陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法专利检索-涡轮涡轮机专利检索查询-专利查询网

陶瓷基体 复合材料 涡轮 喷嘴壳体和组装方法

阅读：10发布：2020-05-08

专利汇可以提供陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明题为“陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法”。本公开提供了一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法。该方法包括：组装一次外部喷嘴平台、一次内部喷嘴平台、芯和后缘预成型件、以及翼型体；将一次外部喷嘴平台接合到翼型体的二次外部喷嘴平台；以及将一次内部喷嘴平台接合到翼型体的二次内部喷嘴平台。复合材料层片周向地环绕所述翼型体，并且它们的纵向边缘被切割成向下折叠的指状物。指状物在二次平台层片之间交织以形成二次外部喷嘴平台和二次内部喷嘴平台。，下面是陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法，所述方法包括：
堆叠和压实第一多个平台层片以组装一次外部喷嘴平台；堆叠和压实第二多个平台层片以组装一次内部喷嘴平台；
将多个后缘层片堆叠成V形形状；
通过将多个芯层片包裹在具有较宽端和较窄端的工具周围以限定中空翼型形状以及将所述堆叠的后缘层片布置在所述多个芯层片的所述较窄端附近来组装芯和后缘预成型件；
通过以下方式组装翼型体：将一组复合材料包裹层片周向地包裹在所述芯和后缘预成型件周围，所述一组复合材料包裹层片中的每个复合材料包裹层片具有第一层和第二层，所述第一层具有平行于所述涡轮喷嘴的纵向轴线取向的第一单向纤维，所述第二层具有相对于所述第一单向纤维在横向方向上取向的单向纤维，其中每个复合材料层片具有第一纵向边缘和第二纵向边缘；将所述第一纵向边缘和所述第二纵向边缘切割成指状物；以及使所述指状物在横向方向上远离所述芯层片折叠并使每个复合材料包裹层片的所述指状物在第二平台层片之间交织以限定二次内部喷嘴平台和二次外部喷嘴平台；将所述一次外部喷嘴平台接合到所述二次外部喷嘴平台；以及
将所述一次内部喷嘴平台接合到所述二次内部喷嘴平台。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述一次外部喷嘴平台和形成所述一次内部喷嘴平台的步骤同时执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个平台层片中的所述平台层片包括具有在第一纤维方向上取向的单向纤维的第一平台层片和具有在横向于所述第一纤维方向的第二纤维方向上取向的单向纤维的第二平台层片；并且其中在所述一次外部喷嘴平台的所述组装中所述第一多个平台层片的所述堆叠和压实包括使所述第一平台层片与所述第二平台层片交替。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一次外部喷嘴平台的所述组装还包括对所述堆叠和压实的第一多个平台层片的生坯加工。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二多个平台层片中的所述平台层片包括具有在第三纤维方向上取向的单向纤维的第三平台层片和具有在横向于所述第三纤维方向的第四纤维方向上取向的单向纤维的第四平台层片；并且其中在所述一次内部喷嘴平台的所述组装中所述第二多个平台层片的所述堆叠和压实包括使所述第三平台层片与所述第四平台层片交替。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述一次外部喷嘴平台的所述组装还包括对所述堆叠和压实的第二多个平台层片的生坯加工。
7.根据权利要求1所述的方法，其中组装所述翼型体的步骤还包括将所述一组复合材料层片中的每个复合材料层片周向地包裹在所述芯和后缘预成型件周围，使得每个第一层和每个第二层以交替布置的方式包裹在所述芯层片周围。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述翼型体的所述组装还包括在每个复合材料包裹层片的折叠指状物的径向外侧设置多个填料面板，使得基本上均匀的层片层在所述第二平台层片之间交织。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括卷起一个或多个层片以产生第一凹形圆角并用所述第一凹形圆角在所述翼型体与所述二次外部喷嘴平台之间的接头处包围所述翼型体。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括卷起一个或多个层片以产生第二凹形圆角并用所述第二凹形圆角在所述翼型体与所述二次内部喷嘴平台之间的接头处包围所述翼型体。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括在进行将所述一次外部喷嘴平台接合到所述翼型体的所述二次外部喷嘴平台并将所述一次内部喷嘴平台接合到所述翼型体的所述二次内部喷嘴平台的步骤之后进行使所述翼型体、所述外部喷嘴平台和所述内部喷嘴平台刚化的步骤；并且其中所述刚化的步骤产生刚化CMC涡轮喷嘴。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括使用熔渗工艺使所述刚化CMC涡轮喷嘴致密化。

说明书全文

陶瓷基体复合材料 涡轮 喷嘴壳体和组装方法

[0001] 政府权利声明

[0002] 本公开中描述的发明是在美国政府的支持下以由能源部授予的合同号DE-FE0024006进行的。美国政府对本发明享有一定权利。

技术领域

[0003] 本公开涉及陶瓷基体复合材料制品及其生产方法的领域。更具体地，本公开涉及用于生产气体涡轮的陶瓷基体复合材料(CMC)喷嘴的更有效的方法，其中分开组装的预成型件组合以形成CMC喷嘴。

背景技术

[0004] 一些常规涡轮机器诸如气体涡轮系统用于产生电力。一般来讲，气体涡轮系统包括压缩机、一个或多个燃烧器、以及涡轮。空气可以经由其入口被吸入压缩机，在那里，空气通过经过多级旋转叶片和固定喷嘴而被压缩。压缩空气被引导到一个或多个燃烧器，在那里，燃料被引入，并且燃料/空气混合物被点燃并燃烧以形成燃烧产物。燃烧产物用作涡轮的工作流体。

[0005] 然后，工作流体流过涡轮中的流体流动路径，流动路径被限定在多个旋转叶片与设置在旋转叶片之间的多个固定轮叶之间，使得每组旋转叶片和每组对应固定喷嘴限定涡轮级。当多个旋转叶片旋转气体涡轮系统的转子时，联接到转子的发电机可以从转子的旋转产生电力。涡轮叶片的旋转还导致联接到转子的压缩机叶片的旋转。

[0006] 更具体地，气体涡轮喷嘴是涡轮区段的静态部件，其被配置为将热气路径中的热气(在高于2,200℉的温度下)引导到涡轮的旋转部分以实现转子的旋转运动。通常，气体涡轮喷嘴和叶片由超合金(金属)材料制成，其被涂覆有热障涂层和/或具有复杂的空气冷却特征。然而，转移到涡轮部件的空气代表气体涡轮的寄生损失，这降低了气体涡轮的总体效率。

[0007] 通过使用能够承受热气流动路径中的高温条件的更先进的材料，可以减少冷却部件所需的冷却空气的体积。陶瓷基体复合材料(CMC)是这种先进材料的一个示例。这种材料的特性降低相应零件的冷却要求，从而与常规气体涡轮相比提高了气体涡轮的效率。

[0008] 组装陶瓷基体复合材料部件可能是耗时的，特别是如果该部件包括复杂几何形状的话。例如，涡轮喷嘴包括基本上中空的翼型体，该翼型体定位在内部喷嘴平台与外部喷嘴平台之间。组装CMC部件的更有效的方法将会缩短这些部件的生产时间。

[0009] 在一些情况下，尽管用CMC材料实现了改进的热性能，但是涡轮喷嘴可能在竖直取向的翼型体与水平取向的内部平台壁和外部平台壁之间的接头处经受应力(具有发生破裂的可能性)。因此，加固这些接头的改进方法将会改进这些部件的耐用性和使用寿命。

发明内容

[0010] 提供了一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法。该方法包括：组装一次外部喷嘴平台、一次内部喷嘴平台、芯和后缘预成型件、以及翼型体；将一次外部喷嘴平台接合到翼型体的二次外部喷嘴平台；以及将一次内部喷嘴平台接合到翼型体的二次内部喷嘴平台。

[0011] 通过堆叠和热压实第一多个平台层片来组装一次外部喷嘴平台；通过堆叠和热压实第二多个平台层片来组装一次内部喷嘴平台。通过将多个后缘层片堆叠并热压实为大体V形形状来组装后缘预成型件。通过将多个芯层片包裹在具有较宽端和较窄端的工具周围并且通过将堆叠的后缘层片布置在多个芯层片的较窄端附近来组装芯和后缘预成型件。

[0012] 通过将一组复合材料包裹层片周向地包裹在芯和后缘预成型件周围来组装翼型体。一组复合材料包裹层片中的每个复合材料包裹层片具有第一层和第二层，第一层具有平行于涡轮喷嘴的纵向轴线取向的第一单向纤维，第二层具有相对于第一单向纤维在横向方向上取向的第二单向纤维。复合材料包裹层片具有第一纵向边缘和第二纵向边缘。将第一纵向边缘和第二纵向边缘切割成指状物，并且使指状物在横向方向上远离芯层片折叠并在第二平台层片之间交织以限定二次内部喷嘴平台和二次外部喷嘴平台。将一次外部喷嘴平台接合到二次外部喷嘴平台，并且将一次内部喷嘴平台接合到二次内部喷嘴平台。附图说明

[0013] 涉及本领域的普通技术人员的说明书阐述本发明的系统和方法的完整的且能够实现的公开内容，包括使用该系统和方法的最佳模式。说明书涉及附图，其中：

[0014] 图1是可结合本公开的各种实施方案的示例性气体涡轮的功能框图；

[0015] 图2是根据本公开的一个方面的涡轮喷嘴的分解图；

[0016] 图3是根据本公开的一个方面的用于组装翼型件预成型件的部件的示意图；

[0017] 图4是根据本公开的芯预成型件的示意性俯视平面图；

[0018] 图5是根据本公开的后缘预成型件的示意性俯视平面图；

[0019] 图6是图4和图5的芯和后缘预成型件的示意性俯视平面图，一对示例性复合材料包裹层片包裹在该芯和后缘预成型件周围；

[0020] 图7是在堆叠成复合材料包裹层片之前的0度层片和90度层片的示意图；

[0021] 图8是使用图7的0度层片和90度层片组装的复合材料包裹层片的示意图；

[0022] 图9是示例性翼型件预成型件的一部分的透视图，其示出了在制造图3的翼型件预成型件期间执行的初始步骤；

[0023] 图10是图3的翼型件预成型件的一部分的示意性剖视图；

[0024] 图11是图2的陶瓷基体复合材料喷嘴预成型件的一部分的示意性剖视图；并且[0025] 图12A和图12B是描述制造本发明的陶瓷基体复合材料喷嘴预成型件的方法的流程图。

具体实施方式

[0026] 现在将详细地参考本公开的各种实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本公开的相似或类似的零件。

[0027] 为了清楚地描述本公开的陶瓷基体复合材料喷嘴及其部件，将使用某些术语指代和描述本公开范围内的相关机器部件。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，在本文中可描述为包括多个部件的物体可以在别处被称为单个集成零件。

[0028] 此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。

[0029] 通常，需要描述处于不同径向、轴向和/或周向位置的零件。如图1所示，“A”轴线表示轴向取向。如本文所用，术语“轴向的”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线A的相对位置/方向，该轴线基本上平行于气体涡轮系统的旋转轴线。在特定零件诸如主喷嘴和翼型件预成型件的上下文中，术语“轴向的”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线A的相对位置/方向，该轴线沿着零件的长度延伸穿过其中心线(如图3所示)。如本文进一步所用，术语“径向的”和/或“径向地”是指物体沿着轴线“R”的相对位置或方向，该轴线仅在一个位置处与轴线A相交。在一些实施方案中，轴线R基本上垂直于轴线A。最后，术语“周向的”是指围绕轴线A的移动或位置(例如，轴线“C”)。术语“周向的”可以是指围绕相应物体(例如，转子或零件的纵向轴线)的中心延伸的尺寸。

[0030] 本文所用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

[0031] 每个示例都以解释而非限制的方式提供。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或实质的情况下，可以进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用在另一个实施方案上，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。

[0032] 虽然出于例示目的，本公开的示例性实施方案一般将在制造陆基发电气体涡轮的涡轮喷嘴的上下文中进行描述，但是本领域的普通技术人员将容易地了解，本公开的实施方案可以被应用于涡轮机器内的其他位置，并且不限于陆基发电气体涡轮的涡轮部件，除非在权利要求书中明确地陈述。

[0033] 现在参考附图，图1示意性地示出了示例性气体涡轮10。气体涡轮10一般包括入口区段12、设置在入口区段12的下游的压缩机区段14、设置在压缩机区段14的下游的燃烧区段16、设置在燃烧区段16的下游的涡轮区段18、以及设置在涡轮区段18的下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可以包括一个或多个轴22(也被称为“转子”)，其将压缩机区段14联接到涡轮区段18。轴22与气体涡轮10并具体地是涡轮区段18的纵向轴线同轴。

[0034] 在操作期间，空气24流过入口区段12并进入压缩机区段14，在那里，空气24逐渐被压缩，从而将压缩空气26提供给燃烧区段16。压缩空气26的至少一部分与燃烧区段16中的一个或多个燃烧器内的燃料28混合并燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧区段16流入涡轮区段18中，在那里，热能和/或动能从燃烧气体30传递到附接到轴22的转子叶片(未示出)，从而使轴22旋转。然后，机械旋转能量可以用于各种目的，诸如经由联接到轴22的发电机21为压缩机区段14供电和/或产生电力。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体30可以经由排气区段20从气体涡轮10排出。

[0035] 在涡轮区段18内，每排转子叶片具有一排对应的固定喷嘴40，这排对应的固定喷嘴定位在外侧壁60与内侧壁80之间并附接到该外侧壁和内侧壁。共同地，一排转子叶片和相邻的固定喷嘴限定涡轮级。一般来讲，转子叶片和固定喷嘴的长度随每个级而增加，并且用于发电的许多重型气体涡轮10具有三个或四个涡轮级。

[0036] 气体涡轮10惯常地在非常高的温度下操作(例如，其中在气体进入涡轮区段18时，燃烧气体温度超过2,200℉)。这种高温要求冷却涡轮叶片和喷嘴以防止部件应力或故障。转移到涡轮区段18以冷却叶片和喷嘴40的空气量不利地影响气体涡轮10的效率。因此，为了解决对发电和高效率的竞争需求，一些气体涡轮制造商已经设想使用陶瓷基体复合材料(CMC)材料来形成一个或多个涡轮级的叶片和/或喷嘴。具体地，在涡轮区段18的入口端处的暴露于较高温度的叶片和/或喷嘴可以由CMC材料制成。

[0037] 两个此类固定涡轮喷嘴40在图2中以分解图示出。如下所述，每个涡轮喷嘴40在大体径向方向上穿过外侧壁60安装，该外侧壁包围涡轮区段18(其一部分在图2中示出)的内部。涡轮喷嘴40的径向内端被固定到周向内侧壁80(其一部分在图2中示出)。内侧壁80和外侧壁60在给定涡轮级中彼此径向地间隔开，并限定在内侧壁80和外侧壁60之间的热气路径的一部分。

[0038] 每个涡轮喷嘴40包括金属(例如，超合金)翼梁50，该金属翼梁用作喷嘴40的基础。金属翼梁50包括安装凸缘52和从安装凸缘52延伸的中空翼型体54。金属翼梁50穿过外侧壁
60中的开口64安装，该开口在大小和形状上对应于金属翼梁50的翼型体54。开口64被安装架62环绕，该安装架从外侧壁60的表面66径向向外突出。当安装金属翼梁50时，金属翼梁50的安装凸缘52与安装架62接触并使用可移除机械紧固件诸如螺栓(未示出)来固定到安装架62。

[0039] CMC喷嘴壳体70定位在金属翼梁50的翼型体54上方。CMC喷嘴壳体70包括一次外部喷嘴平台72、一次内部喷嘴平台76、以及在一次内部喷嘴平台76与一次外部喷嘴平台72之间径向地延伸的翼型体74。翼型体74是中空的或基本上中空的，以接收冷却空气流。大小和形状被设定成容纳金属翼梁50的翼型体54的腔75从一次外部喷嘴平台72穿过翼型体74延伸到一次内部喷嘴平台76。翼型体74包括前缘77和后缘78。

[0040] 内侧壁80包括包围涡轮区段的内部的表面82和从表面82径向向外突出的多个翼型延伸部84。每个翼型延伸部84的大小和形状被设定成装配在对应CMC喷嘴壳体70的腔75内。机械紧固件90用于将内侧壁80固定到金属翼梁50，从而将CMC喷嘴壳体70捕获在外侧壁60与内侧壁80之间。

[0041] 制造陶瓷基体复合材料喷嘴壳体70的过程通常涉及在制造过程期间将翼型体74与一次内部喷嘴平台76和一次外部喷嘴平台72集成为一体件，这与用来制作金属轮叶的常规精密铸造技术非常相似。然而，喷嘴壳体70的详细几何形状和对减小在主体74与一次喷嘴平台72、76之间的接头处的应力的需要对设计CMC部件、制造CMC部件和将CMC部件集成到用于涡轮应用的可负担的可生产的设计中提出了挑战。

[0042] 制造CMC喷嘴壳体的一种方法是称为熔渗(MI)工艺的方法。在使用MI工艺进行制造的一种方法中，使用包含含碳化硅(SiC)纤维的“预浸渍料”层片产生CMC，每个预浸渍料层片是包括期望增强材料、CMC基体材料的前体和一种或多种粘结剂的带状结构的形式。当在本文中使用术语“层片”时，除非另外指明，否则应理解为描述纤维增强的预浸渍料层片。术语“含碳化硅纤维”是指具有包括碳化硅并优选地基本上是硅碳化物的组合物的纤维。例如，纤维可以具有被碳环绕的碳化硅芯，或相反，可以具有被碳化硅环绕或被碳化硅包封的碳芯。“基体层片”是指由CMC基体材料的前体和一种或多种粘结剂制成的带状结构，其省略了纤维增强的材料。

[0043] 两个预浸渍料层片可以用于生产复合材料层片110(如图3、图7和图8所示)，其中一个层片112具有在第一方向上(例如，在0度，其平行于喷嘴壳体70的纵向轴线)取向的单向纤维，并且一个层片114具有在横向于第一方向的第二方向上(例如，在90度，其垂直于0度纤维)取向的单向纤维。任选地，复合材料层片110可以包括含有具有其他取向的纤维的层片111，诸如具有相对于在0度层片112中的0度纤维成+30度至-30度的取向的纤维的层片。

[0044] 图3示出了根据本公开的一个方面的CMC喷嘴壳体70和用于产生翼型体预成型件74的部件。CMC喷嘴壳体70包括一次外部喷嘴平台72、一次内部喷嘴平台76、以及在它们之间延伸的翼型体预成型件74。

[0045] 具体地，翼型体预成型件74包括一组第一(外部)平台层片100，该组第一(外部)平台层片被单独地标记为外部平台层片100a、100b、…、100n；一组复合材料包裹层片110，该组复合材料包裹层片中的一个被示出为包括0度层片112、90度层片114和具有不同于0度和90度的取向的纤维的任选的第三层片111；一组第二(内部)平台层片120，该组第二(内部)平台层片被单独地标记为内部平台层片120a、120b、…、120n。外部平台层片100限定二次外部喷嘴平台172，并且内部平台层片120限定二次内部喷嘴平台176(如图10所示)。外部平台层片100限定从中穿过的开口102，该开口对应于腔75的大小和形状。同样地，内部平台层片限定从中穿过的开口122，该开口对应于腔75的大小和形状。

[0046] 可以使用各种数量的层片100、110和120来产生翼型体预成型件74，该翼型体预成型件包括集成二次外部喷嘴平台172和集成二次内部喷嘴平台176。具体地，根据设计需要，一组复合材料层片110中的复合材料包裹层片的数量可以变化。复合材料层片110的一个示例性范围可以是五个层片到二十五个层片。平台层片100、120的数量“n”可以根据设计需要发生变化，但是在二次外部喷嘴平台172和二次内部喷嘴平台176中的每个中可以在三个到十个的范围内。在一个实施方案中，二次内部喷嘴平台176中的内部平台层片120的数量等于二次外部喷嘴平台172中的外部平台层片100的数量。

[0047] 从下面进一步讨论中将会清楚，平台层片100、120的数量是一次外部喷嘴平台72和一次内部喷嘴平台76中的平台层片的数量的补充(在图11中更详细地示出)。

[0048] 除了复合材料包裹层片110之外，翼型体预成型件74还包括内部预成型件160，如图6所示。如图4所示，芯预成型件138由一组芯层片140限定，该组芯层片周向地包裹在工具或模具145周围以限定CMC喷嘴壳体70的内部腔75(如图6所示)。工具145具有对应于翼型体74的前缘77的较宽端147和与后缘插入件180(图5中所示)交接的较窄端148。最内芯层片
141是无增强的基体层片，而剩余的芯层片140是纤维增强的。芯层片140的接缝可以交错以围绕腔75的周边实现近似均匀的厚度。

[0049] 后缘插入件180定位在芯层片140的较窄端处以补充期望的翼型形状。后缘插入件180包括多个纤维增强层片182，这些层片以限定V形横截面轮廓的方式限定。如果需要，形成后缘插入件180的层片182能够以交替纤维取向堆叠。在堆叠之后，可以使后缘插入件180经受热压实和生坯加工，如本文进一步描述的。

[0050] 如图6所示，复合材料包裹层片110周向地包裹在芯层片140和后缘插入件180周围，从翼型预成型件74的在压力(凹)侧上的后缘(78)到该预成型件74的在吸入(凸)侧上的后缘(78)(或反之亦然)。图6示出了两个示例性复合材料包裹层片110，但是应当理解，通常使用多于两个复合材料包裹层片110。每个复合材料包裹层片110包括至少一个0度层片112和至少一个90度层片114。

[0051] 翼型体预成型件74的最外表面由一个或多个基体层片150(图10中所示)产生，该基体层片包括期望陶瓷基体材料的合适的前体，但不包括在芯层片140和复合材料包裹层片110中出现的增强纤维。一个或多个无增强的基体层片150在制造过程完成期间保护翼型件预成型件74的表面处的增强纤维。

[0052] 如图7所示，如上文所讨论的复合材料层片110包括0度层片112和90度层片114，层片中的每一个是大体矩形的，分别具有长度212和小于长度212的宽度222、274。0度层片112具有外纵向边缘142和内纵向边缘146，并且宽度222被限定在纵向边缘142、146之间。90度层片114具有外纵向边缘152和内纵向边缘156，并且宽度274被限定在纵向边缘152、156之间。

[0053] 每个0度层片112的宽度222大于翼型体预成型件74的高度174(图3中所示)并大于每个90度层片114的宽度274。每个90度层片114的宽度274也大于翼型体预成型件74的高度174，但是可以小于0度层片112的宽度222。复合材料层片110中使用的0度层片112的宽度
222可以变化，即，更靠近翼型体预成型件74的纵向轴线170径向设置的0度层片112可以宽于朝向预成型件74的外表面径向设置的0度层片112。

[0054] 为了便于使0度层片112和90度层片114与外部平台层片100和内部平台层片120交织，如下面进一步描述的，0度层片112的纵向边缘142、146和90度层片114的纵向边缘152、156根据规定图案进行切割。对0度层片112和90度层片114的切割产生层片指状物118、158，该层片指状物在基本上垂直于翼型预成型件74的纵向轴线170并远离该纵向轴线的方向上在复合材料层片中折叠以形成围绕腔75的周边，每个单独复合材料层片110中的相邻指状物118几乎没有或根本没有重叠。在一些情况下，必需从纵向边缘142、146、152、156移除材料116以确保指状物118、158在围绕弯曲腔75的压力侧和吸入侧折叠时平放。

[0055] 0度层片112的中心面板113以足够的裕度设置在纵向边缘142与纵向边缘146之间以产生具有期望宽度的指状物118。如图8所示，具有其预切割的指状物158的90度层片114可以与具有其预切割的指状物118的0度层片112堆叠，使得90度层片114的中心部分与0度层片112的中心面板113对准以限定复合材料包裹层片110。纸或箔条可以用于将一个复合材料包裹层片110的切割的指状物118、158彼此分离和/或与相邻的复合材料包裹层片110的切割的指状物118、158分离，直到指状物118、158被铺设为止。

[0056] 复合材料包裹层片110(其中一个在图9中被示出为复合材料包裹层片110a)具有纵向边缘(例如，142、152)，该纵向边缘延伸超过翼型体74并被切割成指状物118、158，该指状物结合在翼型预成型件74的二次外部喷嘴平台172和二次内部喷嘴平台176中(如图10所示)。复合材料层片110a包裹在限定腔75的内部的芯层片140(图10中所示)周围，并且指状物118a、158a在横向于纵向轴线170并远离该纵向轴线的方向上折叠以符合在翼型体74的压力侧和吸入侧的弯曲形状。在一些情况下，在相邻指状物118a、158a之间的材料116a被移除，使得指状物118a、158a能够更好地平放在外部平台层片100a上。

[0057] 一旦复合材料层片110a的所有的指状物118a、158a向下折叠，在外部平台层片100a的拐角处就可能会存在未被指状物118a、158a覆盖的一些区域。在这些区域中，希望包括填料面板130以在施加后续外部平台层片100b并向下折叠另一个0度层片112(例如，
112b，在该图中未示出)的指状物118、158之前形成均匀厚度的层。填料面板130可以由被移除的材料116a制成，或由具有与0度层片112a相同或不同的纤维取向的附加的纤维增强的层片制成。

[0058] 外部平台层片100a可以具有与外部平台层片100b相同或不同的纤维取向。在一个实施方案中，外部平台层片100a可以具有以0度取向的纤维，而外部平台层片100b可以具有以90度(或一些其他非零角度)取向的纤维。外部平台层片100的纤维取向可以在层间变化。另外，虽然单个外部平台层片100被示出为用于插入复合材料包裹层片110的折叠的指状物
118、158之间，但是应当理解，根据需要，不同数量(例如，两个或更多个)的外部平台层片
100可以一起插入复合材料包裹层片110的折叠指状物118、158之间。

[0059] 折叠复合材料包裹层片110的指状物118、158并定位填料面板130以及随后施加外部平台层片100的过程继续，直到所有复合材料包裹层片110都被折叠。对于内部喷嘴平台176，同样用内部平台层片120重复该过程。

[0060] 复合材料包裹层片110的指状物118、158的折叠被描述为涉及使0度指状物118和90度指状物158一致地折叠，使得单个复合材料包裹层片110的指状物118、158设置在相邻平台层片100(或120)之间。然而，应当理解，如果需要，单个复合材料包裹层片110的0度指状物118和90度指状物158可以由居间定位的平台层片100(或120)分离。在该配置中，平台层片100、120的数量将会大于在其中每个复合材料层片110的指状物118、158同时折叠的实施方案中使用的平台层片100、120的数量。

[0061] 翼型体预成型件74的一部分的横截面在图10中示出。芯包裹物140设置在翼型体预成型件74的纵向轴线170的径向外侧。主体包括交替的复合材料包裹层片110(由90度层片114和0度层片112制成)(例如，110a、110b、110c)，其纵向边缘142、152已经被切割成相对于纵向轴线170在横向方向上折叠的指状物118、158。指状物118、158和任何必要的填料面板130在外部平台层片100(例如，100a、100b、100c)之间交织以形成与翼型体74成一体的二次外部喷嘴平台172。

[0062] 类似地，指状物118、158和任何必要的填料面板130在内部平台层片120(例如，120a、120b、120c)之间交织以形成与二次外部喷嘴平台172相对的与翼型体74成一体的二次内部喷嘴平台176。无增强的基体层片150在翼型体预成型件74的外部上形成平滑表面。
当层片112、114被施加到工具时，层片112、114产生凹形圆角(未示出)，该凹形圆角在翼型体74与二次外部喷嘴平台172和二次内部喷嘴平台176中的每个之间形成圆形拐角。

[0063] 如果需要，可以将附加的纤维增强的层片(未示出)卷成长的“面条状物”并周向地包裹在翼型体预成型件74的周边周围，使得卷起的“面条状物”层片设置在复合材料包裹层片110与平台层片100、120之间或位于任何其他空隙位置的空隙中。

[0064] 在常规翼型体预成型件中，90度层片被截短并且不折叠以结合到二次喷嘴平台中。相反，在翼型体预成型件的翼型件部分与平台部分之间的接头中仅使用0度层片作为增强层。因此，所得的CMC喷嘴壳体可能易于在接头处变弱和破裂。

[0065] 相比之下，本文所述的本发明的实施方案折叠并与平台层片100、120(即，0度层片112和90度层片114两者)交织，从而增强翼型体预成型件74和后续CMC喷嘴壳体70的接头。

[0066] 图11示出了CMC喷嘴壳体70的局部横截面，其中一次外部喷嘴平台72和一次内部喷嘴平台76通过其一体的二次外部喷嘴平台172和一体的二次内部喷嘴平台176接合到翼型体预成型件74。一次外部喷嘴平台72和一次内部喷嘴平台76各自由一组堆叠的纤维增强的平台层片202、204形成。每个平台层片202、204包括在其中的开口，该开口环绕CMC喷嘴壳体70的腔75(类似于外部平台层片100和内部平台层片120)。一次外部喷嘴平台72可以具有与一次内部喷嘴平台76相同数量的平台层片202、204。在一个实施方案中，总共10个到20个平台层片用于外部喷嘴平台72和内部喷嘴平台76中的每一者，包括层片202(用第一方向上的纤维增强)和层片204(用横向的第二方向上的纤维增强)的任何组合。

[0067] 平台层片202可以具有第一纤维取向，而平台层片204可以具有横向于第一纤维取向的第二纤维取向。在一个实施方案中，平台层片202和平台层片204可以具有彼此偏置90度设置的纤维。平台层片202、204能够以交替的方式或以按照图案布置的方式进行布置。

[0068] 在堆叠相应平台层片202、204之后，使一次外部喷嘴平台72和一次内部喷嘴平台76经受压实和生坯加工。

[0069] 图12A和图12B限定根据本公开的用于制造CMC喷嘴壳体70的部件并组装CMC喷嘴壳体70的方法300。在步骤310中，将一个或多个基体层片150周向地设置在工具(未示出)周围，该工具限定CMC喷嘴壳体70的外部形状。基体层片150可以限定一个或多个层，该层在纤维增强的复合材料层片110、外部平台层片100和内部平台层片120上方提供平滑保护表面。

[0070] 步骤320限定用于产生CMC喷嘴壳体70的若干预成型件结构的产生，若干预成型件结构包括后缘预成型件180、内部喷嘴平台预成型件76和外部喷嘴平台预成型件72。

[0071] 在步骤322中，组装后缘(TE)预成型件180(图5中所示)，其将作为芯和后缘预成型件160的一部分并入(参见图6)。可以将后缘层片182堆叠在一起以限定V形后缘预成型件180，该V形后缘预成型件联接到芯层片140。堆叠的后缘层片182可以在与芯层片140联接之前经受压实和生坯加工。

[0072] 在步骤324中，通过将多个平台层片202、204彼此堆叠来产生内部喷嘴平台76。平台层片202、204可以是单向纤维增强层片，并且平台层片202的纤维取向可以横向于平台层片204的纤维取向。在一个实施方案中，平台层片202中的纤维可以垂直于平台层片204中的纤维。平台层片202、204能够以交替的图案(例如，202-204-202-204等)堆叠，或能够以某种其他图案堆叠(例如，202-202-204-202-202-204等)。

[0073] 在步骤326中，通过将多个平台层片202、204彼此堆叠来产生外部喷嘴平台72。平台层片202、204可以是单向纤维增强层片，并且平台层片202的纤维取向可以横向于平台层片204的纤维取向。在一个实施方案中，平台层片202中的纤维可以垂直于平台层片204中的纤维。平台层片202、204能够以交替的图案(例如，202-204-202-204等)堆叠，或能够以某种其他图案堆叠(例如，202-202-204-202-202-204等)。

[0074] 一旦形成外部喷嘴平台72和内部喷嘴平台76的平台层片202、204堆叠，堆叠的层片202、204便可经受压实和“生坯加工”，其中层片202、204被加工成接近期望的最终形状。如本领域中已知，生坯加工可以包括切割、铣削和研磨。在刚化和致密化之前，更容易将平台72、76加工成“生坯”状态。

[0075] 能够以任何顺序执行步骤310、322、324和326。有利地，这些步骤310、322、324和326可以同时执行以减少制造时间。

[0076] 在步骤330中，将芯层片140周向地包裹在工具145(图4中所示)周围以限定CMC喷嘴壳体70的腔75。芯层片140可以交错，使得每个层片140的边缘彼此周向地偏置，从而围绕腔75提供均匀的厚度。最内芯层片140可以是无纤维的基体层片。后缘插入件180与工具145和包裹的芯层片140的窄端对准，从而形成芯和后缘预成型件160。

[0077] 步骤340使翼型体74及其一体的外部喷嘴平台172和内部喷嘴平台176产生。在步骤342中，将包括0度层片112和90度(或横向)层片114的复合材料包裹层片110周向地包裹在芯和后缘预成型件160周围以限定翼型体预成型件74的主体。以产生0度层片112和90度(或横向)层片114的交替布置的方式施加复合材料包裹层片110。根据预先确定的图案预切割0度层片112的纵向边缘142、146和90度层片114的纵向边缘152、156以产生指状物118、158，该指状物与平台层片120交织以形成一体内部喷嘴平台176(步骤344)并与平台层片
100交织以形成一体外部喷嘴平台172(步骤346)。如上所述，尽管在流程图中未具体地列出，但是当远离芯层片140折叠时，平台层片100或120的未被指状物118、158覆盖的区域可以用填料面板130覆盖。能够以任一顺序执行步骤344和346。如果需要，在步骤350之前，可以对翼型体预成型件74进行压实和/或生坯加工。

[0078] 在步骤350中，将翼型体预成型件74接合到外部喷嘴平台72(在步骤326中形成)和内部喷嘴平台76(在步骤324中形成)。在步骤352中，将外部喷嘴平台72接合到翼型体预成型件74的一体外部喷嘴平台172。在步骤354中，将内部喷嘴平台76接合到翼型体预成型件74的一体内部喷嘴平台176。能够以任一顺序执行步骤352和354。

[0079] 然后，可以将用于刚化过程的垫板(未示出)或其他已知工具部件施加到非刚化CMC喷嘴壳体70的表面以准备进行刚化(步骤360)。垫板是橡胶的，并且以比刚性工具更高的速率膨胀，以使得垫板可用于在高压釜循环期间施加压力。垫板在被刚性工具阻挡的区域中提供用于复合材料部件的压实力，并且允许形成具有期望几何形状的致密化复合材料。术语“非刚化”(及其语法等同物)描述了根本没有被刚化或在最小程度上被刚化的物体已经部分地刚化到刚化不显著的程度。

[0080] 接着，可以使非刚化轮叶预成型件刚化以将增塑剂压实并设置在预浸渍料层片中(步骤370)。部件可以在高压釜中在升高的温度和压力下被刚化。虽然不限于此，但是可以在约200℃至约400℃的温度和约50psig至约300psig的压力下使部件刚化。除此之外或另选地，刚化可以包括固化(例如，通过加热)、压缩模制、气囊模制或硬化CMC喷嘴壳体70的其他合适的方法。

[0081] 术语“部分地刚化”(及其语法等同物)包括刚化到可检测的程度但不刚化到完全刚化的程度。术语“完全刚化”包括刚化到物体被刚化到期望最终程度的程度。刚化术语形成层级结构，其中在相近术语之间存在某种重叠。例如，术语非刚化、部分地刚化和完全地刚化表示刚化的增加量(存在某种重叠)。

[0082] 术语“共刚化”(及其语法等同物)包括在基本上相同的时间或在最小程度上在两个物体被刚化期间的重叠时间段被刚化。共刚化可以产生基本上连续的基体相，其中据认为(但是不旨在受理论的限制)，通过翼型件74、外部喷嘴平台72和内部喷嘴平台76之间增加的粘结提供附加强度。

[0083] 在示例性实施方案中，包括翼型体74、外部喷嘴平台72和内部喷嘴平台76的预成型件可以共刚化，其中在初始的部分刚化之后是后续的刚化。在所有实施方案中，当刚化基本上完成时，形成刚化轮叶预成型件。

[0084] 在刚化之后，可以使部件经受燃尽或放气步骤(不单独地包括在流程图中)。在该步骤中，有机组分诸如增塑剂被转化为碳。

[0085] 接着，在一个或多个步骤中使刚化轮叶预成型件致密化(步骤380)。例如，可以通过将含碳浆料(如本领域中已知的)引入刚化轮叶预成型件的孔隙中来使轮叶预成型件部分地致密化，并且可以用至少硅或另选地硼掺杂硅通过熔渗工艺(如本领域中已知的)使轮叶预成型件进一步致密化以形成成品CMC喷嘴壳体70。

[0086] 用于形成根据本公开的部件的其他技术包括聚合物浸渗和热解(“PIP”)。在该方法中，碳化硅纤维预成型件用预陶瓷聚合物诸如聚硅氮烷浸渗，然后进行热处理以形成SiC基体。另选地，部件可以包括氧化物/氧化物工艺。在该类型的处理中，铝或铝硅酸盐纤维可以被预浸渍，然后层压成预先选择的几何形状并接着被加热以形成陶瓷基体。部件也可以由碳纤维增强的碳化硅基体(C/SiC)CMC制成。C/SiC处理包括以预先选择的几何形状铺设碳纤维预成型件。如在用于SiC/SiC的浆料浇铸方法中所用，该工具可以由石墨材料制成。在约1200℃下的化学气相浸渗工艺期间，纤维预成型件由工具支撑，从而形成C/SiC CMC部件。

[0087] 然后，可以加工CMC喷嘴壳体70(步骤390)以提供期望的最终几何形状。在该实施方案中，外壁喷嘴平台72和内部喷嘴平台76可以包括SiC涂覆的纤维和聚合物基基体。如果需要，材料诸如低熔点合金、加工蜡和/或聚合物材料可以用于包封平台72、76。为了避免吸附存在于一些加工流体中的污染物，可以在加工期间用水冷却CMC喷嘴壳体70。可以预先确定切割和/或研磨方向以避免撕裂纤维材料。还可以预先确定切割和/或研磨速度以避免对CMC喷嘴壳体70造成使表面处的纤维分层或移除的形式的损坏。

[0088] 上文详细地描述本发明的CMC喷嘴壳体的示例性实施方案和用于制造CMC喷嘴的方法。本文所述的方法和部件不限于本文所述的具体实施方案，相反，方法和部件的各方面可以与本文所述的其他方法和部件独立地且分开地利用。例如，本文所述的方法和部件可以具有其他应用，这些应用不限于使用如本文所述的用于发电气体涡轮的涡轮喷嘴的实践。相反，可以在各个其他行业中实现和利用本文所述的方法和部件。

[0089] 虽然已经根据各种具体实施方案来描述了技术进步，但是本领域的技术人员将认识到，可以在权利要求书的实质和范围内通过修改来实践技术进步。

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