陶瓷复合构件及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201110104509.7 | 申请日 | 2011-04-15 | 公开(公告)号 | CN102248724A | 公开(公告)日 | 2011-11-23 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | H·C·罗伯茨; P·S·迪马斯乔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及陶瓷复合构件及其制造方法。具体而言，一种陶瓷复合构件(100，300，500，600)包括从上表面(112)延伸至下表面的本体，所述本体包括至少两个陶瓷复合层(CCL)；第一CCL(110，202，302)；第二CCL(120，204，304)，其中第二CCL连结到第一CCL上；沿第一方向延伸跨过陶瓷复合构件的至少一部分的第一通路(610)；垂直于第一通路延伸的第二通路(620)，使得该第二通路不会延伸至所述本体的外缘(114)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种陶瓷复合构件(100，300，500，600)，包括： |
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| 说明书全文 | 陶瓷复合构件及其制造方法技术领域[0001] 本发明的领域主要涉及复合构件的制造，并且更具体地涉及陶瓷复合构件及其制造方法。 背景技术[0002] 由于陶瓷材料的耐热和抗温性，由陶瓷材料制成的构件通常用于替代由其它材料制成的构件，例如，金属构件。通常，陶瓷构件制造为具有限定于其中的中空腔体或流动通路，其使得冷却流体能够引导穿过构件而有助于对该构件和/或陶瓷构件下游的构件进行冷却或其它的能量传递。例如，至少一些公知的燃气涡轮发动机包括可至少部分地由复合材料制成的构件。这些涡轮构件可至少部分地由排出自限定于该构件中的腔体的冷却空气膜来冷却。 [0003] 至少一种公知的制造陶瓷构件的方法涉及铸造工艺，在其中，多个冷却槽口以多个大致平行的列形成在该构件中。例如，在公知构件中，在构件中形成的各槽口在构件使用蜡模铸造或熔模铸造工艺制造时形成为具有一种或多种长度。在该铸造过程期间，插入物(或型芯，insert)用于形成构件。尽管该工艺通常结合非陶瓷构件予以采用，但采用此种铸造工艺制造陶瓷构件可能很难、耗时且昂贵。 [0004] 制造复合构件的另一公知方法为分层制造方法。在此种方法中，数层陶瓷材料可联接在一起，使得随后可使用钻掘或其它形式的能量形成通路来系统地移除现有的材料。然而，由于制造这些构件中使用的材料的强度，钻头或其它形式的能量传递装置和系统可能会过早地损坏，从而增加制造成本。此外，在此种制造工艺中，因为公知的钻头或其它能量传递装置和系统的固有限制，各通路的定向是受限的。 发明内容[0005] 一方面，提供了一种用于制造陶瓷复合构件的方法。该方法包括：形成第一陶瓷复合层(CCL)，抵靠第一CCL定位模型(form)，抵靠模型定位第二CCL，使得该模型至少部分地由第一CCL和第二CCL界定。该方法还包括将第一CCL联接到第二CCL上，使得至少第一通路沿第一方向延伸跨过陶瓷复合构件的至少一部分，且在由第一模型空出的位置至少部分地由第一CCL和第二CCL限定。 [0006] 另一方面，提供了一种制造陶瓷复合构件的方法。该方法包括：形成第一陶瓷复合层(CCL)、抵靠第一CCL定位第一模型、抵靠第一模型的第一侧定位至少第二CCL，使得第一模型至少部分地由第一CCL和至少第二CCL界定。该方法还包括将第一CCL和第二CCL联接在一起，使得沿第一方向延伸跨过陶瓷复合构件的至少一部分的至少第一通路限定在由第一模型空出的位置。 [0007] 又一方面，提供了一种陶瓷复合构件。陶瓷复合构件包括从上表面延伸至下表面的本体，所述本体包括至少两个陶瓷复合层(CCL)。该构件还包括第一CCL；第二CCL，其中，第二CCL连结到第一CCL上；沿第一方向延伸跨过陶瓷复合构件的至少一部分的第一通路；与第一通路垂直地延伸的第二通路，使得第二通路不会延伸至所述本体的边缘。 附图说明 [0008] 图1为处于其初始制造阶段且制造为仅具有两层的示例性陶瓷复合构件的透视图。 [0009] 图2为处于其初始制造阶段且制造为具有超过两层的陶瓷复合构件的备选实施例的透视图。 [0010] 图3为处于其初始制造阶段且制造为具有超过两层的陶瓷复合构件的另一备选实施例的透视图。 [0011] 图4为可用于制造复合构件(例如，图1至图3中所示的构件)的示例性中空模型的透视图。 [0012] 图5为包括流动连通地联接在一起的多个内部通路的示例性陶瓷复合构件的截面视图。 [0013] 图6为包括沿多个不同定向延伸的多个内部通路的备选陶瓷复合构件的截面视图。 [0014] 零件清单 [0015] 100陶瓷复合构件 [0016] 110第一(CCL)陶瓷复合层 [0017] 112上表面 [0018] 114外缘 [0019] 120第二CCL [0020] 130模型系统 [0021] 150通路段 [0022] 160通路段 [0023] 200构件 [0024] 202第一CCL [0025] 204第二CCL [0026] 206第三CCL [0027] 208上CCL [0028] 210上表面 [0029] 220模型系统 [0030] 222通路段 [0031] 224通路段 [0032] 300陶瓷复合构件 [0033] 302第一陶瓷复合层 [0034] 304第二CCL [0035] 306上层 [0036] 310上表面 [0037] 320模型系统 [0038] 330第一通路段 [0039] 332第二通路段 [0040] 400模型系统 [0041] 402中空通路段 [0042] 404中空连接段 [0043] 500陶瓷复合构件 [0044] 502第一孔口 [0045] 504第二孔口 [0046] 510多个通路 [0047] 512多个通路 [0048] 600备选陶瓷复合构件 [0049] 610第一通路 [0050] 612孔口 [0051] 616边缘 [0052] 618外缘 [0053] 620第二通路 [0054] 630倾斜定向的通路 [0055] 632孔口 [0056] 634孔口 [0057] 636通路 [0058] 640通路 具体实施方式[0059] 图1为处于其初始制造阶段的示例性陶瓷复合构件100的透视图。在示例性实施例中，构件100通过处理技术，举例来说，例如美国专利No.6,024,898中所公开的那些而形成。更具体而言，在示例性实施例中，使用模型系统130，陶瓷构件100形成为具有第一陶瓷复合层(CCL)110和第二CCL120。在示例性实施例中，模型系统130为中空的，且包括通路段150和160，也为中空的。作为备选，所有或至少部分的模型系统130可为实心的。 [0060] 更具体而言，在示例性实施例中，各段150和160均分别具有大致圆形的截面形状和大致椭圆形的截面形状。作为备选，各段150和/或160可具有能使构件100如本文所述那样起作用的任何截面形状。此外，在示例性实施例中，各通路段150和160均从CCL110和120的至少一个外缘114向内延伸。作为备选，通路段150和/或160的至少一端从层110和120的外缘114向内终止于一定距离，且由层110和120大致密封。 [0061] 最初，在示例性实施例中，第一CCL110定位在大致平的表面上，且模型系统130抵靠第一CCL110的上表面112定位。具体而言，模型系统130定位在关于CCL110的能使通路(图1中未示出)形成在构件100内的期望位置上的位置。在模型系统130沿期望的定向对准之后，第二CCL120延伸跨过第一CCL110和模型系统130，使得模型系统130大致夹在层110和120之间且由该层110和120所界定。构件100然后经热处理以将层110和120牢固地连结在一起。在示例性实施例中，层110和120分别包括粘合剂，其便于加强层110和120之间的粘附。例如，粘合剂可为但不限于酚醛树脂或.醋酸戊酯(anamylacetate)复合物。此外，在示例性实施例中，模型系统130由非陶瓷材料制成，例如但不限于木材、塑料，或陶瓷和非陶瓷材料的复合物。在一个实施例中，陶瓷和非陶瓷材料的复合物的使用可用于将包括但不限于翅片和旋流器的表面特征加至通路，这有助于沿通路或穿过表面壁传递能量。作为备选，模型系统130可由能使系统130如本文所述那样起作用的任何材料制成。在热处理器过程期间，粘合剂和模型系统130分别从构件100熔化并溶解，使得多个通路(图1中未示出)限定在由通路段150和160所空出的这些位置。 [0062] 图2为处于其初始制造阶段的示例性陶瓷复合构件200的透视图。在示例性实施例中，构件200形成为具有第一陶瓷复合层(CCL)202、第二CCL204、第三CCL206，以及上CCL208，且在制造过程期间使用模型系统220。更具体而言，在示例性实施例中，模型系统220包括两个中空通路段222和224。作为备选，包括段222和/或段224的模型系统220的至少一部分可为实心的。最初，在示例性实施例中，第一CCL202定位在大致平的表面上，且中空模型系统220抵靠第一CCL202的上表面210定位在能使通路(图2中未示出)形成在构件200内的期望位置的位置处。第二CCL204延伸跨过第一CCL202，使得中空模型系统220至少部分地封装在第一CCL202与第二CCL204之间。第三CCL206然后延伸跨过第二CCL204，使得模型系统220由CCL202，204和206大致封装。上CCL208然后延伸跨过第三CCL206。 [0063] 当CCL202，204，206和208分别沿其期望的定向布置和对准时，陶瓷构件200经热处理以使用粘合剂牢固地将层202，204，206和208连结在一起，其中，粘合剂有助于加强层202，204，206和208之间的粘附。此外，在热处理期间，粘合剂和模型系统220分别是熔化的，以便多个通路限定在之前由通路段222和224所占据的位置。在示例性实施例中，通路段222和/或224分别具有大致圆形的截面形状和大致椭圆形的截面形状。作为备选，各段222和/或224均可具有能使构件200如本文所述那样起作用的任何截面形状。 [0064] 图3为处于其初始制造阶段的示例性陶瓷复合构件300的透视图。在示例性实施例中，构件300由多个层302，304和306形成，且在制造过程期间使用模型系统320。在示例性实施例中，模型系统320为中空的。作为备选，任何或所有的模型系统320都可为实心的。此外，在示例性实施例中，第一陶瓷复合层(CCL)302最初定位在大致平的表面上，且模型系统320抵靠第一CCL302的上表面310定位。此外，在示例性实施例中，模型系统320至少包括第一通路段330和第二通路段332。第二CCL304定位成在段330和332之间延伸，使得通路段330和332部分地由CCL304界定。上层306然后定位成跨过第一CCL302和第二CCL304，以便在示例性实施例中，上层306延伸跨过构件300的整个宽度W。当层302，304和306沿其期望的定向布置和对准时，陶瓷构件300经热处理以将层302，304和306牢固地连结在一起，以便模型系统320经熔化而在构件300内的由模型系统320空出的位置产生多个通路(图3中未示出)。在备选实施例中，多个陶瓷复合材料层可定位在段330和 332之间。 [0065] 应当注意的是，诸如构件100，200和/或300的陶瓷构件可制造成具有任意数目的陶瓷复合材料层，和/或具有沿能使所产生的陶瓷构件如本文所述那样起作用的任何定向来定向的陶瓷复合材料层。然而，诸如构件100，200和/或300的陶瓷构件可制造成具有沿能使所产生的陶瓷构件如本文所述那样起作用的任何方向(或多个方向)定向的任意数目的通路。在制造过程期间将诸如层304的多个层加至特定区域或多个区域的益处在于所提供的最终产生的陶瓷构件可在特定区域提供有额外的重量或强度。 [0066] 图4为示例性模型系统400的透视图，该模型系统400可用于制造陶瓷构件，如构件100，200和/或300(图1、图2和图3中所示)。在示例性实施例中，模型系统400包括多个中空通路段402，其定向为大致彼此平行，且通过多个中空连接段404流动连通地联接在一起。更具体而言，在示例性实施例中，段404在相邻通路段402之间大致垂直地延伸，以便使由段402产生的通路能够流动连通地联接在一起。 [0067] 图5为可使用本文所述的制造方法形成的示例性陶瓷复合构件500的截面视图。在示例性实施例中，构件500包括第一孔口502、第二孔口504、沿第一方向定向的多个通路 510，以及沿大致垂直于通路510的第二方向定向的多个通路512。 [0068] 图6为可使用本文所述的制造方法而形成的备选陶瓷复合构件600的截面视图。类似的是，陶瓷构件600包括第一通路610、第二通路620，以及相对于通路610和620倾斜地定向的通路630和640。在示例性实施例中，通路610延伸至边缘616，且包括孔口612。 通路620与通路610流动连通，且大致垂直于通路610。此外，通路620不会延伸至构件600的外缘618。倾斜定向的通路630包括能够经由通路630流动连通的孔口632和634。通路630还包括在通路630之间延伸以使得能够在孔口632和634之间流动连通的通路636。 通路640形成为使得它们密封在构件600内。 [0069] 使用模型系统400制造诸如构件600(图6中所示)的陶瓷构件的益处在于，诸如610和620的通路可形成为能够贯穿陶瓷构件双向流动连通，同时仅具有一个孔口，如孔口 612。相反，制造陶瓷复合构件的公知系统，如分层方法，不能产生能够在不包括用于各通路的孔口的情况下进行双向流动连通的通路，因为采用钻掘形成通路固有的制造局限性。更具体而言，在使用钻掘或其它形式的能量来系统地除去现有的材料而产生流动通路时，连接通路必须分别从构件边缘延伸至通路。因此，使用模型系统400的另一优点在于消除对使用钻掘或其它形式的能量来在复合构件中形成通路的需要。 [0070] 在制造陶瓷构件时使用模型系统400的另一益处在于，模型系统400使空气、流体或气体能够经由第一孔口进入和退出，且继续流过整个构件而容许加热或冷却构件且退出第二孔口(如图5和图6中所示)。在制造陶瓷构件时使用模型系统400的另一益处在于，模型系统400使固体或泡沫材料能够插入流动通路中。此外，在制造陶瓷构件时使用模型系统400的另一益处在于，模型系统400可包括弯曲段，以在陶瓷构件内产生弯曲流动通路(未示出)。 [0071] 然而，使用模型系统400制造陶瓷构件的另一益处在于，流动通路可形成为密封在构件中，如通路640(图6中所示)。使用密封通路的益处在于，结构支承可容易地加至构件，因为可将肋条插入构件通路中。此外，本领域的技术人员可看到的是，密封流动通路可用作加热管，或其它能量传递器件，因为它们密封在构件中。 [0072] 上述方法和设备提供了成本效益合算且高度可靠的方法来制造具有内部通路的陶瓷复合构件。本文所述的制造过程提供了制造陶瓷复合构件的成本效益合算的方法，其使得内部冷却通路能够以不牺牲构件结构完整性的方式形成。此外，在一个实施例中，内部通路有助于降低构件的重量，有助于减小振动，以及提供可插入肋条来提高构件结构强度的区域。该制造还由于其结构而提供了热增长益处。 [0073] 上文详细地描述了用于制造陶瓷复合构件的设备和方法的示例性实施例。该设备和制造方法不限于本文所述的特定实施例。例如，该制造方法不必限于仅结合陶瓷复合构件来实施。确切而言，本发明可结合许多其它高温构件应用来执行和使用。 |
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