纤维强化后的涡轮零部件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纤维强化后的涡轮零部件，尤其涉及由包含强化纤维的陶瓷基复合材料构成的涡轮动叶片。
【背景技术】
[0002]如图8A中举例表示那样，航空器用涡轮风扇发动机具备用于从燃烧气体取出能量的多级涡轮，各级的涡轮由在涡轮盘的周围排列的多个涡轮动叶片构成。如图8B中举例表示那样，各涡轮动叶片100大致由叶片部102、包围外侧的围带部104、包围内侧的平板部108、以及用于与涡轮盘结合的燕尾部106构成。在由围带部104和平板部108包围的空间流动燃烧气体，叶片部102承受该流动的燃烧气体并将其能量变换为旋转能量，向涡轮盘传递。随着旋转，各涡轮动叶片100受到离心力CF。
[0003]由于涡轮动叶片暴露于燃烧气体的高温下，所以选择在高温时具有足够的强度的材料，在以往例如是Ni基合金。近几年，根据航空器的燃料效率提高的要求，研宄了利用能够更加耐高温的温度且更加轻型的陶瓷基复合材料(CMC)。CMC是通过将由陶瓷构成的强化纤维埋入相同种类的或者不同种类的陶瓷的基体而成的。由CMC构成的部件的制造例如通过编织强化纤维而成为织物、并利用浸渍法或气相法在该纤维间填充基体而成。专利文献1、2公开相关的技术。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:美国专利第7510379号公报
[0007]专利文献2:美国专利申请公开2009/0165924号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的课题
[0009]由于织物较薄，所以制造较薄的板状的CMC部件容易。具有某程度的厚度的CMC部件能够通过使强化纤维织物重叠来制造。然而，强化纤维织物重叠后的面间不通过强化纤维连接。由于CMC的高强度较多依赖于强化纤维，所以这样的部位显著强度较差，且针对剥离或剪切的破坏较脆弱。
[0010]在如涡轮动叶片那样不是单纯的板状的复杂形状的部件中，对于上述的问题需要特别注意。例如叶片部是接近单纯的板状的形状，因而能够通过使纤维朝向长边方向并在与其正交的宽度方向上重叠强化纤维织物来形成。由于朝向长边方向的纤维沿着离心力的方向，所以提供对抗离心力的足够的强度。另一个方面，燕尾部需要比叶片部沿宽度方向膨出而与涡轮盘卡合。膨出的构造能够通过在该部位追加地重叠强化纤维织物来形成。但是，这样的构造中，由于离心力以剪切重叠的面的方式作用于燕尾部，所以有引起剪切破坏的担忧。
[0011]如上所述，本发明人发现问题的根源在于使强化纤维织物重叠，想到解决该问题的构造，从而完成本发明。
[0012]用于解决课题的方案
[0013]根据本发明的一个方面，涡轮零部件具备:叶片部，其沿长边方向延伸；燕尾部，其与上述叶片部的一端连续，且在与上述长边方向交叉的宽度方向上比上述叶片部膨出；多个第一强化纤维，它们从上述叶片部至上述燕尾部连续地行进；第二强化纤维，其在上述叶片部处至少局部地沿上述宽度方向行进；以及基体，其结合上述多个第一强化纤维和上述第二强化纤维的整体，其中，在上述叶片部，上述第二强化纤维织入上述多个第一强化纤维之间而构成三维织物，在上述燕尾部，上述多个第一强化纤维不会被织入的其它纤维而在上述宽度方向上汇集，而在上述宽度方向上展开。
[0014]发明的效果如下。
[0015]由陶瓷基复合材料构成的涡轮零部件在燕尾部也能够确保足够的强度。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的一个实施方式的涡轮动叶片和涡轮盘的立体图。
[0017]图2是示意的涡轮动叶片的剖视图，举例表示了叶片部的内侧端以及燕尾部的强化纤维织物的行进。
[0018]图3是其它例子的示意的涡轮动叶片的剖视图。
[0019]图4是另一其它例子的示意的涡轮动叶片的剖视图。
[0020]图5是用于本实施方式的由强化纤维构成的三维织物的示意立体图。
[0021]图6A是涡轮动叶片的示意立体图，举例表示了包含追加的强化纤维织物的涡轮动叶片。
[0022]图6B是沿图6A的VIB-VIB线取得的涡轮动叶片的示意剖视图。
[0023]图7A是与图6A不同的例子的涡轮动叶片的示意立体图。
[0024]图7B是沿图7A的VIIB-VIIB线取得的涡轮动叶片的示意剖视图。
[0025]图8A是局部切断来观察内部构造的航空器用涡轮风扇发动机的立体图。
[0026]图8B是一般的涡轮动叶片的立体图。
【具体实施方式】
[0027]以下，参照附图对本发明的几个举例表示的实施方式进行说明。
[0028]本实施方式能够用于如涡轮动叶片那样复杂形状的涡轮零部件，但也能够用于需要高温强度的其它多种机械部件。以下，以图1中举例表示的涡轮动叶片I为例对本实施方式进行说明。
[0029]本说明书以及权利要求书中，涡轮的径向与涡轮动叶片的长边方向一致，将其称作长边方向。同样将涡轮的轴向称作进深方向，将涡轮的旋转的切线方向称作宽度方向。附图以及以下的说明中，将长边方向、进深方向、以及宽度方向分别表示为X、Y、Zo各图的例子中这些方向相互正交，但在本实施方式中不是必须是正交，它们也可以相互斜向地交叉。
[0030]参照图1，涡轮动叶片I具备:沿长边方向X延伸的叶片部2 ;从叶片部2的外侧端沿宽度方向Z伸出的围带部4 ;从叶片部2的内侧端沿宽度方向Z伸出的平板部8 ;以及比平板部8还向内周方向突出的燕尾部6。燕尾部6与叶片部2的下端连续，沿宽度方向Z比叶片部2膨出，并与具有与燕尾部6的形状互补的形状的涡轮盘9卡合。多个涡轮动叶片I受到燃烧气流，与涡轮盘9 一体地进行旋转运动R。因旋转运动R而对涡轮动叶片I作用离心力CF。
[0031]涡轮动叶片I局部或者整体由陶瓷基复合材料(CMC)构成。其整体也可以是一体，至少叶片部2以及燕尾部6由CMC —体形成。
[0032]该强化纤维至少局部地三维编织而如图5中举例表示那样构成三维织物。沿长边方向X行进的多个第一强化纤维10在进深方向Y以及宽度方向Z上隔开间隔地平行并列，一个以上的第二强化纤维织入其间，从而构成三维织物。第二强化纤维至少局部地沿宽度方向Z行进，还在进深方向Y上也行进，从而包含这样的三维织物的CMC在所有方向上具有足够的强度。
[0033]第一强化纤维10以及第二强化纤维例如是碳化硅纤维、碳纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维中任一个，但也可以是其它适当的陶瓷，还可以是它们中两个以上的混合物。并且，第一强化纤维10和第二强化纤维也可以是相同的材料，也可以是不同的材料。
[0034]第一强化纤维10以及第二强化纤维通过基体相互结合。基体也能够使用任意的陶瓷，例如能够使用与第一、第二强化纤维相同种类的陶瓷。组合的一个例子是氮化硅纤维的强化纤维和由氮化硅构成的基体的组合，这在高温强度以及轻型性的方面优异。
[0035]参照图2，第一强化纤维10从叶片部2至燕尾部6连续行进。在叶片部2，第二强化纤维织入第一强化纤维10之间而构成三维织物。由于第一强化纤维10被第二强化纤维汇集，所以在宽度方向Z上比较薄。
[0036]如上所述，第一强化纤维10连续地到达燕尾部6，在此处不构成三维织物。S卩，在燕尾部6，第一强化纤维10不会被在其之间织入的其它纤维在宽度方向Z上汇集，而在宽度方向Z上展开。本说明书以及权利要求书中，“展开”这个词是指解开、扩开纤维间的间隔、在横向上扩大、分散的意思。由此，燕尾部6比叶片部2沿宽度方向Z膨出。
[0037]此外，在燕尾部6，第一强化纤维10也可以相互独立，或者也可以构成多个二维织物。即，在燕尾部6，第一强化纤维10形成多个层，各层中在第一强化纤维10间织入沿进深方向Y行进的其它强化纤维，由此也可以构成各层在进深方向Y上捆束的二维织物。构成二维织物使第一强化纤维10的处理变得容易。
[0038]第一强化纤维10也可以在叶片部2和燕尾部6双方中，从其中心C至表面沿宽度方向Z是等间隔。例如图2中与辅助线La相交的交点Pal、Pa2、一Pan是等间隔，在辅助线Lb上交点Pbl、Pb2、一Pbn也是等间隔。第一强化纤维10在中心C与长边方向X大致平行地行进，并随着接近燕尾部6的表面而沿向表面渐近的方向行进。
[0039]根据上述的例子，除最表面的之外