制造涡轮的连续叶片的方法以及涡轮的连续叶片的制作方法
【专利摘要】具有轴的涡轮的连续叶片将由陶瓷纤维构成的多个第一纺织品(27a、27b)相对于上述轴沿径向配置而构成多个叶片部，将由上述陶瓷纤维构成的第二纺织品(31)相对于上述轴沿周向配置，通过将上述第一纺织品的第一端弯折并平行地重叠在上述第二纺织品上，从而将上述多个第一纺织品与上述第二纺织品连结，使被连结的上述多个第一纺织品以及上述第二纺织品含浸基质从而能够进行制造。
【专利说明】制造涡轮的连续叶片的方法以及涡轮的连续叶片
【技术领域】
[0001]本发明涉及例如应用于航空用涡轮发动机的涡轮的连续叶片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在作为喷气式发动机等的部件之一的涡轮叶片中，在其使用时，对其施加有较强的离心力、由气流等引起的较强的应力。因此，对上述的涡轮叶片不但要求有耐热性而且还特别地要求有较高的强度，因此，通常使用金属材料制造。例如，图13(a)是通常的航空器用涡轮风扇式发动机的简要立体图，图13(b)是对通常的航空器用涡轮风扇式发动机的涡轮动叶片的一部分进行放大的简要立体图，在发动机驱动时，对涡轮动叶片朝叶片部的长度方向施加有较强的离心力C，因此，通常涡轮动叶片由Ni基合金等制造。另外，如图13 (b)所示，涡轮动叶片70虽然是具有具备叶片部72、朝与叶片部72的叶面垂直的方向延伸的平台部74、配置于叶片部72的一侧端部的燕尾部76、以及在叶片部72的另一侧端部朝与叶片部72的叶面垂直的方向延伸的顶部覆环部78的复杂的形状的部件，但是能够对Ni基合金等金属材料进行铸造，从而容易地进行制造。另外，对于涡轮静叶片而言也相同，虽然具有复杂的形状，但是能够使用Ni基合金等金属材料作为材料来容易地进行制造。
[0003]涡轮叶片存在作为单个叶片而使用的情况与作为连续叶片而使用的情况。在动叶片的情况下，对顶部覆环部进行接合而形成连续叶片。在静叶片的情况下，也存在对单个叶片的盖部(外带部)与平台部(内带部)进行接合而形成连续叶片、或通过铸造一体成型的情况。图13(c)是表示连续叶片构造的涡轮动叶片的简要立体图，连续叶片80具备:叶片部82、朝与叶片部82的叶片面垂直的方向延伸的平台部84、配置于叶片部82的一侧端部的燕尾部86、以及在叶片部82的另一侧端部朝与叶片部82的叶片面垂直的方向延伸的顶部覆环部88。在该情况下，其形状虽然进一步变得复杂，但是能够使用高级的铸模来进行制造。
[0004]而且，近年来，期待将由陶瓷纤维纺织品与陶瓷基质构成的陶瓷基复合部件(CMC)应用于涡轮叶片。陶瓷基复合部件轻型且耐热性优越，因此若能够利用为涡轮叶片，则能够期待发动机的重量减少以及燃料消耗率的减少。
[0005]以往，提出有几个应用了上述的陶瓷基复合材料的涡轮叶片及其制造方法。另外，以往也提出了图14所例示的连续叶片构造的涡轮叶片(例如参照专利文献I或2)。图14是表示连结有四个涡轮静叶片的图，连续叶片构造的涡轮静叶片90具备叶片部92a、92b、92c、92d、在各叶片部的一侧端部以及另一侧端部朝与各叶片部的叶面垂直的方向延伸的外带部94以及内带部96。而且，使用粘合剂对四个叶片部92a、92b、92c、92d与外带部94以及内带部96之间进行粘合，或者将四个叶片部92a、92b、92c、92d与外带部94以及内带部96之间机械式地连结。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:美国专利第6648597号公报
[0009]专利文献2:日本国专利申请公开平7-189607号公报
【发明内容】
[0010]发明所要解决的课题
[0011]表示陶瓷基复合材料具有较高的强度是借助基质中的强化纤维的地方较多。然而，在粘接或者机械式地连结的面中，强化纤维在连结处被切断，因此与强化纤维连续的部位相比，导致强度显著地恶化。若为了确保强度而追加加固部件，则导致作为陶瓷基复合部件的优点的轻型性受损。本发明是鉴于上述的问题而完成的。
[0012]用于解决课题的方法
[0013]根据本发明的第一方案，制造具有轴的涡轮的连续叶片的方法包括:通过将由陶瓷纤维构成的多个第一纺织品相对于上述轴沿径向配置而构成多个叶片部，将由上述陶瓷纤维构成的第二纺织品相对于上述轴沿周向配置，将上述第一纺织品的第一端弯折而平行地重叠在上述第二纺织品上，从而将上述多个第一纺织品与上述第二纺织品连结，将被连结的上述多个第一纺织品与上述第二纺织品组入模具而一体成形，使被一体成形的上述多个第一纺织品以及上述第二纺织品含浸基质。
[0014]根据本发明的第二方案，具有轴的涡轮的连续叶片具备:多个叶片部，其构成为将由陶瓷纤维构成的多个第一纺织品沿径向配置于上述轴；顶部覆环部或者外带部，其将由上述陶瓷纤维构成的第二纺织品沿周向配置于上述轴，通过将上述第一纺织品的第一端弯折而重叠在上述第二纺织品上，从而将上述多个第一纺织品与上述第二纺织品连结，将被连结的上述多个第一纺织品与上述第二纺织品组入模具而一体成形，使被一体成形的上述第一纺织品以及上述第二纺织品含浸基质。
[0015]发明效果
[0016]通过在将第一纺织品与第二纺织品平行地重叠后，使重叠后的部件含浸基质，从而在相互的纤维相互重叠后进行结合，因此能够制造具有足够的强度的涡轮的连续叶片。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1(a)是用于对本发明的一实施方式的动叶片用的连续叶片进行说明的简要立体图，图1(b)是用于对本实施方式的静叶片用的连续叶片进行说明的简要立体图。
[0018]图2是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的简图。
[0019]图3是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的其他的简图。
[0020]图4是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0021]图5是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0022]图6是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0023]图7是用于对用于获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0024]图8是用于对用于获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的简图。
[0025]图9是用于对用于获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的其他的简图。
[0026]图10是用于对用于获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0027]图11是用于对用于获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0028]图12是用于对用于获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的连结工序进行说明的又一其他的简图。
[0029]图13(a)是基于现有技术的航空器用涡轮风扇发动机的简要立体图，图13(b)是对基于现有技术的航空器用涡轮风扇发动机的涡轮动叶片的一部分进行放大的简要立体图，图13(c)是对连续叶片构造的涡轮动叶片进行放大的简要立体图。
[0030]图14是用于对基于现有技术的连续叶片构造的涡轮静叶片进行说明的简要立体图。
【具体实施方式】
[0031]以下参照附图对本发明的几个例示的实施方式进行说明。
[0032]根据各实施方式，能够制造结合有由陶瓷基复合材料构成的多个部件的复合部件，作为被制造的复合部件能够例示结合有涡轮的多个动叶片或者多个静叶片的连续叶片。根据由陶瓷纤维构成的纺织品，准备叶片部用纺织品以及连结部用纺织品，通过上述连结部用纺织品，对多个上述叶片部用纺织品进行连结，然后，组入模具一体成形，使所获得的成形体含浸陶瓷基质，从而能够制造连续叶片。在动叶片的情况下，连结部为顶部覆环部，在静叶片的情况下，连结部为外带部。
[0033]图1(a)是用于对本发明的一实施方式的动叶片用的连续叶片进行说明的简要立体图。
[0034]如图1(a)所示，本实施方式的动叶片用的连续叶片I包括多个(在图1(a)的情况下为两个)叶片部。图1(a)所示的本实施方式的动叶片用的连续叶片I具备相对于涡轮的轴沿径向延伸的两个叶片部2a、2b、朝与叶片部2a、2b的叶片面垂直的方向(相对于涡轮的轴朝周向)延伸的平台部3a、3b、以及配置于叶片部2a、2b的一侧端部的燕尾部4a、4b。而且，两个叶片部2a、2b在它们的另一侧端部被一个顶部覆环部5连结。S卩，本实施方式的动叶片用的连续叶片I分别具备具有与现有的涡轮动叶片相同的形状的多个动叶片，但在单一的顶部覆环部将多个动叶片连结为一体这点，与现有的结构不同。
[0035]上述的动叶片用的连续叶片1，在其使用时，将燕尾部4a、4b嵌入圆盘，通过该圆盘旋转，而朝叶片部2a、2b的长度方向施加较强的离心力。
[0036]如之后详细地进行说明的那样，对于图1 (a)所例示的本实施方式的连续叶片I而言，各纺织品由陶瓷纤维构成，在通过构成顶部覆环部5的纺织品(连结部用纺织品)对构成两个叶片部2a、2b的两个纺织品(叶片部用纺织品)进行连结后，组入模具一体成形，使所获得的成形体含浸陶瓷基质，从而纤维相互重叠，因此各部件间(例如叶片部2与顶部覆环部5之间)的连结强度较高，在其使用时能够耐较强的负荷(离心力等)。
[0037]与此相对，根据现有技术，使用粘合剂对各部件间进行粘接、或将各部件间机械式地进行连结，因此存在各部件间的连结部分的强度不足的情况。
[0038]图1 (a)所例示的本实施方式的连续叶片I具有两个叶片部，但本实施方式的连续叶片的叶片部的数量不被特别地限定。本实施方式的连续叶片能够包括两个以上的叶片部。
[0039]另外，本实施方式能够应用于上述连结部为外带部或者内带部的涡轮静叶片。此处，上述连结部也可以为外带部与内带部双方。即，本实施方式的连续叶片能够具有作为外带部的连结部与作为内带部的连结部两个。
[0040]图1 (b)是用于对本实施方式的静叶片用的连续叶片进行说明的简要立体图。
[0041]如图1(b)所示，本实施方式的静叶片用的连续叶片11包括多个(在图1(b)的情况下为四个)叶片部。图1(b)所示的本实施方式的静叶片用的连续叶片11具备四个叶片部12a、12b、12c、12d，在它们的一侧端部以及另一侧端部，通过外带部15以及内带部16进行连结。
[0042]上述的本实施方式的静叶片用的连续叶片11，在其使用时，对叶片部施加有由气流等引起的较强的负荷。
[0043]如之后详细地进行说明的那样，对于图1(b)所例示的本实施方式的静叶片用的连续叶片11而言，各纺织品由陶瓷纤维构成，在通过构成外带部15的纺织品(连结部用纺织品)以及构成内带部16的纺织品(连结部用纺织品)，对构成四个叶片部12a、12b、12c、12d的纺织品(叶片部用纺织品)进行连结后，组入模具一体成形，使所获得的成形体含浸陶瓷基质，从而纤维相互重叠，因此各部件间(例如叶片部12与外带部15或者内带部16之间)的连结强度较高，在其使用时能够耐较强的负荷。
[0044]与此相对，根据现有技术，使用粘合剂对各部件间进行粘接、或将各部件间机械式地进行连结，因此存在各部件间的连结部分的强度不足的情况。
[0045]图1(b)所例示的本实施方式的静叶片用的连续叶片11具有四个叶片部，但本实施方式的连续叶片的叶片部的数量不被特别地限定。本实施方式的连续叶片能够包括两个以上的叶片部，能够进一步包括更多的叶片部，作为一个例子其个数为四个。
[0046]接下来，对本实施方式的复合部件的制造方法进行说明。
[0047]本实施方式的复合部件的制造方法能够应用于作为涡轮叶片使用的连续叶片的制造。根据所述的方法，陶瓷基复合部件的制造方法具备:准备由陶瓷纤维构成的上述连结部用纺织品以及多个上述叶片部用纺织品，通过上述连结部用纺织品，对多个上述叶片部用纺织品进行连结而获得纺织品连结体的连结工序；将上述纺织品连结体组入模具一体成形从而获得成形体的成形工序；以及使上述成形体含浸基质的含浸工序。在连结工序中，各纺织品的纤维被相互重叠，然后含浸基质。
[0048]<连结工序>
[0049]对本实施方式的制造方法的连结工序进行说明。
[0050]在本实施方式的制造方法中，连结工序是准备上述连结部用纺织品以及多个上述叶片部用纺织品，通过上述连结部用纺织品，对多个上述叶片部用纺织品进行连结而获得纺织品连结体的工序。以下，根据本实施方式的制造方法，分别对获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的情况的连结工序与获得本实施方式的静叶片用的连续叶片的情况的连结工序进行说明。
[0051]使用附图对获得本实施方式的动叶片用的连续叶片的情况的连结工序具体地进行说明。
[0052]只要没有特殊说明，下述的各纺织品本质上由陶瓷纤维构成，S卩，在含浸工序前，能够利用未含浸基质的纺织品。或者也可以预先部分或者整体含浸基质。
[0053]图2(a)以及(b)是表示成为叶片部以及燕尾部的由陶瓷纤维构成的纺织品23与成为平台部的由陶瓷纤维构成的纺织品25连结的纺织品21的图，图2(a)是简要侧视图，图2 (b)是图2 (a)的A-A线剖视图。
[0054]如图2(b)所示，纺织品21是为了具有合适程度的厚度而三维地进行纺织的立体纺织品。其下端为成为燕尾部的部分，在其上方以分支成三个部分的方式被进行纺织。分支的三个部分的中央为成为叶片部的部分，沿着其两侧的部分分别是成为平台部的凸缘状的一对纺织品25。如后所述，一对纺织品25若弯折则被纺织成相互重叠的适当的形状。成为叶片部的部分在其上方以进一步被分支成两个的方式被进行纺织。纺织品21的整体为一体的立体纺织品，但也可以通过使多个纺织品重叠并进行缝制来形成纺织品21。
[0055]在获得上述的纺织品21后，如图3 (a)所示，相对于成为叶片部以及燕尾部的由陶瓷纤维构成的纺织品23，将成为平台部的由陶瓷纤维构成的一对纺织品25分别以形成所希望的角度(在涡轮动叶片的情况下为大致90度)的方式弯折，使纺织品25彼此平行地重叠，各自的纤维相互重叠而紧贴。因此，纺织品25彼此连结。也可以通过其他的纤维束使成为两个平台部的纺织品25重叠的部分251缝合。在所获得的叶片部用纤维纺织品的强度进一步提闻这点有利。
[0056]如上，获得图3(b)所示的形态的叶片部用纺织品27。
[0057]如上所述，在获得图3(b)所示的形态的多片叶片部用纺织品27后，如图4、图5、图6以及图7所示，对叶片部用纺织品27与构成顶部覆环部的连结部用纺织品31进行连结。此外，连结部用纺织品为大致矩形的纺织品，形成有能够供叶片部用纺织品27的一侧的端部通过的两个贯通孔。贯通孔能够以机械加工等现有公知的方法来形成。
[0058]连结部用纺织品31具有两个贯通孔311、312，该贯通孔供叶片部用纺织品27的一侧的端部通过。如图5所示，对于两个叶片部用纺织品27a、27b的每一个而言，在使其一侧的端部通过两个贯通孔311、312后，如图6所示，以该通过的部分之后成为连结部的方式弯折。
[0059]而且，如图6所示，能够追加其他的部件315，从而能够获得图7所示的纺织品连结体38。将被弯折的端部夹设于连结部用纺织品31与其他的部件315之间，有助于强度的提闻。
[0060]接下来，使用附图对获得本实施方式的静叶片用复合部件的情况的连结工序具体地进行说明。
[0061]图8是表示构成叶片部的四个叶片部用纺织品47a、47b、47c、47d、构成外带部的连结部用纺织品51、构成内带部的连结部用纺织品53的简要立体图。
[0062]构成外带部的连结部用纺织品51以及构成内带部的连结部用纺织品53为大致矩形的纺织品，如后所述，形成有能够供叶片部用纺织品47a、47b、47c、47d的每一个的端部通过的四个贯通孔。贯通孔能够通过机械加工等现有公知的方法来形成。
[0063]如图9所示，准备多个叶片部用纺织品47，对叶片部用纺织品47与连结部用纺织品51、53进行连结。
[0064]此处，连结部用纺织品51、53分别具有四个贯通孔511、512、513、514以及531、532、533、534，该贯通孔供叶片部用纺织品47的端部通过。如图10所示，对于四个叶片部用纺织品47a、47b、47c、47d的每一个而言，在使其端部通过四个贯通孔后，如图10所示，以该通过的部分之后成为连结部的方式弯折。而且，如图10以及图11所示，能够追加其他的部件516、517以及536、537，从而能够获得图12所示的纺织品连结体58。
[0065]上述的叶片部用纺织品以及连结部用纺织品例如能够通过现有公知的方法来制造，但能够利用三维构造的纺织品。三维构造的纺织品例如在使陶瓷纤维捆成数百?数千根左右而形成纤维束后，通过将该纤维束沿XYZ方向进行纺织能够获得。具体而言，例如，在获得将纤维束沿X方向以及与X方向垂直的Y方向配置而成的多层后，使各层重叠，在其厚度方向(Z方向)通过其他的纤维束进行缝纫，从而能够获得三维构造的纺织品。然后，根据必要进行加工，从而能够获得所希望的形状的叶片部用纺织品以及连结部用纺织品。
[0066]此外，叶片部用纺织品以及连结部用纺织品也可以不具备三维构造，也可以局部具备三维构造。
[0067]另外，构成叶片部用纺织品以及连结部用纺织品的陶瓷纤维的材质、粗细等不被特别地限定。能够使用例如由SiC、C、Si3N4、Al203、BN等构成的陶瓷纤维。另外，陶瓷纤维的粗细可以与现有公知的陶瓷纤维相同，也可以为例如数μπι?数十μπι左右。
[0068]〈成形工序〉
[0069]对本实施方式的制造方法的成形工序进行说明。
[0070]在本实施方式的制造方法中，成形工序是将上述纺织品连结体组入模具一体成形从而获得成形体的工序。
[0071]在成形工序中，将通过上述的连结工序而获得的纺织品连结体组入模具而一体成形。例如将纺织品连结体组入6分割左右的模具来进行成形。模具的内部形状成为所需的成形体的形状，使纺织品连结体沿着模具变形来进行组装，从而能够在模具的内部对纺织品连结体进行一体成形。
[0072]〈含浸工序〉
[0073]接下来，对本实施方式的制造方法的含浸工序进行说明。
[0074]在本实施方式的制造方法中，含浸工序是使上述成形体含浸基质的工序。
[0075]在含浸工序中，通过来自气体的化学反应、以使固体粉末形成浆液状的方式浇注烧结等的方法在如上所述那样获得的成形体上形成陶瓷基质。
[0076]例如，能够列举有如下方法，即在模具的内部使成为一体的上述成形体在腔室中暴露于原料气体且通过化学反应使上述成形体的表面析出基质的方法、使成为一体的上述成形体含浸使原料粉末固体形成浆液状的液体(前驱体)，来进行烧结的方法。
[0077]如上，能够获得本实施方式的陶瓷基复合材料。
[0078]根据上述的各实施方式，一个部件(例如叶片部)的纤维越过结合部到达其他的部件(例如顶部覆环部)，从而在与其他的部件的纤维重叠后，通过基质将两部件结合。即纤维的连续在结合部不被中断，以一定的相互重叠将两纤维结合。在对结合部施加力时，越过结合部延伸的纤维也在此强化，因此能够期待与其他的部位相同的强度。
[0079]另外，根据上述的各实施方式，不需要使纺织品预先含浸基质。因此，各纺织品十分柔软，从而能够以该纤维彼此充分地紧贴的方式自由地弯折，因此能够进行稳固的结合。
[0080]根据优选的实施方式，对本发明进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式。基于上述公开内容，具有该【技术领域】的通常技术的人员能够通过实施方式的修正乃至变形对本发明进行实施。
[0081]产业上的可利用性
[0082]能够提供具有足够的强度的涡轮的连续叶片及其制造方法。
[0083]符号说明
[0084]I一连续叶片，2a、2b—叶片部,3a、3b—平台部，4a、4b—燕尾部,5—顶部覆环部，11—连续叶片，12a、12b、12c、12d—叶片部，15—外带部，16—内带部，21—纺织品，23—纺织品，25—纺织品，27a、27b—叶片部用纺织品，251—纺织品的一部分，31—连结部用纺织品，311、312—贯通孔，315—部件，38—纺织品连结体，47a、47b、47c、47d—叶片部用纺织品，51、53—连结部用纺织品，511、512、513、514、531、532、533、534—贯通孔，516、517、536、537—部件，58—纺织品连结体，70—涡轮动叶片，72—叶片部，74—平台部，76—燕尾部，78—顶部覆环部，80—连续叶片，82—叶片部，84—平台部，86—燕尾部，88—顶部覆环部，90一润轮静叶片，92a、92b、92c、92d—叶片部，94一外带部，96—内带部，C一尚心力。
【权利要求】
1.一种方法，其制造具有轴的涡轮的连续叶片，该方法的特征在于，包括: 将由陶瓷纤维构成的多个第一纺织品相对于所述轴沿径向配置而构成多个叶片部， 将由所述陶瓷纤维构成的第二纺织品相对于所述轴沿周向配置， 通过将所述第一纺织品的第一端弯折并平行地重叠在所述第二纺织品上，从而将所述多个第一纺织品与所述第二纺织品连结， 将被连结的所述多个第一纺织品与所述第二纺织品组入模具而一体成形， 使被一体成形的所述多个第一纺织品以及所述第二纺织品含浸基质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述第二纺织品具有顶部覆环部或者外带部的形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括， 所述第二纺织品具有供所述第一端通过的贯通孔，在进行所述连结的工序前使所述第一端通过所述贯通孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括， 将由所述陶瓷纤维构成并具有凸缘部的第三纺织品重叠在所述第一纺织品上， 将所述凸缘部向外侧弯折而使其端部彼此重叠来形成平台部。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括， 将由所述陶瓷纤维构成的第四纺织品相对于所述轴沿周向配置， 在含浸所述基质的工序前，通过将所述第一纺织品的第二端弯折，并重叠在所述第四纺织品上来连结。
6.根据权利要求1?5中任一项所述的方法,其特征在于， 所述陶瓷纤维在含浸所述基质的工序前不包含所述基质。
7.一种涡轮的连续叶片，其具有轴，该涡轮的连续叶片的特征在于，具备: 多个叶片部，其构成为将由陶瓷纤维构成的多个第一纺织品相对于所述轴沿径向配置；以及 顶部覆环部或者外带部，其将由所述陶瓷纤维构成的第二纺织品相对于所述轴沿周向配置， 通过将所述第一纺织品的第一端弯折并重叠在所述第二纺织品上，从而将所述多个第一纺织品与所述第二纺织品连结， 将被连结的所述多个第一纺织品与所述第二纺织品组入模具而一体成形， 使被一体成形的所述第一纺织品以及所述第二纺织品含浸基质。
【文档编号】F01D5/28GK104246175SQ201380016815
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2012年4月10日
【发明者】渡边文章 申请人:株式会社Ihi