混合陶瓷基復合材料的制作方法

相關申請

本申請要求作為2015年3月27日提交的共同未決pct申請序列號pct/us2015/023017的部分繼續申請的優先權，并且還要求2014年11月24日提交的共同未決美國臨時申請序列號62/083,461的優先權。

本發明涉及用于在高溫環境（諸如，燃氣渦輪機）中使用的高溫材料。更具體地，本發明的方面涉及具有某些特征（諸如，基體多孔性特性和層次型纖維架構）的陶瓷基復合（cmc）材料。cmc材料特別適合用在機械和熱解耦的混合部件中，所述混合部件包括一疊由cmc材料形成的層壓件和延伸穿過其的至少一個金屬支撐結構。本發明的方面還包括用于制造cmc材料以及混合部件的過程。

背景技術：

燃氣渦輪機包括用于裝納壓縮機部段、燃燒部段和渦輪部段的殼體或缸。空氣的供應在壓縮機部段中被壓縮，并被引導至燃燒部段中。壓縮空氣進入壓縮入口并與燃料混合。然后，空氣/燃料混合物燃燒以產生高溫高壓氣體。然后，這種工作氣體被噴射經過燃燒室過渡部并進入渦輪機的渦輪部段中。

渦輪部段包括數排導葉，這些導葉將工作氣體引導到渦輪葉片的翼型部分。工作氣體行進穿過渦輪部段，從而引起渦輪葉片旋轉，由此使轉子轉動。轉子也附接到壓縮機部段，由此使壓縮機以及也使發電機轉動以產生電。燃氣渦輪機的高效率通過將流動通過燃燒部段的氣體加熱到實際可行的高溫來實現。然而，熱氣體可使當其流動通過渦輪機時所經過的各種金屬渦輪部件（諸如，燃燒室、過渡管道、導葉、環形區段和渦輪葉片）劣化。

出于該原因，已經研發用以保護此類部件免受極端溫度的影響（諸如，研發和選擇適于承受這些極端溫度的高溫材料）的策略，和用以在操作期間保持部件被恰當地冷卻的冷卻策略。舉一例，已研發對高達1200℃的溫度具有抵抗力的陶瓷基復合（cmc）材料。cmc材料包括用陶瓷纖維加強的陶瓷基體。通常，纖維可具有預定取向以向cmc材料提供額外的機械強度。然而，已發現，由于在許多渦輪部件的通常的復雜形狀中在部件的邊緣處使纖維取向的困難，所以由cmc材料形成渦輪部件可富有挑戰性。出于該原因，已研發由堆疊的cmc層壓件形成的部件。堆疊的cmc層壓件包括由cmc材料形成的多個層壓件，并且其中纖維處于期望的取向中。通過包括多個平坦的層壓件（每一個均具有期望的纖維取向和形狀），可更好地控制部件的整體組成和形狀。

已進一步發現，雖然cmc材料提供卓越的熱保護性質，但cmc材料的機械強度仍顯著地小于對應的高溫超合金材料的機械強度。出于該原因，已嘗試將其他的加強材料添加到cmc材料或用具有更大機械強度的材料支撐cmc材料。例如，在一些實例中，堆疊的層壓件可在桿上滑動，并經由固持結構或壓縮這疊層壓件的其他結構被固持/壓縮。

這種方法的一個主要問題在于對于每個層壓件而言，鑄造/制造公差變得難以完美，使得cmc層壓板與桿的界面貫穿整個部件（特別是具有相對大的結構的部件，諸如葉片或導葉）的完整長度（例如，高度）處于公差內。再進一步地，雖然氧化物和非氧化物cmc材料能夠承受超過1200℃的溫度，但是在不被冷卻的燃燒環境中，它們僅能夠在有限的時間段內這樣做。因此，對于完全或大致由cmc材料形成的部件而言，還需要恰當的冷卻機制。

附圖說明

考慮到所示出的附圖，在以下描述中解釋本發明：

圖1是根據本發明的方面添加金屬芯之前的層壓件的透視圖。

圖2是根據本發明的方面的層壓件的透視圖，所述層壓件包括在該層壓件的主體中的開口內的金屬芯。

圖3是根據本發明的方面的在開口內的金屬芯的俯視圖。

圖4是根據本發明的方面的層壓件的俯視圖，所述層壓件具有在金屬芯與cmc材料部分的主體的壁之間的間隙。

圖5是根據本發明的方面的層壓件的俯視圖，所述層壓件包括在間隙內的偏壓構件。

圖6是根據本發明的方面的包括金屬部分的層壓件的俯視圖，所述金屬部分具有在間隙內向該金屬部分提供一定程度的彈性的網格結構。

圖7是根據本發明的方面的包括金屬芯的層壓件的透視圖，所述金屬芯具有延伸到cmc材料的多個指部。

圖8是根據本發明的方面的包括金屬芯的層壓件的透視圖，所述金屬芯具有與來自層壓件的突起互鎖的多個指部。

圖9是根據本發明的方面的包括金屬芯的層壓件的透視圖，所述金屬芯包括延伸穿過每個金屬芯的冷卻通道。

圖10是根據本發明的方面的由多個層壓件形成的混合cmc/金屬靜導葉。

圖11a至圖11h圖示根據本發明的方面的用于制造混合cmc/金屬部件的過程。

圖12a至圖12c圖示根據本發明的方面的用于制造混合cmc/金屬部件的另一過程。

圖13圖示根據本發明的方面的由多個層壓件形成的混合cmc/金屬燃氣渦輪機葉片。

圖14圖示根據本發明的方面的堆疊的層壓部件，其包括在頂部層壓件中凹入的金屬蓋。

圖15圖示根據本發明的方面的堆疊的層壓部件，其包括完全金屬尖蓋。

圖16圖示根據本發明的方面的堆疊的層壓部件，其中，金屬支撐結構的部分與層壓件的部分重疊以及反之。

圖17a至圖17d是圖9的層壓件的橫截面視圖，其圖示根據本發明的方面的陶瓷基材料的基體多孔性特性。

圖18a至圖18b是圖9的層壓件的橫截面視圖，其圖示根據本發明的方面的陶瓷基材料的層次型纖維架構。

圖19圖示根據本發明的方面的經由骨架形狀形成的cmc材料。

具體實施方式

根據一個方面，本發明涉及包括層壓件堆疊的部件（諸如，渦輪部件），所述層壓件堆疊包括多個含有陶瓷基復合（cmc）材料的層壓件并具有延伸穿過層壓件堆疊的一個或多個金屬支撐結構。層壓件可彼此機械和/或熱解耦，但與一個或多個共用的金屬支撐結構相互接合以允許對部件的改進的冷卻和/或貫穿該部件的載荷分布。

根據一個方面，提供用于形成用于在高溫部件（諸如，燃氣渦輪機部件）中使用的機械和熱解耦部件的過程。根據另一個方面，本文中所描述的過程經由以下步驟建構cmc/金屬混合部件：在將每個cmc層壓件添加到一疊cmc層壓件時，經由增材制造過程以逐層的方式為該疊cmc層壓件形成至少金屬支撐結構。以這種方式，相比于已知的方法，混合部件在堆疊中的每個層壓件水平處包括優化的尺寸和性質（例如，金屬與cmc材料之間的界面）。在已知的方法中，部件越大，則將預期沿部件的整個徑向長度在cmc材料與金屬之間提供最佳界面的困難更大。例如，在堆疊中將更期望齊平界面的一些高度處，cmc材料與桿（當使用時）之間可存在間隙。

另外，通過由增材制造過程逐層建構部件，層壓件的cmc材料與共用金屬支撐結構的界面仍彼此機械和熱解耦。以這種方式，可實質上減少或消除例如相鄰層壓板之間的載荷傳遞和/或熱傳遞。仍進一步地，可貫穿該部件逐層優化cmc混合部件的組成。例如，眾所周知，在某些配置中，渦輪部件可能在部件的中間部分處經歷更大的溫度。在此類情況中，例如經由調節在堆疊中的具體水平處的金屬材料的形狀或尺寸，cmc材料可以在部件的某部分處相對其他部分具有對溫度極端、氧化、腐蝕和/或載荷的增加的抵抗力。

本文中所描述的混合部件（其包括堆疊的陶瓷基復合（cmc）層壓件和延伸穿過其的一個或多個增材制造的金屬支撐結構）及用于制造其的過程具有多個益處：

-在一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程利用為金屬支撐件提供卓越的熱保護的固有cmc材料性質。同時，由金屬支撐結構提供的層壓結構和機械支撐抑制cmc材料的嚴重層間失效。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程實現增加的暴露溫度和冷卻空氣要求的顯著減小。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可實現復雜部件和芯幾何形狀的生成。這提供在層壓件堆疊中的每個層壓件處使cmc材料和金屬材料定制配合（customfit）的能力。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可提供cmc層壓件于彼此的固定/夾持，但不要求堆疊中的層壓件一致地或作為整體運動。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許優化的冷卻空氣流動（當金屬芯中存在冷卻通道時）通過金屬支撐結構以及cmc材料與金屬材料之間的改進的熱傳遞。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許具有各種復雜形狀的部件的快速成型并促進對先前形成的原型部件進行廉價和快速的修改。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許人們改變金屬支撐結構的橫截面面積、形狀和拓撲以改進部件的機械強度和熱傳遞。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許制造貫穿部件具有cmc材料至金屬材料的梯度的部件。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許沿部件的長度的離心載荷的改進的分布。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可允許在金屬支撐結構上的減小的加載。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可利用基體多孔性特性。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可利用層次型纖維架構。

-在又另一個方面中，本文中所描述的混合部件和/或過程可利用骨架布置。

每個方面均可形成與其他方面分離且有區別的獨立發明，或可將多個方面組合。例如，機械和熱層壓件可與增材制造分離和區別，并且不必依賴于根據增材制造過程形成。

現參考附圖，圖1示出包括主體12的層壓件10，所述主體12具有在前邊緣18與后邊緣20之間延伸的頂表面14和底表面16。在一個方面中，由于穿過堆疊形成金屬支撐結構，因此本文中所描述的多個單個層壓件（例如，層壓件10）可被堆疊。在實施例中，經由增材制造過程形成金屬支撐結構。雖然緊接在下文的論述描述了在堆疊中任何給定位置處的單個層壓件10的示例性實施例，但構想到如本文中所描述的部件將包括多個此類層壓件10且包括延伸穿過層壓件10的金屬支撐結構。

再次參考圖1，層壓件10至少部分地由陶瓷基復合（cmc）材料22形成。在主體12內，限定從頂表面14延伸穿過主體12到達底表面16的一個或多個開口24。在所示的實施例中，示出主體12中存在兩個開口24；然而，應理解的是，本發明并不如此局限，且可設置更小或更大數量的開口24。

每個層壓件10均可具有面內方向15和厚度方向（throughthicknessdirection）25。厚度方向25能夠大致垂直于面內方向15。厚度方向25延伸穿過層壓件10的在層壓件10的頂表面14與底表面16之間的厚度。另一方面，面內方向15可大致平行于層壓件10的頂表面14和底表面16中的至少一者。

現在參考圖2，示例性層壓件10可在一個或多個開口24內包括由金屬材料28形成的金屬芯26。形成在彼此上的多個金屬芯26共同地限定延伸穿過該疊層壓件的金屬支撐結構。因此，金屬芯26旨在指代處于相應層壓件10內的金屬支撐結構的一部分。如將在下文解釋的那樣，可經由增材制造過程形成金屬芯26，其中，金屬源材料被熔化并允許用相應的開口24重新凝固。如也將在下文解釋的那樣，由于層壓件10在彼此上堆疊，因此可經由增材制造過程形成每個層壓件10的包括金屬材料的金屬芯26。在一個方面中，金屬芯26形成在每個開口24內達到足以在金屬芯26與層壓件10的壁34（圖1）之間提供界面30的程度，所述壁限定每個相應開口24。

在一個實施例中，如圖3（其為層壓件10的主體12的俯視圖）中所示，在用金屬材料28在開口24內建構金屬芯26期間，金屬芯26可填滿開口24的整個寬度（w）。在另一個實施例中，如圖4中所示，金屬材料可被熔化并在開口24內冷卻以形成金屬芯26，以便留下被限定在金屬芯26與壁34之間的一個或多個間隙36（下文中稱為間隙36）。

在某些實施例中，金屬芯26可構造成用于傳遞來自層壓件10的主體12的載荷。為促進該作用，在某些實施例中，如圖5中所示，可將偏壓構件38安置在間隙36內。僅以示例的方式，偏壓構件38可包括多個片簧40。替代性地，偏壓構件38可包括具有一定程度的彈性的任何其他類型的結構或材料。偏壓構件38維持金屬芯26與包括cmc材料22的主體12之間的支撐力，且還允許抵對偏壓構件38的載荷傳遞。偏壓構件38可進一步適應金屬芯26與主體12之間的不同熱膨脹。在某些實施例中，可從合適的源提供冷卻流體，且該冷卻流體可流入偏壓構件38中和圍繞偏壓構件38流動且在間隙36內流動，以冷卻cmc材料22和/或金屬芯26。

在另一個方面中，如圖6中所示，偏壓構件38可包括添加的金屬部分42，所述部分42也可由增材制造過程形成以便具有向該部分提供相對于金屬芯26而言更大程度的偏壓/彈性的網格或其他結構。以這種方式，添加的金屬部分42也維持金屬芯26與包括cmc材料22的主體12之間的支撐力，且允許抵對金屬部分42的載荷傳遞。

在又另一個實施例中，如圖7中所示，層壓件10可包括多個間隙36，且金屬芯26可包括也由金屬材料形成的多個指部40。多個指部40構造成在其加載時至少在一定程度上撓曲，以便在cmc材料22與金屬芯26之間提供一定程度的載荷傳遞。另外，多個指部40可在約束金屬芯26的運動的同時允許金屬芯26的熱生長。這在當部件是旋轉零件時特別有益。此外，多個指部40可允許在cmc材料22與金屬芯26之間的熱傳遞。為實現這些目標，在某些實施例中，指部40可以以除90度之外的角度從金屬芯26的中央部分徑向向外延伸或突出。在某些實施例中，可使冷卻流體向上通過指部40和在間隙36內流動，以冷卻cmc材料22和金屬芯26。

在又另一個實施例中，層壓件10的主體12還包括從層壓件10的主體12延伸入開口24中的多個突起35，以及上述指部40。這些突起35可構造成與指部40中的相應的一者互鎖或幾乎互鎖。在一些實施例中，至少一些指部40可與突起35成鄰接關系。另外，在至少一些金屬芯26與突起35之間可存在空間37以允許金屬芯26伴隨熱生長的進一步運動，同時仍約束金屬芯26在開口24內的運動。

在又其他實施例中，如圖9中所示，層壓件10可包括具有冷卻通道44的金屬芯26，所述冷卻通道44安置成從金屬芯26的頂表面穿過金屬芯26的主體到達金屬芯26的底表面。通道44可具有任何合適或期望的形狀或尺寸。可使冷卻流體從合適的源向上流動通過冷卻通道44以便冷卻cmc材料22和/或金屬芯26。

應了解的是，圖2至圖9中所示的實施例可被視為其中具有金屬芯26的單個層壓件10的各種非限制性實施例。同一部件中的額外層壓件可具有金屬芯和至少部分地由cmc材料形成的環繞主體的不同構型，或可完全由cmc材料或金屬材料形成。在此類層壓件10的堆疊中，該堆疊可構造成例如沿部件的整個長度以更一致的方式在cmc材料22與金屬芯26之間分布載荷。

在本文中所描述的實施例中，cmc材料22可包括持有（host）多個加強纖維的陶瓷基材料。cmc材料至少在其能夠沿不同方向具有不同強度特性的意義上而言可以是各向異性的。各種因素（包括材料選擇和纖維取向）都能夠影響cmc材料的強度特性。因此，應了解的是，層壓件10可由多種材料制成，且本發明并不限于任何具體材料。僅以示例的方式，陶瓷基材料22可包括氧化鋁，且纖維可包括由近似70%的氧化鋁、28%的二氧化硅和2%的硼組成的鋁硅酸鹽組合物（以名稱nextel?312出售）。可以各種形式（諸如編織織物、毯、單向帶和墊）提供纖維。本領域中已知用于制造cmc材料的多種技術，且此類技術能夠被用于形成待在本文中所描述的層壓件10中使用的cmc材料22。美國專利號7,153,096、7,093,359和6,733,907中描述了用于在要求保護的本發明中使用的示例性cmc材料22，這些專利中的每一個的全部內容均通過引用并入本文。

如上文所述，材料的選擇不是支配cmc材料22的性質的唯一因素，因為纖維方向也可影響材料的性質（諸如，機械強度）。纖維可具有任何合適的取向，諸如美國專利號7,153,096中所描述的那些取向。

現在參考圖9和圖17a至圖17d的橫截面，層壓件10的cmc材料22具有基體多孔性特性。基體多孔性特性能夠選自以下特征中的一者或多者：取決于具體應用或制造方法的孔隙幾何形狀200、孔隙大小202、204、孔隙布置206和孔隙率208。基體多孔性特性影響陶瓷基的熱導率和彈性模量。具體地，對于絕緣陶瓷材料（諸如，cmc材料22）而言，穿過厚度的熱梯度取決于多孔性特性，且所得的熱應力取決于局部彈性模量。彈性模量和熱導率是兩個互相依賴的性質，其需要優化以使材料可靠性最大化。

圖17a至圖17d示出具有孔隙幾何形狀200的層壓件10基體多孔性特性的cmc材料22。孔隙幾何形狀200最廣泛地包括任何三維形狀。優選地，基于具體應用或制造方法，孔隙幾何形狀200具有大體預期的形狀。在層壓件10被用于形成燃氣渦輪機的導葉（見圖11h）的至少一部分并由平坦cmc板102（見圖11a至圖11b）制成的示例性應用中，孔隙幾何形狀200可被描述為具有由一個或多個線性、彎曲和/或曲線型部分界定的大體或大致球形、膠囊形、橢圓形、圓錐形、立方形、金字塔形或鐵餅形狀。優選地，至少50%且更優選地至少70%的孔隙具有大體或大致球形或膠囊形（具有一些彎曲或曲線型界定部分）的孔隙幾何形狀200。最優選地，在基體燒結和纖維處理之后，孔隙具有大致球形的孔隙幾何形狀200。

圖17a示出具有大孔隙202的層壓件10基體多孔性特性的cmc材料22。在層壓件10被用于形成燃氣渦輪機的葉片49（見圖13）的至少一部分的示例性應用中，當以大體或大致球形幾何形狀形成大孔隙202時，層壓件10孔隙的至少50%包括具有50至100微米的直徑的大孔隙202。

圖17b示出具有小孔隙204的層壓件10基體多孔性特性的cmc材料22。在層壓件10被用于形成燃氣渦輪機的葉片49（見圖13）的至少一部分的示例性應用中，當以大體或大致球形幾何形狀形成小孔隙204時，層壓件10孔隙的至少50%包括具有5至50微米的直徑的小孔隙204。

圖17a至圖17d示出具有孔隙布置206的層壓件10基體多孔性特性的cmc材料22。孔隙布置206最廣泛地包括關于孔隙相對于層壓件10內的其他孔隙的組織或組織的缺乏。優選地，基于具體應用或制造方法，孔隙布置206具有大體預期的組織。在層壓件10被用于形成燃氣渦輪機的導葉（見圖11h）的至少一部分并由平坦cmc板102（見圖11a至圖11b）制成的示例性應用中，孔隙布置206可被描述為大體一致的或大體隨機的，如圖17a和圖17b中所示。在另一示例性應用中，孔隙布置206可被描述為朝向層壓件10的外部部分布置更多大孔隙202且朝向層壓件10的內部布置更多小孔隙204，如圖17c中所示。在另一個示例性應用中，孔隙布置206可被描述為朝向層壓件10的外部部分布置更多小孔隙204且朝向層壓件10的內部布置更多大孔隙202，如圖17d中所示。

圖17a至圖17d示出具有孔隙率208的層壓件10基體多孔性特性的cmc材料22。在層壓件10被用于形成燃氣渦輪機的葉片49（見圖13）的至少一部分的示例性應用中，孔隙率208是5%至30%。更優選地，孔隙率208是5%至20%。最優選地，孔隙率208是5%至10%。

每個單個層壓件10均可僅包括一個多孔性特性，或取決于具體應用或制造方法可以包括預期的多個多孔性特性或甚至不包括多孔性特性。例如，可貫穿層壓件10一致地使用一個多孔性特性，或對于另一示例，可使用兩個多孔性特性，其中朝向燃氣渦輪機葉片49的前邊緣更多地使用大孔隙202且朝向葉片49的后邊緣更多地使用小孔隙204，或對于另一示例，（一個或多個）多孔性特性可貫穿葉片49的徑向厚度以均勻或非均勻的方式變化。

而且，共同地形成期望形狀（諸如，燃氣渦輪機葉片49（見圖13）或導葉（見圖11h））的多個堆疊的層壓件10可包括一個或多個單個層壓件10，取決于具體應用或制造方法，所述層壓件不具有多孔性特性、具有與堆疊的層壓件10中的一個或多個其他層壓件不同的一個或多個多孔性特性。

現參考圖9和圖18a至圖18b的橫截面，層壓件10的cmc材料22具有層次型纖維架構，換言之呈互鎖結構的各種纖維直徑的編織。

層次型纖維架構能夠是粗網210（其中纖維具有10至25微米且優選地10至15微米的厚度，如圖18a中所示）到細網212（其中纖維具有1至10微米且優選地1至5微米的厚度，如圖18b中所示）。層次型纖維架構還能夠是混合網，其中一些纖維具有粗網210且一些纖維具有細網212，其中粗與細之比的范圍是10%至90%且優選地33%至66%。

能夠使用層次型纖維架構的混合以在復合物的機械性質中實現更大的設計空間，此類那些被設計成改進總體層壓件10長度、引導裂紋偏轉和增強層壓件10的具體區域。

此外，層次型纖維架構可包括具有2微米至25微米直徑且優選地5微米至15微米直徑的細須214，如圖18a中所示。細須214可具有連接到纖維、其他細須或兩者的一個或多個端部。細須可由與纖維相同或類似的材料制成，或由另一種合適的材料（諸如，al2o3）和其他能夠承受高溫的材料（諸如，yag（釔鋁石榴石））制成。細須具有200微米至2000微米、優選地500微米至1000微米的長度。

每個單個層壓件10均可僅包括一個層次型纖維架構，或取決于具體應用或制造方法，可包括預期的多個纖維架構或甚至不包括纖維架構。例如，可貫穿層壓件10一致地使用一個纖維架構，或對于另一示例，可使用兩個纖維架構，其中朝向燃氣渦輪機葉片49的前邊緣更多地使用細網212且朝向葉片49的后邊緣更多地使用粗網210，或對于另一示例，纖維架構可貫穿葉片49的徑向厚度以均勻或非均勻的方式變化。而且，共同地形成期望的形狀（諸如，燃氣渦輪機葉片49（見圖13）或導葉（見圖11h））的多個堆疊的層壓件10可包括一個或多個單個層壓件10，取決于具體應用或制造方法，所述層壓件不具有層次型纖維架構、具有與堆疊的層壓件10中的一個或多個其他層壓件不同的一個或多個層次型纖維架構。

金屬材料28（及包括多個金屬芯26的所得的金屬支撐結構56）可包括任何合適的金屬材料，所述金屬材料將向層壓件和/或部件提供附加強度，以及通過與cmc材料22接觸或通過密切接近cmc材料22來允許cmc材料22的一定程度的冷卻。在某些實施例中，金屬材料28可包括超合金材料，諸如本領域中眾所周知的ni基或co基超合金材料。術語“超合金”可被理解為指代即使在高溫下仍展現卓越的機械強度和抗蠕變性的高抗腐蝕和抗氧化合金。示例性超合金材料可商業地獲得，且例如在以下商標或品牌名稱下出售：hastelloy、inconel合金（例如，in738、in792、in939）、rene合金（例如，renen5、rene41、rene80、rene108、rene142、rene220）、haynes合金、marm、cm247、cm247lc、c263、718、x-750、ecy768、262、x45、pwa1483和cmsx（例如，cmsx-4）單晶合金、gtd111、gtd222、mga1400、mga2400、psm116、cmsx-8、cmsx-10、pwa1484、in713c、mar-m-200、pwa1480、in100、in700、udimet600、udimet500和鈦鋁化合物。

上文所描述的單個層壓件10被理解為表示由一疊此類層壓件10建構的部件的給定橫截面。在一個實施例中，由如本文中所描述的一疊層壓件10形成的部件可以是燃氣渦輪機的靜止部件（諸如，靜導葉）。在另一個實施例中，部件可包括用于燃氣渦輪機的旋轉部件（諸如，葉片）。然而，本發明并不如此局限，且可根據本文中所描述的過程形成任何期望的部件。

參考圖10，僅以示例的方式，示出呈靜止的渦輪導葉46的主體部分的形式的部件45。導葉46包括徑向外端部47、徑向內端部48和外周邊表面50。如本文中所使用的，術語“徑向”旨在描述導葉46在其操作位置中相對于裝納其的渦輪機的方向。此外，導葉46可具有前邊緣52和后邊緣54。如下文將詳細解釋的那樣，當單個層壓件10堆疊在彼此之上時，通過諸如增材制造過程的過程形成穿過堆疊58（或堆疊的層壓件58或堆疊的層壓結構58）中每個層壓件10中的開口24的金屬支撐結構56。在實施例中，金屬支撐結構56從徑向外端部47延伸到徑向內端部48。金屬支撐結構56包括多個金屬芯26（見圖2至圖9），所述金屬芯中的每一個均可在每個層壓件水平下單個地定制。

在另一實施例中，如圖13中所示，部件45可呈燃氣渦輪機的葉片49的至少一部分的形式。可以以與導葉46相同的方式形成葉片49，使得葉片49包括層壓件10的堆疊58和在每個層壓件10中的相應開口24內延伸穿過堆疊58的一個或多個金屬支撐結構56。在實施例中，葉片49包括由層壓件10形成的翼型51，所述翼型可在其根部處安裝在平臺53上。因此，在這個實施例中，多個層壓件10的至少一部分具有翼型形狀。

在某些實施例中，堆疊中的層壓件10與相鄰層壓件10機械解耦和/或熱解耦，使得至少一個層壓件10獨立于至少一個其他層壓件10將一定量的載荷或一定量的熱能傳遞到金屬支撐結構56。另外，堆疊58中的層壓件10可機械和/或熱解耦，使得至少一定量的載荷或熱能不從一個層壓件10被傳輸到相鄰層壓件10，因為各個層壓件未粘接在一起，且cmc材料22和金屬芯26未彼此粘接或固定。盡管如此，仍可在堆疊58的每個水平處定制cmc材料22與金屬支撐結構56（及其組成）之間的關系。以這種方式，金屬支撐結構56可為cmc材料22提供機械支撐，并允許從cmc材料22到金屬支撐結構56的優化的載荷和/或熱傳遞。在旋轉部件的情況下，本文中所描述的堆疊的層壓件/增材制造方法還允許分布離心載荷，因為單個層壓件20不必一致地運動并且相對于共用的金屬結構支撐件（例如，支撐結構56）能夠自由地單個地移動。

應了解的是，形成期望的部件的各個層壓件10可大致彼此等同；然而，在某些實施例中，層壓件10可彼此不同。例如，堆疊的層壓件58可包括在厚度、大小、形狀、密度、纖維取向、多孔性等等方面有區別的層壓件10。在某些實施例中，與一個層壓件10相關聯的金屬芯26可具有相對于與另一有區別的層壓件10相關聯的金屬芯26不同的組合、形狀及尺寸。此外，層壓件10中的任何一個或多個可呈平板的形式，且可具有筆直或彎曲的邊緣。在其他實施例中，層壓件10可甚至具有非平面的鄰接表面。

現在轉向圖11a至圖11h，示出根據本發明的方面的示例性過程100（大體示于圖11a）。在所示的實施例中，通過該過程形成靜導葉，不過應理解的是，本發明并不如此局限于靜導葉的制造，并且可針對各種應用通過本文中所描述的過程形成具有各種大小和形狀的其他部件。

如圖11a中所示，可初始地以大致平板102的形式提供cmc材料22。如圖11b中所示，可從平板102切割出任何一個或多個層壓件10的主體12（諸如，通過水射流或激光切割），以形成期望的主體形狀（例如，翼型形狀）和提供期望數量和尺寸的開口24。由平板102形成層壓件10能夠提供眾多優點。舉一個示例，平板提供cmc材料的強勁、可靠和統計學上一致的形式。因此，平板方法可避免在制造緊湊地彎曲的構型時出現的制造困難。例如，平板在固化期間可不受約束，且因此不遭受各向異性的收縮應變。

替代性地，可初始地通過首先形成具有期望形狀的大致平坦的骨架220（例如，見圖11a虛線、圖19）而非以大致平板102的形式來提供cmc材料22，同時仍保持cmc材料22的強勁、可靠和統計學上一致的形式。平坦骨架220技術涉及拉拔（drawout）或商業地購買拉拔纖維材料222（諸如，nextel610、720和650）。取決于具體應用和期望的部件，拉制纖維222可具有一個或多個某種預期的厚度、大小、形狀、密度、纖維取向、纖維架構等等。接下來，以多種方式（諸如，通過鋪層、輥軋、釘粘（tack）、注射、噴涂等等）中的任何方式操作細長的拉制纖維222，以使期望形狀的大致平坦骨架220（例如，見圖11a虛線、圖19）成形。在平坦骨架220已成形之后，通過多種方式（諸如，注射、噴涂、濺射、熔化、滲透、熔漿滲透等等）中的任何方式將陶瓷基氧化物材料（諸如，作為pritzkowfw12（基體是氧化鋁氧化鋯混合物）可商業地獲得的陶瓷基氧化物材料，或美國專利號7,153,096、7,093,359和6,733,907中所描述的那些陶瓷基氧化物材料）沉積在纖維骨架220中及其周圍，由此使纖維骨架220相互連接。取決于具體應用和期望的部件，根據需要，cmc材料22可具有一個或多個某種預期的厚度、大小、形狀、密度、多孔性、孔隙特性等等。

代替大致平坦的形狀，可修改上文所描述的大致平坦骨架220技術以產生更厚的形狀。如果如此修改，那么三維骨架224形狀優選地與期望部件（諸如，燃氣渦輪機導葉或葉片49）的三維形狀大體一致。該修改涉及堆疊拉制纖維222或使用遠為更厚的拉制纖維222來使更厚的骨架224成形，且然后將cmc材料22沉積在更厚的骨架224中及其周圍。

在實施例中，可在每個層壓件10完全固化之后發生層壓件10在堆疊58中的組裝，以便避免收縮問題。如果使用cmc平板102，則平板102也促進常規的非破壞性檢驗。此外，利用平板減少了難以識別的分層型缺陷的致命度。此外，更容易實現尺寸控制，因為可準確地形成平板并且可使用成本有效的切割方法將平板機械加工成形。平板構造還實現可縮放的和自動化的制造過程。

現在參考圖11c，可提供基底構件104，其上將堆疊一系列層壓件10中的第一層壓件10a。在該實施例中，基底構件104可包括用于靜導葉的平臺（例如，用于導葉的徑向向內平臺）。替代性地，基底構件104可以具有任何其他合適的結構，諸如如本文中所描述的業已形成的層壓件或無開口24或無形成于其中的金屬芯26的層壓件。在任何情況下，第一層壓件10a被放置在基底構件104上，并且金屬源材料106被添加到開口24內的一個或多個期望位置。在實施例中，以預定體積和饋送速度從合適的金屬源108（諸如，料斗等等）提供金屬源材料106。

在材料106的沉積之后，能量源110（諸如，激光源）使來自其的能量束112聚焦在相應開口24內的金屬源材料106上以根據預定協議以預定模式使預定量的金屬材料106熔化，從而在相應開口24內形成熔融金屬。為實現此，可使能量源110相對于基材（例如，層壓件10a）運動或反之，以將能量源110定位在層壓件10a上的期望位置處，從而使金屬材料106熔化。如也在圖11c中示出的那樣，將允許熔融金屬主動地或被動地冷卻以提供兩個金屬芯26a（在該實例中，用于單個層壓件10a）。金屬芯26a充當相應的金屬支撐結構56的第一部分，所述金屬芯26中的每一個均可延伸穿過堆疊58（例如，見圖10）的每個層壓件10中的開口24。

在該實施例中，為建構金屬支撐結構56和促進在金屬芯26a的頂部上添加后續形成的金屬芯26b，可在先前的芯26a的頂部上添加額外的金屬材料106a，如圖11d中所示。此后，能量源110（圖11c）可再次引導一定量的能量112使額外的材料106a熔化，且可允許熔融材料冷卻（主動地或被動地）以形成后續的金屬芯26b（如圖11e中所示），所述金屬芯中的每一個均從第一層壓件10a的頂表面115傲然豎立。

在實施例中，所形成的金屬芯26b現在可用作其上可放置后續層壓件10b的支柱，如圖11f中所示。這種設計的一個優點在于，金屬芯26b能夠針對對應的層壓件10b具體地配置，且可以以任何期望的方式（例如，大小、形狀、材料、針對載荷和熱傳遞、在cmc材料與金屬芯之間具有具體界面等等）被定制。僅以示例的方式，在二十個層壓件的堆疊的情況下，如果長且剛性的桿例如從徑向外端部47延伸穿過該層壓件堆疊到達徑向內端部48（圖10），那么將難以沿整個徑向長度在cmc材料與金屬芯之間具有最佳界面。換言之，形成的結構越大，越難以在部件的每一個徑向位置處提供期望的規格，諸如cmc材料與金屬之間的最佳界面。因此，通過利用增材制造來通過堆疊層壓結構逐層建構金屬支撐結構56，能夠沿部件的長度以各種間隔優化cmc材料、金屬、這兩者之間的界面和部件中的任何其他結構的參數，這例如在長桿等等的情況下是不可能的。

在第二金屬芯26b的形成時，應了解的是，第一金屬芯26a和第二金屬芯26b可彼此變成一體以提供徑向地延伸穿過層壓件10中的相應開口24的金屬支撐結構56的一部分。重復在現有金屬芯上形成后續的芯并將層壓件10堆疊在后續形成的芯上的過程，直到形成能夠在其上添加堆疊58中的最后一個層壓件的整個金屬支撐結構56。如圖11g中所示，當添加最后一個層壓件10時，層壓件堆疊58的形成被完成并限定具有金屬支撐結構56（其可在堆疊58中的每個層壓件10處被定制）的層壓件的堆疊58，所述層壓件的堆疊延伸穿過結構56。

此后，如果必要或期望，可提供頂部構件116以限定所形成的部件118的頂表面，在這種情況下，所形成的部件118可以是如圖11h中所示的靜導葉46。在所示的實施例中，在靜導葉的情況下，頂部構件116可包括外徑向平臺。在其他實施例中（諸如，葉片的形成的情況那樣），頂部構件116可包括已形成的層壓件或甚至如本文中所描述的包括cmc材料而無金屬芯的層壓件。

一旦所有期望的層壓件均堆疊在彼此之上且應用了頂部構件（如果存在），就可以通過任何期望的一個或多個過程（諸如，機械加工、涂覆和熱處理）來完成部件的制造。在某些實施例中，可能期望給予部件（尤其是將暴露于高溫的那些部分）更大的熱保護。在此類情況下，能夠在期望的位置處將一層或多層熱絕緣材料或熱障涂層64應用于部件的周邊表面50（圖10）。在一個實施例中，熱障涂層64可包括脆性分級絕緣（fgi），所述fgi在本領域中是已知的（諸如在美國專利號6,670,046和6,235,370中，所述專利通過引用并入本文）。在其他實施例中，可在層壓件10的堆疊之前將此類熱障涂層應用于每個層壓件10的外周邊。

在上文所描述的實施例中，形成后續金屬芯（例如，26b），使得在金屬材料28的熔化和再凝固時，所形成的金屬芯26b被安置在先前提供的層壓件10a的頂表面上（傲然豎立）。以這種方式，類似于在立桿（pole）上滑動/放置環，能夠將后續層壓件10b添加到金屬芯26b。一旦后續層壓件10b被安置在金屬芯26b上，就能夠在金屬芯26b上形成另一金屬芯，且重復該過程直到完全形成金屬支撐結構56且最后的層壓件10被放置在堆疊58上。在實施例中，在待添加堆疊58中的最終的層壓件10的情況下，可提供金屬材料28，使得形成最后的層壓件10的金屬芯26以便與最后的層壓件10的頂表面齊平，如圖11g中所示。

應了解的是，可以以任何具體次序發生連續的層壓件10的放置連同通過層壓件的開口24的金屬支撐結構56的形成。如上文所解釋的那樣，可放下第一層壓件10a，使金屬材料28熔化并在相應開口24內再凝固，且然后可將另一層壓件10b定位在第一層壓件10a上。在如上文所解釋的一些實施例中，可形成從第一層壓件10a的頂表面14徑向地延伸的金屬芯26a，所述金屬芯用作后續層壓件10b可定位于其上的支柱。

在其他實施例中，金屬材料106可被添加于層壓件10a的開口24a內，使得當熔化和再凝固時，金屬芯26的一部分60形成在每個開口24中，而且安置在對應的層壓件10a的頂表面14下方。這在圖12a中示出，為易于說明，圖12a是沿如本文中所描述的層壓件10的穿過平面方向的平坦、二維橫截面視圖。應理解的是，圖12a的層壓件10a可包括例如翼型形狀。在部分60的形成之后，可將后續層壓件10b堆疊在先前的（例如，第一）層壓件10a上，如圖12b中所示。此后，額外的熔融和再凝固金屬材料可填充先前層壓件10a的開口24a內的其余深度，以完成在第一層壓件10a內形成金屬芯26。另外，熔融和再凝固金屬材料可填充后續層壓件10b的開口24b的一部分，且因此可形成用于層壓件10b的金屬芯的一部分62。應了解的是，在必要時，可重復這個過程以添加層壓件10c至10g直到最后的層壓件10h被放置在堆疊58上。對于最后的層壓件10h而言，可使金屬材料在該最后的層壓件10h的開口24h內熔化和再凝固，使得最終的金屬芯26h形成穿過堆疊58的完整的金屬支撐結構56，所述金屬支撐結構56具有與最終的層壓件10h的頂表面115齊平的端部，如圖12c中所示。

在其他實施例中，所形成的部件的頂部部分的一部分或全部可在一個或多個最外部層壓件中包括更大量的金屬材料28。如圖14中所示，例如，堆疊58中的最頂部層壓件10i可包括在主體12中的凹部64，所述凹部填充有熔融和再凝固金屬材料66。在又另一個實施例中，如圖15中所示，堆疊58的頂部部分70包括末端部分（tipportion）72，所述末端部分完全由金屬材料形成且可具有任何期望的形狀。

還應理解的是，在增材制造過程期間，可在開口24內形成間隙、偏壓構件或任何其他期望的部件或設計。也了解的是，可經由可移除的間隔件的使用和/或經由增材制造參數（諸如，激光強度、持續時間、能量源與部件之間的間距等等）的控制進行間隙36的形成。

另外，在圖12c中所示的實施例中，金屬支撐結構56包括相對對稱的形式，使得貫穿部件，相鄰層壓件的開口和環繞主體的尺寸是相對相同或類似的。在另一個實施例中，如圖16中所示，代替地通過增材制造（如本文中所描述的那樣）形成部件，使得cmc層壓件10a至10h的部分與金屬支撐結構56的部分重疊（及反之），以便使堆疊58中cmc層壓件10a至10h與金屬支撐結構56互鎖。以這種方式，金屬支撐結構56的多個部分與cmc層壓件10a至10h重疊，因此經由金屬支撐結構56包埋cmc層壓件10a至10h（諸如，沿豎直或發動機徑向方向）。此類構造對提供單個層壓件支撐以避免在某些加載條件下或在單個層壓件斷裂的情形中的分離和泄漏路徑（內部冷卻空氣外泄或熱氣體漏入）是有用的。在旋轉翼型的情況下也應用此類約束，以將離心載荷從每個層壓件分布于金屬支撐結構56。在葉片的情況下，這種方法具有勝于常規翼梁-殼（spar-shell）構思的優點，所述翼梁-殼構思將翼型殼載荷集中在葉片葉頂處，由此通過將重心推向葉片葉頂來增加葉片總載荷。在本發明的一個方面中，載荷傳遞發生在堆疊中的每個層壓件處，且由此可減小離心載荷。

雖然本文中已示出和描述了本發明的各種實施例，但將顯而易見的是，僅以示例的方式提供此類實施例。在不背離本文中的發明的情況下，可作出眾多變型、改變和替代。因此，預期本發明僅受到所附權利要求的精神和范圍的限制。