CN100497089C - 纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣及其制造方法，属于涡轮风扇航空发动机技术领域。该包容机匣具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，其中三明治结构是在高温下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺、活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。该包容机匣硬度高、韧性好、重量轻，具有较好的防护高速物体冲击的能力，可广泛应用在各种类型的涡轮风扇航空发动机中上。

Description

纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣及其制造方法
技术领域
本发明提供一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣及其制造方法，属于涡轮风扇航空发动机技术领域。
背景技术
针对波音777和空中客车A380等远程大型商业喷气飞机的发展，美国的普惠公司、通用电气公司和英国的罗·罗公司研制PW4000系列、GE90系列、GEnx系列、Trent900系列和Trent1000系列等大推力涡轮风扇航空发动机，该类型的涡轮风扇航空发动机都使用了大尺寸的风扇叶片，最大的风扇叶片直径可达3m，工作时风扇叶尖处的切线速度超过450m/s，未来涡轮风扇航空发动机的发展，涡轮风扇叶尖的切线速度会更高。高速运转的叶片受外物撞击损伤或高频率振动疲劳等的影响，不可避免地会出现叶片断裂故障。断裂叶片具有很高的能量，如果叶片击穿机匣，由于飞机的油箱与发动机紧挨在一起，会引发油箱爆炸造成灾难性事故。因此，航空发动机的设计和制造，必须考虑发动机机匣的包容能力。
目前的装甲一般都是双层设计：外层由较硬的材料构成，通常为陶瓷；而内层则为柔性材料，如铝或者kevlar纤维。陶瓷材料通常经过复合硬化表面处理，即在陶瓷表面涂一定量的树脂玻璃纤维或者kevlar材料来提高其抗冲击性，装甲结构中外层氧化铝陶瓷内层kevlar纤维是常见的组合。
现有的航空发动机包容机匣有如下三种，第一种是由高强度合金钢制成的圆环形结构，钢铁材料的强度和韧性都很好，这种机匣防护效果较好，但是材料的密度高，不符合航空部件轻质化的要求；第二种是由锂合金、镁合金、铝合金和钛合金等轻金属材料制成，这类轻金属材料强度和韧性差，虽然密度小，但是防护效果不佳；第三种是在锂合金、镁合金、铝合金和钛合金等轻金属材料制成的圆环上缠绕玻璃纤维、kevlar纤维和碳纤维等高强度纤维，使用环氧树脂和聚酰亚胺等高分子树脂材料为粘结剂固化后形成的纤维缠绕复合材料包容机匣，这种机匣具有重量轻、防护效果好的特点，是大推力涡轮风扇发动机风扇叶片包容机匣的首选。
树脂为基的复合材料的使用温度有很大的局限。在长时间使用的条件下，环氧树脂一般不超过200℃，正在发展的聚酞亚胺的也不超过300℃～350℃。即使在较低的温度下，树脂基的弹性模量和强度也不高，在大的负荷应力下容易开裂。特别是单向复合材料的层间强度决定于基体，而树脂基的强度低。虽然可以通过纤维交叉排列来改善偏轴方向的性能，但又会使轴向性能削弱，致使复合材料的特点得不到充分发挥。
发明内容
为了克服上述的缺点和弊端，本发明提出了一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料制成的涡轮风扇航空发动机使用的包容机匣。
碳纤维、玻璃纤维等高强纤维和金属板、陶瓷板等在600℃～1650℃的温度范围内通过活性金属法、粉末烧结方法和活性铸接法等特种连接技术制成具有一个或多个金属/纤维/陶瓷层状复合结构的部件，陶瓷材料具有很高的硬度，金属材料具有很好的韧性，纤维材料具有很高的抗拉强度，具有这种复合结构的机匣具有重量轻、抗叶片打击包容能力好的特点，这种结构在高温下通过特殊的工艺焊接而成，高温性能优良，预期在涡轮风扇航空发动机中具有很广泛的应用前景。
本发明提供了一种具有纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料结构的包容机匣，即纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣，该圆环状的包容机匣具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～1650℃温度下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。
所述纤维层的纤维是高强石英纤维、高强度碳纤维和高模量碳纤维。所述防护板的陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
所述的活性铸接工艺是：在600℃～1650℃高温下，通过物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起。其中所述的物理方法例如去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面张力实现对陶瓷材料的湿润，所述的化学方法是在熔液中加入锆、钛等能在高温下能和陶瓷发生化学反应的活性金属元素降低熔液表面张力，最终实现金属和陶瓷的连接。
所述的粉末烧结工艺是：将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
所述的活性金属钎焊工艺是：将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
本发明的优点和功效是：它兼具金属材料、纤维材料和陶瓷材料各自的特点，不仅硬度高，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速物体冲击的能力，可广泛应用在各种类型的涡轮风扇航空发动机中上。
金属材料和陶瓷材料的热膨胀系数不同，两者在高温下通过活性铸接工艺和活性金属钎焊工艺焊接在一起，冷却到室温时，纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料(简称金属陶)内部存在内应力，由于金属的热膨胀系数比陶瓷高，陶瓷受压应力作用，陶瓷材料的特点是抗压性能远远由于其抗拉伸性能，这种应力也会导致金属材料的原子晶格畸变，有效提高金属材料的硬度，金属陶内应力的存在对于提高其抗高速弹丸冲击的能力非常有利。
附图说明
图1本发明之金属/纤维/陶瓷/纤维/金属层状复合包容机匣结构示意图；
图2本发明之纤维/陶瓷/纤维金属层状复合包容机匣结构示意图；
图3本发明之金属/纤维/金属包容机匣结构示意图；
图4本发明之金属/纤维/陶瓷/纤维/金属包容机匣结构示意图。
图中标号如下：
1：金属层；      2：纤维层；     3：陶瓷层
具体实施方式
本发明所述的包容机匣对于高速叶片的防护机理是：当高速叶片打击到该包容机匣表面时，最外层金属层在叶片的侵彻下被破开，露出中间的陶瓷层，陶瓷材料的硬度要比叶片的组成材料高很多，可以非常有效的对叶片进行侵彻而损坏叶片，降低叶片的持续侵彻能力，陶瓷层在高速弹丸的打击下产生裂纹而破损，但是两边金属层和纤维层通过焊接所形成的束缚作用防止陶瓷层上裂纹扩展，裂纹在扩展过程中，金属材料的塑性和纤维的断裂能够有效吸收叶片冲击的能量，进一步降低叶片的侵彻能力。
本发明提出了一种金属/纤维/陶瓷层状复合材料制成的包容机匣，具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在600℃～1650℃温度下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。本发明中所述的活性金属钎焊工艺的一种方式为：将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～900℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料结构。本发明中所述的活性铸接工艺是指在高温下，通过所述物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使金属和陶瓷焊接在一起。
本发明所述的粉末烧结工艺的一种方式是：将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板。
所述的纤维是高强石英纤维、高强度碳纤维和高模量碳纤维。
所述防护板的陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
下面将结合附图对本发明做作一步详细说明。
实施例1：
通过活性金属钎焊工艺、活性铸接工艺和粉末烧结工艺制造的一种圆筒层状复合结构如图1所示：图1中的1是金属材料层，2是纤维材料层，3是陶瓷材料层，纤维材料缠绕在所在圆筒层的外壁，可以是单层缠绕也可以是多层缠绕，纤维可以是整块也可以由多块纤维拼缝焊接而成；金属圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成；陶瓷圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成。圆筒的外径200mm～4000mm，金属层的厚度0.5mm～10mm，陶瓷层的厚度1mm～20mm。
实施例2：
通过活性金属钎焊工艺、活性铸接工艺和粉末烧结工艺制造的一种圆筒层状复合结构如图2所示：图2中的1是金属材料层，2是纤维材料层，3是陶瓷材料层，纤维材料缠绕在所在圆筒层的外壁，可以是单层缠绕也可以是多层缠绕，纤维可以是整块也可以由多块纤维拼缝焊接而成；金属圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成；陶瓷圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成。圆筒的外径200mm～4000mm，金属层的厚度0.5mm～10mm，陶瓷层的厚度1mm～20mm。
实施例3：
通过活性金属钎焊工艺、活性铸接工艺和粉末烧结工艺制造的一种圆筒层状复合结构如图3所示：图1中的1是金属材料层，2是纤维材料层，纤维材料缠绕在所在圆筒层的外壁，可以是单层缠绕也可以是多层缠绕，纤维可以是整块也可以由多块纤维拼缝焊接而成；金属圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成。圆筒的外径200mm～4000mm，金属层的厚度0.5mm～10mm。
实施例4：
通过活性金属钎焊工艺、活性铸接工艺和粉末烧结工艺制造的一种圆筒层状复合结构如图1所示：和前面不同的是，本实施例的机匣为两瓣型分开式结构，实际应用中两瓣机匣装配在一起形成一个整体。
图4中的1是金属材料层，2是纤维材料层，3是陶瓷材料层，纤维材料铺焊在所在半圆筒层的外壁，可以是单层铺焊也可以是多层铺焊，纤维可以是整块也可以由多块纤维拼缝焊接而成；金属圆筒可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成；陶瓷层可以是一个整体也可以由多块圆弧拼缝焊接而成。两个圆弧装配成的圆筒的外径200mm～4000mm，金属层的厚度0.5mm～10mm，陶瓷层的厚度1mm～20mm。

Claims (2)

1、一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣，该圆环状包容机匣具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，其中，该三明治结构是在高温下将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起；该防护板的陶瓷层是氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材；所述高温为600℃～1650℃，其特征在于：该纤维层的纤维是高强石英纤维、高强度碳纤维和高模量碳纤维。
2、一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合包容机匣的制造方法，该制造方法是通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺、活性金属钎焊工艺方法，将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起；其特征在于：该活性铸接工艺是：在600℃～1650℃高温下，通过物理或化学方法减小金属熔体的表面张力，使其能够在陶瓷表面湿润并凝固，从而使纤维、金属和陶瓷焊接在一起；该粉末烧结工艺是：将粉末烧结材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，升温到1200℃～1600℃，保温45～120分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板；该活性金属钎焊工艺是：将活性金属钎焊材料均匀涂刷在要结合的金属层、纤维层和陶瓷层表面，并将它们放置在一起，先在烘箱中将有机溶剂烘干，然后放置在真空电炉中，慢速升温到600℃～1650℃，保温10～15分钟，随炉冷却，即可获得结合良好的纤维增强金属/陶瓷层状复合材料防护板；其中，所述的该物理和化学方法是，利用去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面张力实现对陶瓷材料的湿润，利用在熔液中加入能在高温下能和陶瓷发生化学反应的活性金属元素锆、钛降低熔液表面张力，最终实现金属和陶瓷的连接。
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