例如，如本文所用，“大多数的”表示相应组的至少约50％或更多具有适用的性状。
27.本文大体提供陶瓷基复合物产品(“cmc产品”)，特别是由熔体渗透形成的陶瓷基复合物产品，以及形成这种产品的方法。cmc产品由多个铺层构成，包括与多个铺层对准地形成的一个或多个细长功能特征，以及与多个铺层对准地形成的一个或多个隔离通道或一个或多个膜冷却孔，共同增强了cmc部件的功能。
28.用于发电的系统包括但不限于燃气涡轮，蒸汽涡轮以及用于发电的其他涡轮组件，例如陆基航空衍生物。在某些应用中，其中包括涡轮机械(例如，涡轮，压缩机和泵)和其他机械的发电系统可以包括暴露于严重磨损条件下的部件。例如，某些发电系统部件，例如叶片，斗，壳体，转子轮，轴，护罩，喷嘴等，可以在高温和/或高转速的环境中操作。这些部件使用陶瓷基复合物制造，并且这些部件还可以包括冷却通路和隔离通路。本公开提供了一种包括一个或多个冷却通路或通道的cmc部件，以及一种形成陶瓷基复合物(cmc)部件的方法。本公开的示例性实施例在图1-6中被示出为涡轮翼型件，并且更具体地为喷嘴或涡轮叶片，但是本公开不限于所示出的结构。
29.现在参考图1和2，图1示出了部件10的立体图，该部件10例如但不限于包括涡轮翼型件14的涡轮喷嘴段12。图2中示出了沿图1的线2-2截取的喷嘴段12的侧视截面图。尽管图
1和图2示出了涡轮喷嘴段12，但是根据本公开，其他合适的部件包括但不限于燃烧器衬里，叶片，喷嘴端壁/带，叶片平台，护罩或其他热气路径部件。部件10优选地由陶瓷基复合物(cmc)材料形成。
30.如本文所用，陶瓷基复合物或“cmc”是指包含通过陶瓷纤维增强的陶瓷基质的复合物。可用于本文的cmc的一些实例可包括但不限于具有基质和增强纤维的材料，增强纤维包括氧化物，碳化物，氮化物，碳氧化物，氮氧化物及其混合物。非氧化物材料的实例包括但不限于具有碳化硅基质和碳化硅纤维(当通过硅熔体渗透制造时，该基质将包含残留的游离硅)的cmc；碳化硅/硅基质混合物和碳化硅纤维；氮化硅基质和碳化硅纤维；以及碳化硅/氮化硅基质混合物和碳化硅纤维。此外，cmc可以具有基质和由氧化物陶瓷组成的增强纤维。具体地，氧化物-氧化物cmc可以由基质和增强纤维组成，增强纤维包含基于氧化物的材料，例如氧化铝(al2o3)，二氧化硅(sio2)，铝硅酸盐及其混合物。因此，如本文所用，术语“陶瓷基复合物”包括但不限于碳纤维增强的碳(c/c)，碳纤维增强的碳化硅(c/sic)和碳化硅纤维增强的碳化硅(sic/sic)。在一个实施例中，与(非增强的)整体陶瓷结构相比，陶瓷基复合物材料具有增加的伸长率，断裂韧性，热冲击和各向异性。
31.有几种可用于制造sic-sic cmc的方法。在一种方法中，通过将硅或含合金硅熔体渗透(mi)到cmc预成型件中，来部分地形成或致密化基质。在另一种方法中，通过碳化硅向cmc预成型件的化学气相渗透(cvi)来至少部分地形成基质。在第三种方法中，通过热解碳化硅产生的预陶瓷聚合物来至少部分地形成基质。这种方法通常称为聚合物渗透和热解(pip)。也可以使用以上三种技术的组合。
32.在mi cmc过程的一个示例中，基于氮化硼的涂层系统沉积在sic纤维上。然后将涂覆的纤维用基质前体材料浸渍，以形成预浸带。制造带的一种方法是细丝缠绕。通过基质前体淤浆的浴将纤维拉出，并将浸渍的纤维缠绕在鼓上。基质前体可包含碳化硅和/或碳颗粒以及有机材料。然后将浸渍过的纤维沿着鼓的轴线切割，并从鼓上去除，以产生平坦的预浸带，其中使纤维名义上在相同的方向上延伸。所得材料为单向预浸带。预浸带也可以使用连续的预浸机或通过其他方式来制造。然后可以将带切成一定形状，铺设并层压，以制成预成型件。将预成型件热解或烧掉，以使基质前体中的任何有机材料焦化并产生孔隙。熔融硅然后渗透到多孔预成型件中，在这里它可以与碳反应形成碳化硅。理想地，过量的游离硅填充任何剩余的孔隙，并获得致密的复合物。以这种方式生产的基质通常包含残留的游离硅。
33.预浸mi过程通过将多个一维预浸层堆叠在一起而产生具有二维纤维架构的材料，其中纤维的取向在层之间变化。通常基于连续纤维的取向来识别层。建立零度取向，并根据其纤维相对于零度方向的角度设计其他层。纤维垂直于零方向延伸的层称为90度层，交叉层或横向层。
34.mi方法也可以与二维或三维编织架构一起使用。这种方法的示例是浆料浇铸过程，其中首先将纤维编织成三维预成型件或二维布。如果是布，则将布的层切割成一定形状并堆叠起来以形成预成型件。化学气相渗透(cvi)技术用于将界面涂层(通常是氮化硼基或碳基)沉积到纤维上。cvi也可用于沉积碳化硅基质层。基质的剩余部分通过将基质前体浆料浇铸到预成型件中，然后浸入熔融硅中来形成。
35.mi方法的替代方案是使用cvi技术在一维，二维或三维架构中致密化碳化硅基质。同样，pip可用于致密化复合物的基质。可以生产cvi和pip生成的基质而没有过多的游离
硅。mi，cvi和pip的组合也可以用于使基质致密化。
36.部件10，尤其是喷嘴段12，包括多个周向间隔开的翼型件形空心轮叶，其中仅示出了一个，并在本文中称为翼型件14，多个周向间隔开的翼型件形空心轮叶被支撑在弓形的，分段的外带22和内带23(仅示出每个中的一个)22，外带22和内带23在此也称为端壁。翼型件14，外带22和内带23布置成多个周向邻接的喷嘴段12，它们共同形成完整的360
°
组件。
37.应当注意，喷嘴段12的构造仅用作示例，并且本发明的原理可应用于任何涡轮翼型件。如图所示，图1示出了单个喷嘴段12，其包括单个翼型件14，热排气16的流抵靠该单个翼型件14被引导。翼型件14包括宽度方向间隔开的翼型件压力侧18和吸力侧20，其在相对的喷嘴端壁或带22和23之间在高度方向或翼展方向上并向外延伸。本文所示的示例性翼型件压力侧18和吸力侧20可以分别是凹形的和凸形的。翼型件14包括在翼型件14的前后端28、30处或附近的在长度方向或弦向方向上间隔开的翼型件前缘24和后缘26。在翼型件横截面的翼型件前缘24和翼型件后缘26之间限定了弦c(未示出)。
38.图2是沿图1的方向2-2截取的部件10的截面图，示出了目前描述的一个或多个功能特征40，更具体地，形成在部件10中的一个或多个冷却通道42。示出了多个陶瓷基复合物(cmc)层44(为清楚起见仅示出了几个)。多个功能特征40与陶瓷基复合物层44(目前描述的)对准地延伸。每个功能特征40经由过入口(目前描述的)与冷却流体源流体连通(目前描述的)，并经由出口46(图1)与部件10外部流体连通。在替代实施例中，多个功能特征40中的至少一个可以与限定在翼型件14内的气室32流体连通。
39.现在参考图3，示出了本文描述的cmc部件的替代实施例。再次注意，在所有附图中将使用相同的附图标记表示相同的部分。在图3的实施例中，示出了部件50，例如但不限于包括翼型件14的涡轮转子段52。尽管图3显示了涡轮转子段52，如前所述，根据本公开的其他合适的部件包括但不限于燃烧器衬里，叶片，喷嘴端壁/带，叶片平台，护罩或其他热气路径部件。类似于图1和2的部件10，部件50优选地由陶瓷基复合物(cmc)材料形成。
40.在图3的实施例中，cmc部件50包括翼型件14，热排气16的流抵靠翼型件14被引导。翼型件14从尖端53延伸到燕尾榫54。部件50通过燕尾榫54安装至涡轮盘(未示出)，燕尾榫54从翼型件14向下延伸并且接合涡轮盘上的狭槽。平台56从翼型件14结合到燕尾榫54的区域横向向外延伸。部件50包括沿翼型件14的内部延伸的至少一个气室32。在发电系统的操作期间，冷却空气流(未示出)被引导通过气室32以降低翼型件14的温度。
41.部件10，更具体地说是翼型件14，包括沿宽度方向间隔开的翼型件压力侧18和吸力侧20，其从翼型件平台56沿着翼型件跨度58沿高度方向或翼展方向并向外延伸到翼型件尖端53。类似于图1和图2的翼型件14，在该特定实施例中示出的翼型件压力侧18和吸力侧20可以分别是凹形的和凸形的。翼型件14包括分别在翼型件14的前端28和后端30处或附近沿长度方向或弦向方向间隔开的翼型件前缘24和后缘26。在此应当注意，翼型件14的与进入的气体16接触的第一边缘在本文中被称为前缘24，并且当热排气16流过翼型件14时接触热排气16的第二边缘被称为后缘26。弦c(未示出)被限定为翼型件14的横截面的翼型件前缘24和后缘26之间的线。
42.与先前的实施例类似，部件50包括一个或多个功能特征(未示出)，并且更具体地，包括在部件50中形成的一个或多个冷却通道。部件50包括多个陶瓷基复合物(cmc)层44，其中多个功能特征40与陶瓷基复合物层44对准地延伸。每个功能特征经由入口(目前描述的)
与限定在翼型件14内的气室32流体连通(目前描述的)，并经由出口46与部件50的外部流体连通。在替代实施例中，多个功能特征40中的至少一个可以与替代的冷却流体源流体连通。
43.现在参考图4，示出了通过图1中的线4-4截取的部件10的一部分的示意性截面图，示出了多个cmc层44。在该公开的实施例中，多个cmc层44中的一个或多个具有在其中形成的一个或多个功能特征40(在图4中仅示出了一个)。在实施例中，功能特征40是细长通道，其用作冷却歧管60，以使冷却流体流62(在此也称为流体流62)从中通过。
44.在铺设多个cmc层44和制造功能特征40(目前描述的)的过程中，形成每个功能特征40的入口48。多个功能特征40中的每一个均从相应的入口48延伸穿过cmc层44，并且与cmc层44对准。入口48提供冷却流体流62的输入。
45.在铺设多个cmc层44和制造功能特征40之后，例如通过以基本切割层构造穿过多个cmc层44而钻出孔47，以便切穿多个cmc层44并将功能特征40流体地联接到陶瓷基复合物部件10的外部，从而将每个功能特征40的出口46形成为靠近陶瓷基复合物部件10的外表面11。入口48，功能特征40，孔47和出口46限定了穿过cmc层44的冷却通道42，该冷却通道42足以允许冷却流体流62从中流过。
46.另外，并且可选地，例如通过钻穿多个cmc层44，以便切穿层44并提供部件表面的额外冷却，来形成一个或多个膜冷却通孔70(仅示出了其中一个)。一个或多个膜冷却通孔70中的每一个从在陶瓷基复合物部件10的内表面13处齐平设置的入口72延伸到在陶瓷基复合物部件10的外表面11处齐平设置的出口74。来自压缩机的一部分加压空气被引导通过一个或多个膜冷却通孔70，作为附加的冷却流体流64穿过入口72进入，并在出口74处离开。多个膜冷却通孔70中的每个形成穿过多个cmc层44的开口，该开口的尺寸足以允许附加的冷却流体流64从中流过。在实施例中，多个膜冷却通孔70可以与功能特征40交错，功能特征40形成具有较热空气的冷却通道42，以减轻由膜冷却通孔70引起的冷点。另外，形成冷却通道42的功能特征40的尺寸可以足以供给多个出口46(目前描述的)。通过小心地布置冷却通道出口46和多个膜冷却通孔70的位置，可以使表面膜温度更均匀。更具体地，由多个膜冷却通孔70(较短路径)供给的较冷的膜冷却可以构造在由多个冷却通道42供给的较热的膜冷却的下游，从而产生更均匀的整体膜温度。
47.在所示的实施例中，功能特征40和多个膜冷却通孔70中的每个向冷却流体流源敞开并与冷却流体流源流体连通，并且到部件10的外部。与已知的现有技术相反，通过在多个cmc层44之间形成多个功能特征40，更具体地，多个冷却通道42，cmc层44和所得部件10的整体强度不会减弱，并且与传统的冷却特征相比，允许更好地控制局部冷却速率。另外，具有比传统的膜冷却孔(例如多个膜冷却通孔70)更长的流路的相对较小的冷却通道(例如冷却通道42)，利用了冷却流体流62中更多的可用热容量，从而减少流动。使冷却流体流62从冷却源穿过翼型件14的经历最大的热梯度感应应力的区域，以及本文所公开的多个功能特征40的放置有助于平衡表面温度并提供新颖的梯度/压力缓解的方法。
48.在图4的实施例中，陶瓷基复合物层44，功能特征40，冷却通道32，入口48，出口46和膜冷却通孔70的布置是示意性的，并且为了说明目的而进行了放大。cmc层和空隙的大小和几何形状不限于图4所示的那些。
49.现在参考图5，示出了沿图1中的线5-5截取的部件10的另一部分的示意性截面图，示出了多个cmc层44。在该公开的实施例中，多个cmc层44中的一个或多个具有在其中形成
的一个或多个功能特征40(在图5中示出了两个)。在实施例中，一个或多个功能特征40被构造为细长通道。更具体地，在所示的实施例中，一个或多个功能特征40包括冷却通道42和隔离通道80，冷却通道4用作冷却歧管60以使冷却流体流62从中通过，隔离通道80不与热气路径16流体连通。
50.类似于图4的实施例，在铺设多个cmc层44和制造功能特征40(目前描述的)的过程中，形成每个功能特征44的入口48。多个功能特征40中的每一个均从相应的入口48延伸穿过cmc层44，并且与cmc层44对准。入口48提供冷却流体流62的输入。
51.在铺设多个cmc层44和制造功能特征40之后，例如，通过以基本切割层构造穿过多个cmc层44而钻出孔47，以便切穿多个cmc层44，从而形成用作冷却通道42的每一个功能特征40的出口46，并且经由出口46将功能特征40流体地联接到陶瓷基复合物部件10的外部。类似于图4的实施例，入口48，功能特征40，孔47和出口46限定了穿过cmc层44的冷却通道42，该冷却通道足以允许冷却流体流62从中流过。用作隔离通道80的功能特征40不包括出口，因此不提供冷却流体62从中通过到部件10的外部的通路。
52.在实施例中，隔离通道80可以形成在不同的层44中，从而提供对冷却通道42中的冷却流体流62的热吸收的管理。隔离通道80，在本文中也称为“死”通道，也可以减轻ebc剥落/损坏。更具体地，在非常靠近热气路径16的地方构造隔离通道80将在发生剥落的情况下使它们迅速暴露。然后，新的路径将可用于冷却流体流62，从而降低温度并延长损坏的翼型件14的寿命，直到可以更换为止。
53.在该实施例中，多个功能特征40中的一个或多个从冷却流体源延伸穿过cmc层44，并与cmc层44对准，到达出口46，并形成穿过cmc层44的冷却通道42，冷却通道42足以允许冷却流体流62从中流过。另外，多个功能特征40中的一个或多个从冷却流体源延伸穿过cmc层44，并且与cmc层44对准，并且不包括出口的形成，并且形成隔离通道80。类似于先前的实施例，可选地，例如通过钻穿多个cmc层44，以便切穿层44并提供翼型件表面的充分冷却，可以可选地形成一个或多个膜冷却通孔70(仅示出了一个)。一个或多个膜冷却通孔70中的每一个从在陶瓷基复合物部件10的内表面13处齐平设置的入口72延伸到在陶瓷基复合物部件10的外表面11处齐平设置的出口74。来自压缩机的一部分加压空气被引导通过一个或多个膜冷却通孔70，作为附加的冷却流体流64穿过入口72进入，并在出口74处离开。多个膜冷却通孔70中的每个形成穿过多个cmc层44的开口，该开口的尺寸足以允许附加的冷却流体流64从中流过。在实施例中，多个膜冷却通孔70可以与形成冷却通道42的功能特征40以及具有较热空气的隔离通道80交错，以减轻由膜冷却通孔70引起的冷点。如在先前的实施例中一样，形成冷却通道42的功能特征40的尺寸可以足以在需要时供给多个出口46。
54.在图5的实施例中，陶瓷基复合物层44，功能特征40，冷却通道42，出口46，入口48，隔离通道80，膜冷却通孔70以及相应的入口72和出口74是示意性的，并且为了说明目的已被放大。cmc层和空隙的大小和几何形状不限于图5所示的那些。
55.现在参考图6，示出了图3的翼型件14的一部分，示出了一个或多个功能特征40的替代布局，并且更具体地，示出了冷却通道42。如图所示，功能特征40可以构造成具有连接到平台56(图3)的一个或多个匝(turn)或带，例如喷嘴段12的外带22(图1)和/或内带23(图1)。可以通过在层44中放置弯曲或成角度的狭槽、在多层中形成功能特征或钻出开口以与预先形成的通道相交，而形成这样构造的功能特征40。在多层中形成功能特征40提供了冷
却通道42，以覆盖来自平台56和/或带22、23中有限的表面进入的更多的热区域。在t.dyson等人与此同时提交的美国专利申请的代理人案卷号为328243-1，题为“包括多层中的冷却通道的陶瓷基复合物部件及其制造方法”的申请中讨论了多层中的功能特征的制造，并且将其整体并入本文。
56.另外，如图6所示，形成冷却通道42的功能特征40的尺寸可以足以供给多个出口46，从而充当冷却歧管60。更具体地，具有单个入口48的每个冷却通道42可以流体地联接到多个出口46。
57.在图6的实施例中，功能特征40，冷却通道42，出口46，入口48和膜冷却通孔70的布置是示意性的，并且出于说明目的已被放大。cmc层和空隙的大小和几何形状不限于图6所示的那些。
58.图7示意性地示出了根据本公开的形成cmc部件10、50的方法100，该cmc部件10、50具有限定在其中的一个或多个细长的功能特征40，并且更具体地，形成在cmc部件的层中的一个或多个冷却通道42。部件10、50是使用铺层技术形成的。方法100包括在步骤102中初始形成包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和多个牺牲纤维的cmc预成型件。形成cmc预成型件包括初始提供多个陶瓷基复合物层44，例如形成为叠层堆的一系列层44。层44的材料的示例包括但不限于预浸复合物层，包括例如编织碳纤维，粘合剂材料和涂覆的sic纤维，如前所述。
59.如先前所描述，形成cmc预成型件的方法，更具体地为步骤102，包括用于例如通过使用多个牺牲纤维来限定层44内的一个或多个细长的功能特征的手段。牺牲纤维使得能够形成用于增强cmc的功能的一个或多个细长的功能特征40，例如cmc预成型件中的一个或多个冷却通道42和/或多个隔离通道80。在d.hall等人共同转让的题为“使用牺牲纤维形成陶瓷基复合物的方法和相关产品”的美国专利第10,384,981号(在此以其整体并入本文)以及d.dunn等人与此同时提交的美国专利申请代理人案卷号为328251-1的题为“使用牺牲纤维和非润湿涂层形成陶瓷基复合物的方法”的申请(在此以其整体并入本文)中讨论了使用牺牲纤维来制造细长的功能特征。在cmc预成型件中限定的一个或多个细长的功能特征40的几何形状包括任何合适的几何形状，包括圆形，弧形，椭圆形，直线或其他合适的几何形状。
60.附加的层44被设置成包围牺牲纤维。将预成型件部件放入高压釜中，并完成高压釜循环，以形成包括基质前体，多个陶瓷增强纤维和多个牺牲纤维的cmc预成型件。预成型件部件要经受工业上用于陶瓷复合物材料的典型高压釜压力和温度循环。高压灭菌法去除层中残留的任何挥发物，并且高压灭菌条件可根据层材料而变化。高压灭菌后，执行烧尽法以去除预成型件部件中的任何残留材料或其他粘合剂。烧尽法通常在大约426-648℃(大约800-1200
°
f)的温度下进行。
61.烧尽后，在步骤104中，将预成型件部件放入真空炉中进行致密化。使用任何已知的致密化技术进行致密化，包括但不限于silicomp，熔体渗透(mi)，化学气相渗透(cvi)，聚合物膨胀热解(pip)和氧化物/氧化物方法。致密化可以在具有稳定的气氛的真空炉中在高于1200℃的温度下进行，以允许硅或其他渗透材料熔体渗透到预成型部件中。一种合适的致密化方法是熔体渗透，其中将熔融的基质材料吸入层44中并使其固化。在致密化之后，如步骤104所示，致密化的预成型件部件或致密体包括设置在其中的多个牺牲纤维，并形成部件10、50的至少一部分。
62.在致密化之后，在步骤106中，通过去除牺牲纤维以留下一个或多个细长通道，进一步形成一个或多个细长的功能特征40。在上面引用的共同转让的美国专利第10,384,981号和美国专利申请代理人案卷号328251-1中讨论了去除牺牲纤维以形成细长的通道。
63.在替代实施例中，如步骤104中所述，通过在致密化之前去除多个牺牲纤维来进一步形成一个或多个细长的功能特征40。
64.在实施例中，一个或多个细长的功能特征40中的每一个的内部中空部分足够大并且在部件10、50中敞开，使得冷却剂或其他流体可以被引导通过其中以提供冷却，并且可选地与组件10、50隔离。在实施例中，在牺牲纤维的铺设期间，以形成用于输入冷却流体的入口48的方式铺设一个或多个纤维。形成在陶瓷基复合层44处的致密化基质材料形成与入口形成相对的阻塞，该阻塞基本上防止了冷却剂或其他流体的流动，并且更具体地，在与部件10，15内部的入口48相对的端部处形成了一个或多个细长的功能特征40作为闭合结构。在实施例中，在步骤108中，将开口加工或以其他方式形成在部件10、50中，以向一个或多个细长的功能特征40提供出口46，以允许流过其中并形成冷却通道42。在实施例中，在步骤112中，阻塞保持在适当位置以形成一个或多个隔离通道80。在可选步骤110中，在cmc部件10、50中形成一个或多个膜冷却通孔70，以向翼型件的表面提供冷却流体流的附加流，并提供附加冷却。
65.因此，公开了一种包括其中形成一个或多个功能特征的cmc预成型件的cmc部件。通过形成如本文所述的一个或多个功能特征，在cmc层中形成冷却通道网络或冷却回路，同时限制任何给定层的强度降低，并允许冷却通道改变取向而无需切割cmc纤维。另外，通过形成本文所述的一个或多个功能特征，可以在cmc层中形成隔离通道的网络。如前所述，冷却回路的设计通过在cmc预成型件中散布冷却通道，为衰退提供了更大的耐用性，并降低了热应力。另外，冷却通道的结合提供了更均匀的温度分布。可能需要附加的膜冷却通孔以充分冷却表面。一个或多个功能特征在铺层期间形成在cmc部件中，并与相应层中的cmc纤维对准。在最简单的实施例中，一个或多个功能特征在多个层中的相应层中与纤维对准，纤维以交替定向的层布置。在更复杂的布置中，一个或多个功能特征可以形成复杂的网络，由此功能特征被构造为具有一个或多个匝以连接到相应的平台或带，和/或被构造为提供流体地联接到多个出口的单个功能特征。
66.尽管已经参考一个或多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于作为预期用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
67.本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
68.1.一种陶瓷基复合物部件，包括：多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层以堆叠结构形成致密体；一个或多个细长的功能特征，所述一个或多个细长的功能特征形成在所述致密体中，并与所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层对准，其中所述一个或多个细长的功能特征中的每一个包括与来自流体源的冷却流体流流体连通的入口；和一个或多个孔，所述一个或多个孔从所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近所述陶瓷基复合物部件的外表
面的出口。
69.2.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，进一步包括一个或多个膜冷却通孔，所述一个或多个膜冷却通孔从所述陶瓷基复合物部件的内表面切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近所述陶瓷基复合物部件的所述外表面的出口。
70.3.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个被构造为将来自流体源的冷却流体流保持在所述细长的功能特征中，以形成隔离通道。
71.4.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述一个或多个细长的功能特征被构造在所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层中的多个层中。
72.5.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述一个或多个孔经由激光钻孔、放电加工、切割或机械加工所述陶瓷基复合物材料中的一种或多种而形成。
73.6.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述一个或多个膜冷却通孔经由激光钻孔、放电加工，切割或机械加工所述陶瓷基复合物材料中的一种或多种而形成。
74.7.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，在铺设所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层的过程中形成所述一个或多个细长的功能特征。
75.8.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述陶瓷基复合物部件是热气路径涡轮部件。
76.9.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述热气路径涡轮部件选自由燃烧器衬里、叶片、护罩、喷嘴、喷嘴端壁和叶片平台组成的组。
77.10.一种陶瓷基复合物部件，包括：多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层以堆叠结构形成致密体；一个或多个细长的功能特征，所述一个或多个细长的功能特征形成在所述致密体中，其中所述一个或多个细长的功能特征中的每一个包括与来自流体源的冷却流体流流体连通的入口；和一个或多个孔，所述一个或多个孔从所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近所述陶瓷基复合物的外表面的出口，以形成至少一个冷却通道，其中所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个构造成将来自所述流体源的流体流保持在所述细长的功能特征中，以形成隔离通道。
78.11.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，进一步包括一个或多个膜冷却通孔，所述一个或多个膜冷却通孔从所述陶瓷基复合物部件的内表面切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近所述陶瓷基复合物部件的所述外表面的出口。
79.12.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述一个或多个孔经由激光钻孔、放电加工、切割或机械加工所述陶瓷基复合物材料中的一种或多种而形成。
80.13.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，在铺设所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层的过程中形成所述一个或多个功能特征。
81.14.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述陶瓷基复合物部件是热气路径涡轮部件。
82.15.根据任何在前条项的陶瓷基复合物部件，其中，所述热气路径涡轮部件选自燃烧室衬里、叶片、护罩、喷嘴、喷嘴端壁和叶片平台组成的组。
83.16.一种形成陶瓷基复合物(cmc)产品的方法，包括：形成cmc预成型件，所述cmc预
成型件包括基质前体，多个增强纤维和多个牺牲纤维；执行以下操作中的一个：去除所述多个牺牲纤维，使得在所述cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个细长的功能特征；或将流体渗透剂应用于所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化，并且限定多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，执行以下操作中的另一个：去除所述多个牺牲纤维，使得在所述cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个细长的功能特征；或将流体渗透剂应用于所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化，并且限定多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，以及形成一个或多个孔，所述一个或多个孔从所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近所述陶瓷基复合物部件的外表面的出口，以将来自所述流体源的流体流提供至所述陶瓷基复合物部件的外部，并形成一个或多个冷却通道。
84.17.根据任何在前条项的方法，其中，所述一个或多个细长的功能特征中的至少一个被构造为将来自所述流体源的所述流体流保持在所述细长的功能特征中，以形成隔离通道。
85.18.根据任何在前条项的方法，进一步包括形成一个或多个膜冷却通孔，所述一个或多个膜冷却通孔从所述陶瓷基复合物部件的所述内表面附近的入口切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至所述陶瓷基复合物部件的所述外表面附近的出口。
86.19.根据任何在前条项的方法，其中，所述陶瓷基复合物部件是热气路径涡轮部件。
87.20.根据任何在前条项的方法，其中，所述热气路径涡轮部件选自由衬里、叶片、护罩、喷嘴、燃烧器、喷嘴端壁和叶片平台组成的组。

技术特征：
1.一种陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，包括：多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)，所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)以堆叠结构形成致密体；一个或多个细长的功能特征(40)，所述一个或多个细长的功能特征(40)形成在所述致密体中，并与所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)对准，其中所述一个或多个细长的功能特征(40)中的每一个包括与来自流体源的冷却流体流(62)流体连通的入口(48)；和一个或多个孔(47)，所述一个或多个孔(47)从所述一个或多个细长的功能特征(40)中的至少一个切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)，至邻近所述陶瓷基复合物部件(10、50)的外表面(11)的出口(46)，其中，所述一个或多个细长的功能特征(40)中的至少一个被构造为将来自所述流体源的所述冷却流体流(62)保持在所述细长的功能特征(40)中，以形成至少一个隔离通道(80)。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，其中，所述至少一个隔离通道(80)不包括邻近所述陶瓷基复合物部件(10、50)的所述外表面(11)的出口(46)。3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，其中，所述一个或多个细长的功能特征(40)中的每一个在由所述陶瓷基复合物部件(10、50)限定的长度方向上延伸。4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，其中，所述一个或多个细长的功能特征(40)被构造在所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)中的多个层(44)中。5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，其中，在铺设所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)的过程中形成所述一个或多个细长的功能特征(40)。6.根据权利要求1所述的陶瓷基复合物部件(10、50)，其特征在于，其中，所述陶瓷基复合物部件(10、50)是用于燃气涡轮发动机的热气路径涡轮部件，所述燃气涡轮发动机限定热气路径流(16)，其中，所述隔离通道(80)与所述热气路径流(16)不流体连通。7.一种形成陶瓷基复合物(cmc)部件(10、50)的方法(100)，其特征在于，包括：(102)形成cmc预成型件，所述cmc预成型件包括基质前体，多个增强纤维和多个牺牲纤维；执行以下操作中的一个：(106)去除所述多个牺牲纤维，使得在所述cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个细长的功能特征(40)；或(104)将流体渗透剂应用于所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化，并且限定多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，执行以下操作中的另一个：(106)去除所述多个牺牲纤维，使得在所述cmc预成型件中形成与冷却流体流的源流体连通的一个或多个细长的功能特征；或(104)将流体渗透剂应用于所述cmc预成型件，从而使所述cmc预成型件致密化，并且限定多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，以及(108)形成一个或多个孔(47)，所述一个或多个孔(47)从所述一个或多个细长的功能
特征中(40)的至少一个切穿所述多个纵向延伸的陶瓷基复合物层(44)，至邻近所述陶瓷基复合物部件(10、50)的外表面(11)的出口(46)，以将来自所述冷却流体流的所述源的流体流(62)提供至所述陶瓷基复合物部件(10、50)的外部，并形成一个或多个冷却通道(42)，其中，所述一个或多个细长的功能特征(40)中的至少一个被构造为将来自冷却流体流的所述源的所述流体流(62)保持在所述细长的功能特征(42)中，以形成至少一个隔离通道(80)。8.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，其中，所述至少一个隔离通道(80)不包括邻近所述陶瓷基复合物部件(10、50)的所述外表面(11)的出口(46)。9.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，其中，所述一个或多个细长的功能特征(40)中的每一个在由所述陶瓷基复合物部件(10、50)限定的长度方向上延伸。10.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，其中，所述陶瓷基复合物部件(10、50)是用于燃气涡轮发动机的热气路径涡轮部件，所述燃气涡轮发动机限定热气路径流(16)，其中，所述隔离通道(80)与所述热气路径流(16)不流体连通。

技术总结
一种陶瓷基复合物(CMC)部件和制造方法，包含CMC部件中的一个或多个细长的功能特征。CMC部件包括以堆叠构造的多个纵向延伸的陶瓷基复合物层。一个或多个细长的功能特征中的每一个都包括与冷却流体流源流体连通的入口。CMC部件还包括一个或多个孔，一个或多个孔从一个或多个细长的功能特征中的至少一个切穿多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近陶瓷基复合物的外表面的出口，以形成冷却通道。部件可以可选地包括一个或多个膜冷却通孔，一个或多个膜冷却通孔从陶瓷基复合物部件的内表面切穿多个纵向延伸的陶瓷基复合物层，至邻近陶瓷基复合物部件的外表面的出口。瓷基复合物部件的外表面的出口。瓷基复合物部件的外表面的出口。


技术研发人员：托马斯
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2020.12.18
技术公布日：2023/9/12