一种基于金属包边的CMC叶片榫头的制作方法

一种基于金属包边的cmc叶片榫头
技术领域
1.本发明涉及涡轮叶片技术领域，公开了一种基于金属包边的cmc叶片榫头。


背景技术：

2.随着航空发动机向大推重比、轻量化的方向发展，轻质耐高温的陶瓷基复合材料近些年在航空领域的应用比重不断增加，且由非受力构件和次要受力结构中的应用，发展成越来越多地应用在主要受力构件中。cmc陶瓷基复合材料最高使用温度可达到1600℃，并应用于燃烧室、外环、涡轮转子叶片和涡轮导向叶片等部件，极大的降低了燃油消耗、提升了运行里程，ge9x发动机涡轮转子叶片的应用是复合材料在航空转动部件的首次应用，并成为先进航空发动机复合材料的应用方向；9500083b2应用金属层降低cmc部件与金属部件之间的摩擦系数，主要用于降低cmc转子叶片榫头与金属材料轮盘榫槽之间的摩擦磨损。但此专利未考虑到cmc陶瓷基复合材料应用于高性能发动机涡轮转子叶片榫头的承载能力是否满足服役要求，且限位叶片与金属层的卡箍会给发动机装配设计带来较大困难。cmc涡轮叶片工作环境恶劣，较大的载荷下工作时还承受燃气腐蚀、叶片榫齿与高温合金材料轮盘的摩擦磨损、微动疲劳等损伤，极大降低了cmc叶片服役寿命。
3.目前世界上先进发动机涡轮转子叶片榫头温度高于1000k，榫头工作面承受的拉伸应力超过260mpa，cmc复合材料榫齿拉伸强度及剪切强度均无法满足发动机强度及使用寿命要求。因此在cmc陶瓷基复合材料涡轮叶片结构强度设计时除了考虑到摩擦磨损的问题，还需要考虑到其承载能力及与发动机转动部件装配问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于金属包边的cmc叶片榫头，可以有效的降低cmc叶片榫头与金属层之间的微滑移，从而解决cmc叶片榫头与金属层接触界面的摩擦磨损问题；也能提高cmc叶片强度储备，提升了涡轮叶片的服役寿命以及高转速下发动机服役可靠性。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于金属包边的cmc叶片榫头，包括可套设于cmc叶片榫头外的金属层，所述金属层包括与cmc叶片榫头工作面贴合的第一接触层，以及与cmc叶片榫头非工作面贴合的第二接触层；所述非工作面上开设有第一销钉孔，所述第二接触层上开设有与第一销钉孔配合的第二销钉孔。
7.进一步地，所述cmc叶片榫头通过插入第一销钉孔和第二销钉孔内的金属销钉固定连接，所述金属销钉采用过盈配合的方式插设于所述第一销钉孔、所述第二销钉孔内。
8.进一步地，所述cmc叶片榫头非工作面上第一销钉孔的数量根据如下方式确定：
9.根据cmc叶片服役工况计算cmc叶片工作面与非工作面载荷，根据cmc叶片工作面与非工作面载荷通过公式计算非工作面上第一销钉孔的数量；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，θ为榫头非工作面与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销
钉材料的屈服强度。
10.进一步地，所述工作面和第一接触层的接触面积通过公式确定；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，α为榫头工作面与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销钉材料的屈服强度。
11.进一步地，所述cmc叶片榫头外壁与金属层内壁之间设置有气相沉积层。
12.与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
13.本发明通过在cmc叶片榫头外包覆金属层，并在cmc叶片榫头的非工作面通过销钉插入第一销钉孔、第二销钉孔内实现金属层与cmc叶片榫头的连接固定，可以有效的降低cmc叶片榫头与金属层之间的微滑移，从而解决cmc叶片榫头与金属层接触界面的摩擦磨损问题；也能提高cmc叶片强度储备，提升了涡轮叶片的服役寿命以及高转速下发动机服役可靠性。
附图说明
14.图1为实施例中基于金属包边的cmc叶片榫头拆分结构示意图；
15.图2为实施例中金属层与cmc叶片榫头连接关系示意图；
16.图3为实施例中基于金属包边的cmc叶片榫头与轮盘榫槽安装示意图；
17.其中，1、cmc叶片榫头；2、金属层；3、工作面；4、第一接触层；5、非工作面；6、第二接触层；7、第一销钉孔；8、第二销钉孔；9、金属销钉；10、榫槽。
具体实施方式
18.下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
19.实施例
20.参见图1-图3，一种基于金属包边的cmc叶片榫头，包括可套设于cmc叶片榫头1外的金属层2，所述金属层2包括与cmc叶片榫头1工作面3贴合的第一接触层4，以及与cmc叶片榫头1非工作面5贴合的第二接触层6；所述非工作面5上开设有第一销钉孔7，所述第二接触层6上开设有与第一销钉孔7配合的第二销钉孔8。
21.在本实施例中，在轮盘上装配带有金属层2包边的cmc叶片榫头1后，金属层2工作面3外表面装配在轮盘榫槽10工作面3，金属层2非工作面5外表面装配在轮盘榫槽10工作面3。通过在cmc陶瓷基复合材料制得的叶片榫头外包覆金属层2，并在cmc叶片榫头1的非工作面5通过销钉插入第一销钉孔7、第二销钉孔8内实现金属层2与cmc叶片榫头1的连接固定为整体榫头结构，可以有效的降低cmc叶片榫头1与金属层2之间的微滑移，从而解决cmc叶片榫头1与金属层2接触界面的摩擦磨损问题；同时也能提高cmc叶片强度储备，提升了涡轮叶片的服役寿命以及高转速下发动机服役可靠性。
22.本实施例中所述cmc叶片榫头1通过插入第一销钉孔7和第二销钉孔8内的金属销钉9固定连接，所述金属销钉9采用过盈配合的方式插设于所述第一销钉孔7、所述第二销钉孔8内。根据cmc涡轮叶片工作条件，金属层2材料可以选取ni基沉淀硬化型变形高温合金
gh4738材料，考虑到变形协调连接销钉选用gh4738材料，轮盘模拟结构材料为gh4175材料。gh4738材料变形高温合金使用温度为1088k，工作温度下具有较高的屈服强度及抗疲劳性能，燃气涡轮气氛中具有较好的抗氧化和抗腐蚀性能。cmc叶片采用gh4738材料层后榫齿工作面3强度储备提高了50％以上，满足发动机强度设计要求。本实施例中选用gh4738材料金属层2厚度＞1mm以满足刚度要求；金属销钉9连接位置设计在cmc叶片榫头1非工作面5，工作时只受到热应力作用，很大程度上降低了对金属销钉9连接强度的要求，同时降低了cmc叶片榫头1非工作面5的第一销钉孔7及相应金属层2上第一销钉孔7的应力集中程度。此外，本实施例考虑到成本相对较低金属层2材料选取了工作温度较高的gh4738材料，若不计成本金属层2及金属销钉9最优选择为gh4175材料。
23.本实施例中所述cmc叶片榫头1非工作面5上第一销钉孔7的数量根据如下方式确定：
24.根据cmc叶片服役工况计算cmc叶片工作面3与非工作面5载荷，根据cmc叶片工作面3与非工作面5载荷通过公式计算非工作面5上第一销钉孔7的数量；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，θ为榫头非工作面5与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销钉9材料的屈服强度。选择金属销钉9材料的屈服强度进行金属销钉9数量的计算，可以规避选用cmc材料屈服强度进行计算时需要开设更多销钉孔的问题，确保了cmc叶片榫头1的整体强度。
25.为保证cmc叶片榫头1的工作面3与金属层2的第一接触层4之间应力满足设计要求，本实施例中的所述工作面3和第一接触层4的接触面积通过公式确定；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，α为榫头工作面3与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销钉9材料的屈服强度。
26.本实施例中所述cmc叶片榫头1外壁与金属层2内壁之间设置有气相沉积层。采用化学气相沉积(chemical vapour infiltration)将cmc涡轮叶片与金属层2进行二次渗透，在化学气相渗透工艺下进一步将金属销钉9、cmc叶片榫头1及金属层2连接成为一个整体，可以进一步降低cmc叶片榫头1与金属层2之间的微滑移，弱化了cmc叶片与金属层2接触界面的摩擦磨损问题；cvi工艺二次渗透(化学气相沉积也能产生提升界面连接效果)也能提高金属销钉9与cmc叶片榫头1、金属层2的连接强度。
27.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于金属包边的cmc叶片榫头，其特征在于，包括可套设于cmc叶片榫头外的金属层，所述金属层包括与cmc叶片榫头工作面贴合的第一接触层，以及与cmc叶片榫头非工作面贴合的第二接触层；所述非工作面上开设有第一销钉孔，所述第二接触层上开设有与第一销钉孔配合的第二销钉孔。2.根据权利要求1所述基于金属包边的cmc叶片榫头，其特征在于，所述cmc叶片榫头通过插入第一销钉孔和第二销钉孔内的金属销钉固定连接，所述金属销钉采用过盈配合的方式插设于所述第一销钉孔、所述第二销钉孔内。3.根据权利要求2所述基于金属包边的cmc叶片榫头，其特征在于，所述cmc叶片榫头非工作面上第一销钉孔的数量根据如下方式确定：根据cmc叶片服役工况计算cmc叶片工作面与非工作面载荷，根据cmc叶片工作面与非工作面载荷通过公式计算非工作面上第一销钉孔的数量；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，θ为榫头非工作面与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销钉材料的屈服强度。4.根据权利要求2所述基于金属包边的cmc叶片榫头，其特征在于，所述工作面和第一接触层的接触面积通过公式确定；其中，f为发动机工作状态下叶片的离心力，α为榫头工作面与叶片离心力的夹角，σ0.为金属销钉材料的屈服强度。5.根据权利要求2所述基于金属包边的cmc叶片榫头，其特征在于，所述cmc叶片榫头外壁与金属层内壁之间设置有气相沉积层。

技术总结
本发明涉及涡轮叶片技术领域，公开了一种基于金属包边的CMC叶片榫头，包括可套设于CMC叶片榫头外的金属层，所述金属层包括与CMC叶片榫头工作面贴合的第一接触层，以及与CMC叶片榫头非工作面贴合的第二接触层；所述非工作面上开设有第一销钉孔，所述第二接触层上开设有与第一销钉孔配合的第二销钉孔。本发明通过在CMC叶片榫头外包覆金属层，并在CMC叶片榫头的非工作面通过销钉插入第一销钉孔、第二销钉孔内实现金属层与CMC叶片榫头的连接固定，可以有效的降低CMC叶片榫头与金属层之间的微滑移，从而解决CMC叶片榫头与金属层接触界面的摩擦磨损问题；也能提高CMC叶片强度储备，提升了涡轮叶片的服役寿命以及高转速下发动机服役可靠性。役可靠性。役可靠性。


技术研发人员：胡中伟 潘容 邵红艳 陈官峰 史剑
受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/7