具有增强的接触界面的复合部件、涡轮叶片及其制造方法与流程
本主题大体上涉及用于燃气涡轮发动机的复合部件。更具体而言，本主题涉及具有在结构上增强的接触界面的复合部件及用于制造其的方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机大体上包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心大体上包括串联顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，在所述压缩机区段，一个或多个轴向压缩机渐进地压缩空气，直到空气到达燃烧区段为止。燃料与压缩空气混合且在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段传送到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，且接着被传送通过排气区段例如到大气。
更通常地，非传统高温材料如陶瓷基质复合(cmc)材料用于燃气涡轮发动机内的各种部件。例如，因为cmc材料可经受相对的极端温度，所以特别关注用cmc材料替换燃烧气体的流动路径内的部件。具体而言，燃气涡轮发动机的涡轮区段的转子叶片通常由cmc材料形成。
cmc涡轮转子叶片大体上由多个cmc材料的板层形成。理想地，板层使用连续cmc纤维，即，沿板层的长度连续的cmc纤维。由于cmc材料通常在cmc纤维的方向上最强，故使用连续cmc纤维板层的涡轮转子叶片可在涡轮操作期间更好地经受应力。
使用连续纤维板层的cmc转子叶片通常与涡轮转子盘联接或连接。与转子盘接触或对接的此cmc叶片的表面在燃气涡轮发动机的操作期间经历高接触应力和/或其它应力。结果，此cmc叶片的接触界面通常比叶片的其它部分磨损更快。
此外，在此cmc叶片的制造期间，此叶片的尺寸的控制可能是有挑战的。因此，在一些情况下，加入了附加材料至叶片的接触表面，叶片经历许多过程，且然后精加工以将叶片形成为期望的几何形状。在一些情况下，添加的材料包括连续纤维板层，其沿相同方向层叠作为下覆的板层。尽管此板层在此cmc叶片的接触界面处提供了令人满意的结构完整性，但没有容易显现的视觉辅助来确保下覆的板层在精加工过程期间未被加工且因此未受损。此外，当纤维沿相同方向定向时，板层可嵌套到彼此内，加入了另一变量来控制叶片的尺寸。在其它情况中，加入下覆板层的材料包括整体陶瓷基质材料。尽管整体陶瓷基质材料可向操作者提供视觉辅助来确保叶片未被过度加工，但定位在此cmc叶片的接触表面处的整体陶瓷基质材料带来了叶片的非期望的磨损性质和碰撞能力。
因此，具有在结构上增强的接触界面的复合部件将是有用的。具体而言，具有可提供改进的耐磨性、耐用性和碰撞能力的结构上增强的接触界面的复合部件将是有益的。此外，具有可提供容易显现的视觉辅助来确保部件未被过度加工的结构上增强的接触界面的复合部件将是有利的。
技术实现要素：
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实施而得知。
在一个示例性方面中，本公开涉及一种部件。该部件包括由一个或多个内板层形成的内层压板，内板层具有嵌入陶瓷基质材料内且沿参考方向定向的增强纤维。该部件还包括接触界面，接触界面包括由一个或多个界面板层形成的界面层压板，界面板层具有嵌入陶瓷基质材料内且沿偏离参考方向的方向定向的增强纤维，其中所述界面层压板定位在内层压板上。
在另一个示例性方面中，本公开涉及一种用于制造限定参考方向的部件的接触界面的方法。该部件包括内层压板，内层压板包括一个或多个内板层，内板层具有嵌入陶瓷基质材料内沿参考方向定向的增强纤维。该方法包括层叠一个或多个界面板层，界面板层具有嵌入陶瓷基质材料内沿偏离参考方向的方向定向的增强纤维，一个或多个界面板层形成定位在内层压板上的界面层压板。
在另一个示例性方面中，本公开涉及一种由陶瓷基质材料形成的涡轮叶片。涡轮叶片包括柄，柄包括具有压力侧和与压力侧相对的吸力侧的燕尾部，燕尾部的压力侧和吸力侧中的至少一者限定接触表面。涡轮叶片包括由一个或多个内板层形成的内层压板，内板层具有沿参考方向定向的增强纤维。涡轮叶片还包括接触界面，接触界面包括沿接触表面的至少一部分定位在内层压板上的界面层压板。接触界面由一个或多个界面板层形成，界面板层包括一个或多个第一板层和夹杂有一个或多个第一板层的一个或多个第二板层。一个或多个第一板层具有相对于参考方向沿第一方向定向的增强纤维，且一个或多个第二板层具有相对于参考方向沿第二方向定向的增强纤维。第一方向偏离参考方向，且第二方向偏离参考方向。第一方向大致垂直于第二方向。
技术方案1.一种部件，其包括：
由一个或多个内板层形成的内层压板，所述内板层具有嵌入陶瓷基质材料内且沿参考方向定向的增强纤维；以及
接触界面，其包括由一个或多个界面板层形成的界面层压板，所述界面板层具有嵌入陶瓷基质材料内且沿着偏离所述参考方向的界面纤维方向定向的增强纤维，其中所述界面层压板定位在所述内层压板上。
技术方案2.根据技术方案1所述的部件，其中所述一个或多个界面板层中的增强纤维包括碳化硅纤维，并且所述一个或多个界面板层的陶瓷基质材料包括碳化硅。
技术方案3.根据技术方案1所述的部件，其中所述一个或多个内板层的增强纤维包括碳化硅纤维，并且所述一个或多个内板层的陶瓷基质材料包括碳化硅。
技术方案4.根据技术方案1所述的部件，其中所述界面层压板的一个或多个界面板层包括一个或多个第一板层和夹杂有所述一个或多个第一板层的一个或多个第二板层，并且所述界面纤维方向包括第一方向和第二方向，并且所述一个或多个第一板层的增强纤维相对于所述参考方向沿所述第一方向定向，并且所述一个或多个第二板层的增强纤维相对于所述参考方向沿所述第二方向定向。
技术方案5.根据技术方案4所述的部件，其中所述第一方向偏离所述第二方向大约九十度(90°)。
技术方案6.根据技术方案4所述的部件，其中所述参考方向限了定零度参考方向，并且所述第一方向偏离所述参考方向零度(0°)到九十度(90°)之间，并且所述第二方向偏离所述参考方向九十度(90°)到一百八十度(180°)之间。
技术方案7.根据技术方案4所述的部件，其中所述第一方向偏离所述第二方向至少四十五度(45°)。
技术方案8.根据技术方案4所述的部件，其中所述第一方向偏离所述参考方向大约四十五度(45°)，并且所述第二方向偏离所述参考方向大约三百一十五度(315°)。
技术方案9.根据技术方案1所述的部件，其中所述界面纤维方向包括第一方向、第二方向、第三方向和第四方向，并且所述界面层压板包括分别包括所述一个或多个界面板层的第一层和第二层，所述第一层的一个或多个界面板层包括一个或多个第一板层，以及夹杂有所述一个或多个第一板层的一个或多个第二板层，并且所述第二层的一个或多个界面板层包括一个或多个第三板层和夹杂有所述一个或多个第三板层的一个或多个第四板层，并且所述一个或多个第一板层的增强纤维在所述陶瓷基质材料内相对于所述参考方向沿所述第一方向定向，并且所述一个或多个第二板层的增强纤维在陶瓷基质材料内相对于所述参考方向沿所述第二方向定向，并且所述一个或多个第三板层的增强纤维在陶瓷基质材料内相对于所述参考方向沿所述第三方向定向，并且所述一个或多个第四板层的增强纤维在陶瓷基质材料内相对于所述参考方向沿第四方向定向，其中所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向和所述第四方向是不同方向。
技术方案10.根据技术方案9所述的部件，其中所述第一方向偏离所述第二方向大约九十度(90°)，并且所述第三方向偏离所述第四方向大约九十度(90°)。
技术方案11.根据技术方案9所述的部件，其中所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向和所述第四方向偏离彼此和所述参考方向至少十度(10°)。
技术方案12.根据技术方案1所述的部件，其中所述部件是燃气涡轮发动机的涡轮叶片。
技术方案13.根据技术方案12所述的部件，其中所述涡轮叶片包括柄，所述柄包括燕尾部，所述燕尾部具有压力侧和与所述压力侧相对的吸力侧，并且接触表面由所述燕尾部的压力侧和吸力侧中的一个限定，并且所述界面层压板沿所述接触表面的至少一部分定位在所述内层压板上。
技术方案14.一种用于制造限定了参考方向的用于部件的接触界面的方法，所述部件包括内层压板，所述内层压板包括具有嵌入陶瓷基质材料内且沿所述参考方向定向的增强纤维的一个或多个内板层，所述方法包括：
层叠一个或多个界面板层，所述一个或多个界面板层具有嵌入陶瓷基质材料内且沿偏离所述参考方向的界面纤维方向定向的增强纤维，所述一个或多个界面板层形成定位在所述内层压板上的界面层压板。
技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其中所述界面层压板的一个或多个界面板层包括一个或多个第一板层和一个或多个第二板层，并且所述界面纤维方向包括第一方向和第二方向，并且所述一个或多个第一板层的增强纤维嵌入陶瓷基质材料内，且相对于所述参考方向沿所述第一方向定向，并且所述一个或多个第二板层的增强纤维嵌入陶瓷基质材料内，并且相对于所述参考方向沿所述第二方向定向，并且所述第一方向不同于所述第二方向，并且在层叠所述一个或多个界面板层期间，所述界面板层重叠，使得所述一个或多个第一板层与所述一个或多个第二板层交错。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其中所述第一方向偏离所述第二方向大约九十度(90°)。
技术方案17.根据技术方案14所述的方法，其中所述界面纤维方向包括第一方向、第二方向、第三方向和第四方向，并且所述界面层压板包括分别包括所述一个或多个界面板层的第一层和第二层，所述第一层的一个或多个界面板层包括一个或多个第一板层，以及夹杂有所述一个或多个第一板层的一个或多个第二板层，并且所述第二层的一个或多个界面板层包括一个或多个第三板层和夹杂有所述一个或多个第三板层的一个或多个第四板层，并且所述一个或多个第一板层的增强纤维嵌入所述陶瓷基质材料内且相对于所述参考方向沿所述第一方向定向，并且所述一个或多个第二板层的增强纤维嵌入基质材料内且相对于所述参考方向沿所述第二方向定向，并且所述一个或多个第三板层的增强纤维嵌入基质材料内且相对于所述参考方向沿所述第三方向定向，并且所述一个或多个第四板层的增强纤维嵌入陶瓷基质材料内且相对于所述参考方向沿第四方向定向，其中所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向和所述第四方向是不同方向。
技术方案18.根据技术方案14所述的方法，其中在层叠所述一个或多个界面板层之后，所述方法还包括：
压实所述部件；
烧尽所述部件；
密实化所述部件；
沿所述界面层压板的至少一部分加工所述部件；以及
确定所述增强板层的定向。
技术方案19.根据技术方案14所述的方法，其中所述部件限定了接触表面，并且所述界面层压板沿所述接触表面的至少一部分定位在所述内层压板上。
技术方案20.一种涡轮叶片，所述涡轮叶片由陶瓷基质材料形成且包括柄，所述柄包括压力侧和与所述压力侧相对的吸力侧的燕尾部，所述燕尾部的压力侧和吸力侧中的至少一者限定了接触表面，所述涡轮叶片包括：
由一个或多个内板层形成的内层压板，所述内板层具有沿所述参考方向定向的增强纤维；以及
接触界面，所述接触界面包括界面层压板，所述界面层压板沿所述接触表面的至少一部分定位在所述内层压板上，且由一个或多个界面板层形成，所述界面板层包括一个或多个第一板层和夹杂有所述一个或多个第一板层的一个或多个第二板层，其中所述一个或多个第一板层具有相对于参考方向沿第一方向定向的增强纤维，并且所述一个或多个第二板层具有相对于所述参考方向沿第二方向定向的增强纤维，并且所述第一方向偏离所述参考方向，并且所述第二方向偏离所述参考方向，其中所述第一方向大致垂直于所述第二方向。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1是根据本主题的多种实施例的示范性燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2提供了图1中的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的透视图；
图3提供了根据本主题的示例性实施例的由具有在结构上增强的接触界面的复合材料形成的示例性部件的透视图；
图4提供了图3中的部件的结构上增强的接触界面的横截面视图；
图5提供了用于图3中的部件的接触界面的界面层压板的示例性层叠的分解视图；
图6提供了根据本主题的示例性实施例的复合部件的另一个示例性接触界面的界面板层的示例性层叠的分解视图；以及
图7提供了根据本主题的示例性实施例的示例性方法的流程图。
在本说明书和图中重复使用的参考标号意图表示相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实例示于附图中。详细描述中使用数字和字母标号来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标示来指代本发明的相同或类似部分。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分开一个部件与另一部件，而并非意图表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。术语“大约”在角位置的背景下使用时意指指定角的五度(5°)内。例如，“大约”九十度(90°)意指九十度(90°)加或减五度(5°)内的角。术语“大致垂直”意指九十度(90°)的十度(10°)内。
本公开的示例性方面涉及具有大致增强的接触界面的燃气涡轮发动机的复合部件。还提供了用于制造此部件的方法。在一个示例性方面中，部件可包括内层压板，该内层压板可由具有沿参考方向定向的增强纤维的一个或多个内板层所形成。部件还包括结构上增强的接触界面。接触界面包括由一个或多个界面板层形成的界面层压板，界面板层具有在基质材料内沿偏离参考方向的方向定向的增强纤维。界面层压板沿部件的接触表面的至少一部分定位在内层压板上。所得的部件具有耐磨且耐用的接触界面。界面板层的相对于内板层的纤维偏置的纤维可用作视觉检查辅助物。即，在部件沿界面板层精加工来将部件定形成期望几何形状之后，可见纤维的取向可提供显而易见的视觉辅助来确定其下的内板层是否已加工。
现在参看附图，其中全部图中的相同数字表示相同元件，图1提供了根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。更确切地说，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁路涡扇喷气发动机10，其在本文中被称为“涡扇发动机10”。如图1中所示，涡扇发动机10限定了轴向a(平行于提供用于参考的纵向中心线12延伸)和径向r。一般而言，涡扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16通常包括限定了环形入口20的大体上为管状的外壳体18。外壳体18包覆了具有串联流关系的：压缩机区段，其包括增压器或低压(lp)压缩机22和高压(hp)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮28和低压(lp)涡轮30；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(hp)轴或转轴34将hp涡轮28传动地连接到hp压缩机24。低压(lp)轴或转轴36将lp涡轮30传动地连接到lp压缩机22。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，所述可变桨距风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘的，风扇叶片40大体上沿着径向r从盘42向外延伸。每个风扇叶片40能够围绕桨距轴线p相对于盘42旋转，原因是风扇叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，所述致动构件44被构造成联合地共同改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44能够通过跨越动力齿轮箱46的lp轴36围绕纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，以用于将lp轴36的旋转速度逐步降低到更高效的旋转风扇速度。
仍参考图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前部机舱48覆盖，前部机舱48具有空气动力学轮廓以促使空气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外部机舱50，其沿圆周包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应了解，机舱50可被构造成相对于核心涡轮发动机16由多个沿圆周隔开的出口导叶52支撑。此外，机舱50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部分上延伸，以便在其间限定旁路气流通道56。
在涡扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50的相关联入口60和/或风扇区段14进入涡扇10。当所述体积的空气58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或传送到旁通气流通道56中，且如由箭头64指示的空气58的第二部分被引导或传送到lp压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称为旁路比。在空气的第二部分64被导引通过高压(hp)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气的第二部分64的压力接着增加，在燃烧区段26处，空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导引通过hp涡轮28，在hp涡轮28处经由连接到外壳体18的hp涡轮定子轮叶68和连接到hp轴或转轴34的hp涡轮转子叶片70的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分，因此使hp轴或转轴34旋转，进而支持hp压缩机24的操作。燃烧气体66接着被导引通过lp涡轮30，在lp涡轮30处经由连接到外壳体18的lp涡轮定子轮叶72和连接到lp轴或转轴36的lp涡轮转子叶片74的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和动能的第二部分，因此使lp轴或转轴36旋转，进而支持lp压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导引通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进力。同时，当空气的第一部分62在从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导引通过旁路气流通道56时，空气的第一部分62的压力显著增大，从而也提供推进力。hp涡轮28、lp涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定了热气体路径78，以用于将燃烧气体66导引通过核心涡轮发动机16。
应了解，尽管相对于具有核心涡轮发动机16的涡扇10来描述，但本发明主题可适用于其它类型的涡轮机械。举例来说，本发明主题可适合与涡轮螺桨、涡轮轴、涡轮喷气发动机、工业和海洋燃气涡轮发动机和/或辅助动力单元一起使用或用于以上各项中。
在一些实施例中，涡扇发动机10的部件可由复合材料形成。在一些实施例中，热气体路径78内的部件，如，燃烧区段26、hp涡轮28和/或lp涡轮30的部件，可由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成，这是具有高温能力的非金属材料。用于此复合部件的示例性cmc材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化铝基质材料，及其组合。陶瓷纤维可嵌入基质内，例如氧化稳定的增强纤维，包括如蓝宝石和碳化硅(例如，textron的scs-6)的单丝；以及粗纱和纱线，包括碳化硅(例如，nipponcarbon的
在此复合部件的制造期间，要实现尺寸控制可能有挑战，特别是在部件具有复杂几何形状的情况下(例如翼型件)。此外，部件的尺寸控制沿其接触表面或与另一个部件对接的部件的表面也特别重要。为了确保复合部件最终定形为期望的规格，界面板层可在部件处理之前(例如，压实、燃尽和熔渗过程之前)加入由结构内板层(即，具有嵌入基质材料内的纤维增强材料的板层)形成的部件的芯中。以此方式，在处理部件之后，可对加工板层磨削或另外精加工，使得最终部件定形为期望的规格。
例如，在复合部件与其下面的结构板层和外界面板层层叠之后，层叠的部件可经历压实过程、燃尽过程和熔渗过程。更确切地说，在层叠过程之后，预形件部件可在高压釜中处理来产生压实的生坯状态的部件。然后，生坯状态的部件可置于炉中来烧尽多余的粘合剂等，且然后可与硅块或硅片置于炉中，且烧制来使部件与至少硅熔渗。更具体而言，在真空或惰性气氛中加热(例如，烧制)生坯状态的部件分解粘合剂，除去溶剂，且将前体转化成期望的热解材料。粘合剂的分解导致产生多孔热解本体(porouspyrolyzedbody)；本体可经历密实化，例如，熔渗(mi)，以填充孔隙。在一个实例中，在热解部件与硅烧制的情况下，部件可经历硅熔渗。然而，可使用任何已知密实化技术执行密实化，包括但不限于silcomp、熔渗(mi)、化学气相浸渗(cvi)、聚合物浸渗和裂解(pip)以及氧化物/氧化物工艺，以及任何适合材料，包括但不限于硅。在一个实施例中，密实化和烧制可在真空炉或惰性气氛中进行，所述惰性气氛具有1200℃以上的温度下建立的气氛以允许硅或另一种或材料组合熔渗到部件中。
随后，对密实化的复合部件进行精加工。例如，可对部件进行磨削或另外加工，例如，使部件在公差内且将部件定形为期望的形状。在精加工过程期间，界面板层可加工成使得部件形成为期望形状。在一些实施例中，界面板层可保持为最终cmc部件的一部分。在一些其它实施例中，界面板层可部分地保持为最终cmc部件的一部分。将认识到，还可使用形成复合部件的其它方法或工艺。
图2提供了绘制为图1中的涡扇发动机10的lp涡轮转子叶片74中的一个的示例性复合部件。尽管复合部件绘制为用于涡轮叶片组件中的涡轮叶片，但在其它示例性实施例中，复合部件可为构造成用于风扇叶片组件、压缩机叶片组件或任何其它适合的应用的叶片。此外，复合部件可为燃气涡轮发动机的其它部件，例如，如，限定了核心涡轮发动机的流动路径、喷嘴组件的定子轮叶或翼型件、护罩等的一个或多个带。此外，对于该实施例，lp涡轮叶片74由cmc材料形成，例如，如，上文所述的示例性cmc材料中的一种。尽管叶片74绘制为由陶瓷基质材料形成，但在其它示例性实施例中燃气涡轮发动机的各种复合部件可包括其它基质材料，如，环氧树脂材料(例如，用于风扇)、聚合物材料(例如，用于压缩机)，或任何其它适合的基质材料。
如图2中所示，涡轮叶片74包括翼型件80和由cmc材料的多个板层制成的柄82。翼型件80大体上从柄82沿径向向外延伸，以便突入涡轮区段30(图1)的热气体路径78中。例如，翼型件80可从柄82沿径向向外延伸至翼型件尖端84。翼型件80大体上限定了空气动力形状。举例来说，翼型件80可定形为以便具有压力侧86和与压力侧86相对的吸力侧88。压力侧86和吸力侧88构造成便于捕获燃烧气体66的动能并将动能转换成可用的旋转能(图1)。
如图2中进一步所示，柄82包括平台90和燕尾部92。翼型件80的根部连接到平台90上。类似于翼型件80，柄82包括压力侧94和与压力侧94相对的吸力侧96。涡轮叶片74可通过使燕尾部92接合在具有互补几何形状(未示出)的转子盘的槽口内来安装到涡轮转子盘上。因此，涡轮叶片74限定了一个或多个接触表面98。如本文使用的接触表面是接合、匹配或另外接触另一个部件或部分的部件的任何部分或面。
在燃气涡轮发动机的操作期间，发动机的各种部件与彼此接触或对接。例如，图2中的涡轮叶片74的燕尾部92与涡轮转子盘对接。叶片的这些接触表面在燃气涡轮发动机的操作期间经历高接触、碰撞和/或其它应力。结果，接触表面通常比部件的其它部分磨损更快。根据如下文更详细所述的本主题的示例性实施例，此类部件可在此接触表面处获得结构上的增强。
图3提供了由具有结构上增强的接触界面110的复合材料形成的示例性部件100的近视透视图。在该实例中，部件100是由cmc材料形成的图2中的lp涡轮转子叶片74。如图所示，在结构上增强的接触表面110定位或位于涡轮叶片74的接触表面98(图2)中的一处，其在该实施例中是燕尾部92的压力侧94的一个面。定位在接触表面98处的结构上增强的接触界面110尤其可提供沿部件100的接触表面98的加强的碰撞能力和改善的耐磨性。此外，结构上增强的接触界面110可在部件100的制造期间出于质量目的提供视觉辅助。
图4提供了图3中的部件100的结构上增强的接触界面110的横截面视图。更具体而言，示出了图3中所示的涡轮叶片74的燕尾部92的横截面。如图4中所示，部件100包括由一个或多个内板层122形成的内层压板120。每个内板层122包括在基质材料内定向的增强纤维，基质材料在该实施例中是陶瓷基质材料。内板层122包含沿其长度的连续cmc纤维，使得连续cmc纤维沿负载方向定向。以此方式，部件上的应力负载可更好传播穿过增强纤维。在该实施例中，负载方向大体上沿接触表面98的径向r。
部件100的接触表面110包括具有在基质材料内定向的增强纤维的一个或多个界面板层132形成的界面层压板130。对于该实施例，基质材料是陶瓷基质材料。如图所示，界面层压板130定位在接触表面98处的内层压板120上。在一些实施例中，如图4中所示，界面层压板130可直接地定位在内层压板120上。在其它实施例中，界面层压板130可间接地定位在内层压板120上。例如，中间层或层压板可定位在界面层压板130与内层压板120之间。
图5提供图3中的部件100的接触界面110的界面板层132的示例性层叠的分解视图。在图5中，部件100的表面被剖开以露出内板层122的外板层123，该外板层123形成内层压板120。如图所示，内板层122具有由部件100限定在基质材料126内的沿参考方向rd定向的增强纤维124，如上文所述，基质材料在该实施例中是陶瓷基质材料。更具体而言，参考方向rd由增强纤维124沿其长度限定。内板层122包含沿其长度的连续增强纤维124，使得纤维沿加载方向定向，在该实施例中是大体上沿接触表面98的径向r。
图5中的分解视图中示出了界面板层132。如图所示，界面板层132具有在基质材料136内沿偏离参考方向rd的界面纤维方向定向的增强纤维134。更具体而言，对于该实施例，界面层压板130的界面板层132包括一个或多个第一板层138和夹杂有第一板层138的一个或多个第二板层140。对于该实施例，第一板层138的增强纤维134相对于参考方向rd沿第一方向d1延伸，且第二板层140的增强纤维134相对于参考方向rd沿第二方向d2延伸。第一方向d1是不同于第二方向d2的方向。
对于图5的所示实施例，第一方向d1沿顺时针方向cw偏离参考方向rd四十五度(45°)(或沿反时针方向ccw偏离三百一十五度(315°))，且第二方向d2沿顺时针方向cw偏离参考方向rd三百一十五度(315°)(或沿反时针方向ccw偏离四十五度(45°))。以此方式，第一方向d1偏离第二方向d2九十度(90°)。在一些实施例中，第一方向d1偏离第二方向d2大约九十度(90°)。如本文所述，相对参考方向rd的偏离(offset)可依据如下确定。参考方向rd是沿内板层122的纤维124的长度延伸的方向。将参考方向rd用作零度(0°)参考方向，相对于零度参考方向rd的角位置就是所述偏离。在一些实施例中，具体是在部件100的内板层122由具有沿变化方向定向的纤维的板层组形成的情况下，参考方向rd沿内板层122的外板层123的纤维的长度限定。
第一方向d1和第二方向d2相对于参考方向rd以其它适合向/取向来定向。例如，在一些实施例中，第一方向d1沿顺时针方向cw偏离参考方向rd大约三十度(30°)(或沿反时针方向ccw偏离三百三十度(330°))，且第二方向d2沿顺时针方向cw偏离参考方向rd三百度(300°)(或沿反时针方向ccw偏离六十度(60°))。以此方式，第一方向d1偏离第二方向d2九十度(90°)。在一些实施例中，第一方向d1大致垂直于第二方向d2。
在一些实施例中，确保了第一板层138和第二板层140的纤维与参考方向rd交叉且彼此交叉。参考方向rd限定了零度参考方向rd。在此实施例中，第一方向d1偏离参考方向rd零度(0°)到九十度(90°)之间(即，第一方向d1在零度(0°)到九十度(90°)之间和一百八十度(180°)到二百七十度(270°)之间延伸)，且第二方向d2偏离参考方向rd九十度(90°)到一百八十度(180°)之间(即，第二方向d2在九十度(90°)到一百八十度(180°)之间和二百七十度(270°)到三百六十度(360°)之间延伸)。以此方式，确保了沿第一方向d1定向的纤维和沿第二方向d2定向的纤维彼此交叉，以及与内板层122的纤维交叉，这可在精加工部件之后提供更显而易见的视觉辅助物，且例如防止了板层的嵌套。
有利地，除改进的碰撞能力和耐磨性之外，通过沿第一方向d1定向第一板层138的纤维和沿第二方向d2定向第二板层140的纤维，纤维的取向可在检查期间用作视觉辅助物，以确保内层压板120的内板层122在部件精加工成期望几何形状时未加工(即，部件100未沿接触表面98过度加工)。即，操作者或机器可通过注意到加工区域中可见的纤维的取向来容易地确定下面的内板层122是否加工。如果纤维示为交叉或以不同于下面内板层122的取向的取向来定向，则可确定部件100在接触表面区域中并未过度加工。另一方面，如果纤维示为沿参考方向rd定向，则可确定部件100实际上在接触表面区域中过度加工。
在一些实施例中，为了确保内板层122的纤维124和界面板层132的纤维134容易识别，第一方向d1和第二方向d2分别偏离参考方向rd至少二十度(20°)。这还确保了界面板层132并未嵌套内板层122或与内板层122合并。防止板层的嵌套可在处理部件时提供改进的部件尺寸控制。
图6提供根据本主题的示例性实施例的复合部件的另一个示例性接触界面110的界面板层132的示例性层叠的分解视图。如图6中所示，内层压板120包括一个或多个内板层122(图6中仅示出了一个内板层)。内板层122具有在基质材料126内沿参考方向rd定向的增强纤维124。此外，对于该实施例，界面层压板130包括分别包括一个或多个界面板层132的第一层146和第二层148。具体而言，第一层146的一个或多个界面板层132包括一个或多个第一板层138和夹杂有第一板层138的一个或多个第二板层140。第二层148的界面板层132包括一个或多个第三板层142和夹杂有一个或多个第三板层142的一个或多个第四板层144。图6中仅示出了一个第一板层138、一个第二板层140、一个第三板层142和第一第四板层144。
如图6中进一步所示，一个或多个第一板层138的增强纤维134在基质材料136内相对于参考方向rd沿第一方向d1延伸，且一个或多个第二板层140的增强纤维134在基质材料136内相对于参考方向rd沿第二方向d2延伸。对于该实施例，第一层146的第一板层138和第二板层140的纤维134彼此交叉并且与参考方向rd交叉。此外，一个或多个第三板层142的增强纤维134在基质材料136内相对于参考方向rd沿第三方向d3延伸，且一个或多个第四板层144的增强纤维134在基质材料136内相对于参考方向rd沿第四方向d4延伸。对于该实施例，第二层148的第三板层142和第四板层144的纤维134彼此交叉并且与参考方向rd交叉。
更具体而言，对于该实施例，第一方向d1沿顺时针方向cw偏离参考方向rd四十五度(45°)(或沿反时针方向ccw偏离三百一十五度(315°))，且第二方向d2沿顺时针方向cw偏离参考方向rd三百一十五度(315°)(或沿反时针方向ccw偏离四十五度(45°))。第三方向d3沿顺时针方向cw偏离参考方向rd大约三十度(30°)(或沿反时针方向ccw偏离三百三十度(330°))，且第四方向d4沿顺时针方向cw偏离参考方向rd三百度(300°)(或沿反时针方向ccw偏离六十度(60°))。因此，对于该实施例，第一方向d1偏离第二方向d2大约九十度(90°)，且第三方向d3偏离第四方向d4大约九十度(90°)。板层138、140、142、144的纤维134根据如上文所述的这些方向定向。
通过沿第一方向d1定向第一板层138的纤维，沿第二方向d2定向第二板层140的纤维，沿第三方向d3定向第三板层142的纤维，并且沿第四方向d4定向第四板层144的纤维，纤维的取向可在检查期间用作视觉辅助物，以确保内层压板120的内板层122在部件加工成期望几何形状时未被加工。此外，在纤维134的取向沿界面层压板130的厚度变化时(例如，在第一层146与第二层148之间)，提供了另一个视觉辅助物。即，不但操作者或机器可容易地确定下面内板层122是否在精加工过程期间加工(即，过度加工)，而且可容易地确定所得的接触界面110的切割深度或厚度。例如，如果确定部件需要进一步精加工，则这是特别有利的信息。
例如，在该实例中，如果仅定向成与参考方向rd成四十五度(45°)的纤维在机加工过程之后可见(即，纤维134沿第一方向d1和第二方向d2定向)，则可容易地确定内层压板120下面的内板层122未加工，且加工的切口仅延伸入界面层压板130的第一层146中。如果未定向成与参考方向rd成四十五度(45°)的纤维或沿参考方向rd定向的纤维可见(即，定向成与参考方向rd成三十度(30°)或三百度(300°))，则可容易地确定内层压板120下面的内板层122未加工，且加工的切口延伸入界面层压板130的第二层148中。因此，存在针对接触界面110的加工深度显而易见的视觉辅助物。当然，如果可见纤维沿参考方向rd定向，则可容易地确定部件在接触表面区域过度加工。
在一些实施例中，优选地，第一方向d1偏离第三方向d3至少十度(10°)，且第二方向d2偏离第四方向d4至少十度(10°)，以便使界面层压板130之间的差异更明显。更优选地，第一方向d1偏离第三方向d3至少十五度(15°)，且第二方向d2偏离第四方向d4至少十五度(15°)。
应认识到，形成接触界面的界面层压板可具有任何适合数目的层。例如，界面层压板可具有单层或两层以上。每层可具有任何适合数量的板层。在一些实施例中，如上文所述，每层可包括具有沿偏离参考方向的第一方向延伸的纤维的板层，以及具有沿偏离参考方向的第二方向延伸的纤维的板层。板层可为穿插的。在一些实施例中，具有沿其相应方向延伸的纤维的第一板层和第二板层可以以交错方式排布。即，板层的层可与第一板层层叠，然后是第二板层，然后是第一板层，然后是第二板层，以此类推。在其它实施例中，具有沿其相应方向延伸的纤维的第一板层和第二板层可间隔排布。例如，板层的层可与第一板层层叠，然后是另一个第一板层，然后是第二板层，且然后是另一个第二板层，然后是第一板层，然后是另一个第一板层，以此类推。优选地，界面层压板的板层以交错方式层叠。以此方式，在压实过程期间防止板层嵌套或合并在一起。如上文所述，防止板层的嵌套在其处理时可提供部件的改进的尺寸控制。
图7提供了根据本主题的示例性实施例的示例性方法的流程图。具体而言，图7提供了用于制造限定了参考方向的部件的接触界面的方法的流程图。部件包括内层压板，其包括一个或多个内板层，内板层具有在基质材料内沿参考方向定向的增强纤维。例如，部件可为本文所示和所述的涡轮转子叶片，或燃气涡轮发动机的另一个部件。
在(302)中，方法(300)包括层叠具有沿偏离参考方向的界面纤维方向定向的增强纤维的一个或多个界面板层，一个或多个界面板层形成定位在内层压板上的界面层压板。例如，界面板层可为本文所示和所述的界面板层132。界面板层132可层叠来形成沿部件的接触表面的至少一部分定位在内层压板120上的界面层压板130。
在一个示例性实施方式中，内板层具有基质材料内沿参考方向定向的增强纤维。在该实例中，参考方向沿径向r延伸。在一个或多个界面板层132层叠期间，单个板层沿部件的接触表面的至少一部分层叠在内板层122上。单个板层具有基质材料内沿偏离参考方向的方向定向的增强纤维。在该实例中，该方向偏离参考方向四十五度(45°)，且因此，单个界面板层的增强纤维偏离内板层的增强纤维四十五度(45°)。以此方式，接触界面在结构上增强，且在部件精加工之后，界面板层的不同定向的增强纤维可在检查期间提供视觉辅助。在一些实施方式中，所述方向偏离参考方向rd至少四十五度(45°)。在一些实施方式中，所述方向偏离参考方向rd大约九十度(90°)。在一些实施方式中，所述方向偏离参考方向rd大约四十五度(45°)到一百三十五度(135°)之间。
在另一个示例性实施方式中，内板层具有基质材料内沿参考方向定向的增强纤维。在该实例中，参考方向沿径向r延伸。待层叠的外层压板130的一个或多个界面板层132包括一个或多个第一板层138和一个或多个第二板层140。在该实例中，所述方向包括第一方向d1和第二方向d2。一个或多个第一板层138的增强纤维134在基质材料136内相对于参考方向rd沿第一方向d1定向，且一个或多个第二板层140的增强纤维134相对于参考方向rd沿第二方向d2定向。第一方向d1不同于第二方向d2。以此方式，第一板层138的增强纤维134在第一方向d1上偏离内板层120的增强纤维124，且第二板层140的增强纤维134在第二方向d2上偏离内板层120的增强纤维124。此外，在一个或多个界面板层132层叠期间，界面板层132层叠，使得一个或多个第一板层138与一个或多个第二板层140交错。例如，第一板层138可层叠在一个内板层122上。第一板层138具有沿第一方向d1定向的增强纤维134，第一方向d1是偏离参考方向rd的方向。然后，第二板层140层叠在第一板层138上。第二板层140具有沿第二方向d2定向的增强纤维134，第二方向d2是偏离参考方向rd且偏离第一方向d1的方向。此后，第一板层138可层叠在第二板层140上，另一个第二板层140然后可层叠，以此类推，直到实现界面层压板130的期望厚度。以此方式，接触界面在结构上增强，且在部件精加工之后，第一界面板层和第二界面板层相比于内板层的不同定向的增强纤维可在检查期间提供视觉辅助。
在一个示例性实施方式中，第一方向d1偏离参考方向大约四十五度(45°)，且第二方向d2偏离参考方向rd大约三百一十五度(315°)。以此方式，第一板层138的纤维和第二板层140的纤维以x状形状交叉彼此，并且与参考方向rd交叉。此外，在该实例中，第一板层138、第二板层140和内板层122的纤维的定向与彼此间隔开，以便最大化它们之间的角距离。如上文所述，这可防止板层的嵌套，且可在部件精加工之后提供显而易见的视觉辅助。作为另一个示例性实施方式，第一方向d1偏离参考方向大约三十度(30°)，且第二方向d2偏离参考方向rd大约三百度(300°)。在这两个实例中，第一方向d1偏离第二方向d2大约九十度(90°)。如上文所述，这提供了交叉纤维，且导致了界面板层132具有x形状，这在部件精加工之后提供了显而易见的视觉辅助。
在一些实施方式中，参考方向rd限定了零度参考方向rd。在此实施方式中，第一方向d1偏离参考方向rd零度(0°)到九十度(90°)之间(即，第一方向d1在零度(0°)到九十度(90°)之间和一百八十度(180°)到二百七十度(270°)之间延伸)，且第二方向d2偏离参考方向rd九十度(90°)到一百八十度(180°)之间(即，第二方向d2在九十度(90°)到一百八十度(180°)之间和二百七十度(270°)到三百六十度(360°)之间延伸)。以此方式，确保了沿第一方向d1定向的纤维和沿第二方向d2定向的纤维彼此交叉，以及与内板层122的纤维交叉，这在精加工部件之后提供了更显而易见的视觉辅助物，且例如防止了板层的嵌套。在一些实施方式中，第一方向偏离第二方向至少四十五度(45°)。在一些实施方式中，第一方向d1和第二方向d2分别偏离参考方向rd至少二十度(20°)。在一些实施方式中，第一方向d1和第二方向d2分别偏离参考方向rd至少三十度(30°)。此实施方式的纤维的间距提供了更显而易见的视觉辅助，且防止了板层的嵌套。
在一些实施方式中，所述方向包括第一方向、第二方向、第三方向和第四方向。第一方向、第二方向、第三方向和第四方向是不同方向。在此实施方式中，外层压板包括分别具有一个或多个界面板层的第一层和第二层。第一层的一个或多个界面板层包括一个或多个第一板层和夹杂有一个或多个第一板层的一个或多个第二板层。第二层的一个或多个界面板层包括一个或多个第三板层和夹杂有一个或多个第三板层的一个或多个第四板层。在此实施方式中，一个或多个第一板层的增强纤维在基质材料内相对于参考方向沿第一方向定向。一个或多个第二板层的增强纤维在基质材料内相对于参考方向沿第二方向定向。一个或多个第三板层的增强纤维在基质材料内相对于参考方向沿第三方向定向。最后，一个或多个第四板层的增强纤维在基质材料内相对于参考方向沿第四方向定向。以此方式，不但操作者或机器可容易地确定下面的内板层在精加工期间是否已经加工(即，过度加工)，而且可容易地确定剩余界面板层的切割深度或厚度。
在一些实施方式中，第一方向、第二方向、第三方向和第四方向偏离彼此和参考方向至少十度(10°)。更优选地，第一方向、第二方向、第三方向和第四方向偏离彼此和参考方向至少二十度(20°)。更优选地，第一方向、第二方向、第三方向和第四方向偏离彼此和参考方向至少三十度(30°)。以此方式，此实施方式的纤维的间隔提供了更显而易见的视觉辅助且防止了板层的嵌套。
在一些实施方式中，在层叠一个或多个界面板层之后，该方法还包括压实部件；烧尽部件；密实化部件；沿界面层压板的至少一部分加工部件；以及确定增强板层的定向。例如，在一些实施例中，部件在界面板层层叠到内板层上时可处于预形件状态。在界面板层层叠之后，包括内板层和界面板层两者的所得的预形件经历压实过程。例如，预形件部件可插入高压釜中来形成生坯状态的部件。此后，生坯状态的部件可经历烧尽过程，其中生坯状态的部件置于炉中来烧尽多余的粘合剂等。然后，现在的多孔部件可经历密实化过程。例如，部件可与硅块或硅片一起置于炉中，且烧制来使部件至少熔渗硅。所得的复合部件然后可沿界面层压板的至少一部分精加工，以将部件加工成期望的几何形状。在加工之后，确定沿加工区域的可见纤维的定向。如果沿加工区域可见的纤维沿参考方向定向，则可确定下面的结构内板层已加工且因此受损。另一方面，如果沿加工区域可见的纤维未沿参考方向定向，则可确定下面结构内板层并未加工且因此未受损。此外，当界面板层包括嵌入陶瓷基质内的增强纤维时，接触界面在结构上增强。接触界面可用交错的板层具体增强，交错的板层具有偏离彼此和下面的内板层的纤维。
在一些实施方式中，部件沿其接触表面受损。在此实施方式中，该方法包括：加工受损区域。例如，这可包括除去界面板层，且在一些情况下除去结构内板层。一旦除去受损区域，则一个或多个界面板层可以以如上文在(302)中所述的方式层叠。此后，部件和增加的界面板层可经历压实过程，其可包括将部件置于高压釜中。生坯状态的部件然后可经历如上文所述的烧尽过程和熔渗过程。然后，部件可沿界面板层精加工来将部件定形为期望的几何形状。此后，可视觉地检查部件，使得可确定纤维的定向。基于纤维的定向，可容易地确定部件是否被过度加工。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或如果其包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构元件，那么预期此类其它实例在权利要求书的范围内。
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